計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第6講走樣與反走樣及字符處理.

1、中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院GISGIS中心中心1第第7講講 走樣與反走樣和字符處理2走樣現(xiàn)象l走樣（走樣（aliasing）n用離散量（像素）表示連續(xù)的量（圖形）而引起的失真，用離散量（像素）表示連續(xù)的量（圖形）而引起的失真，稱為走樣，或稱為混淆稱為走樣，或稱為混淆l光柵圖形的走樣現(xiàn)象光柵圖形的走樣現(xiàn)象n階梯（鋸齒）狀邊界階梯（鋸齒）狀邊界n圖形細(xì)節(jié)失真圖形細(xì)節(jié)失真n狹小圖形遺失：動(dòng)畫(huà)序列中時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生閃爍狹小圖形遺失：動(dòng)畫(huà)序列中時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生閃爍3（1）階梯狀的圖形邊界）階梯狀的圖形邊界n像素間距大像素間距大線畫(huà)圖元線畫(huà)圖元填充圖元邊界填充圖元邊界實(shí)例實(shí)例

2、4（2）圖形細(xì)節(jié)失真）圖形細(xì)節(jié)失真n顯示圖形的最小單位為像素顯示圖形的最小單位為像素n細(xì)長(zhǎng)的矩形顯示后成了加寬的矩形細(xì)長(zhǎng)的矩形顯示后成了加寬的矩形n更細(xì)的矩形將丟失更細(xì)的矩形將丟失5（3）狹小圖形的遺失與動(dòng)態(tài)圖形的閃爍）狹小圖形的遺失與動(dòng)態(tài)圖形的閃爍n多邊形分布在像素間，不覆蓋像素多邊形分布在像素間，不覆蓋像素 中心，不被顯示中心，不被顯示n狹小圖形運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)間隔覆蓋像素狹小圖形運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)間隔覆蓋像素 的中心，產(chǎn)生閃爍的中心，產(chǎn)生閃爍6反走樣方法l反走樣反走樣(antialiasing)n在圖形顯示過(guò)程中，用于減少或消除走樣（混淆）現(xiàn)在圖形顯示過(guò)程中，用于減少或消除走樣（混淆）現(xiàn)象的方法象的方

3、法l方法方法n提高分辨率方法提高分辨率方法n非加權(quán)區(qū)域采樣非加權(quán)區(qū)域采樣n加權(quán)區(qū)域采樣加權(quán)區(qū)域采樣7（1）提高分辨率的反走樣方法）提高分辨率的反走樣方法n方法簡(jiǎn)單，但代價(jià)非常大方法簡(jiǎn)單，但代價(jià)非常大顯示器的水平、豎直分辯率各提高一倍，則顯示顯示器的水平、豎直分辯率各提高一倍，則顯示器的點(diǎn)距減少一倍，幀緩存容量則增加到原來(lái)的器的點(diǎn)距減少一倍，幀緩存容量則增加到原來(lái)的4倍，而掃描轉(zhuǎn)換同樣大小的圖元卻要花倍，而掃描轉(zhuǎn)換同樣大小的圖元卻要花4倍時(shí)間倍時(shí)間8（2）非加權(quán)區(qū)域采樣方法）非加權(quán)區(qū)域采樣方法n掃描轉(zhuǎn)換線段的兩點(diǎn)假設(shè)掃描轉(zhuǎn)換線段的兩點(diǎn)假設(shè)u像素是數(shù)學(xué)上抽象的點(diǎn)，它的面積為像素是數(shù)學(xué)上抽象的點(diǎn)，它

4、的面積為0，它的亮度由覆蓋，它的亮度由覆蓋該點(diǎn)的圖形的亮度所決定該點(diǎn)的圖形的亮度所決定u直線段是數(shù)學(xué)上抽象直線段，它的寬度為直線段是數(shù)學(xué)上抽象直線段，它的寬度為0n現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)u像素的面積不為像素的面積不為0；u直線段的寬度至少為直線段的寬度至少為1個(gè)像素；個(gè)像素；n假設(shè)與現(xiàn)實(shí)的矛盾是導(dǎo)致走樣出現(xiàn)的原因之一假設(shè)與現(xiàn)實(shí)的矛盾是導(dǎo)致走樣出現(xiàn)的原因之一9n解決方法：改變直線段模型，線上像素灰度不等解決方法：改變直線段模型，線上像素灰度不等n方法步驟方法步驟1、將直線段看作具有一定寬度的狹長(zhǎng)矩形；、將直線段看作具有一定寬度的狹長(zhǎng)矩形；2、當(dāng)直線段與某像素有交時(shí)，求出兩者相交區(qū)域的面積；、當(dāng)直線段與某像素有

5、交時(shí)，求出兩者相交區(qū)域的面積；3、根據(jù)相交區(qū)域的面積，確定該像素的亮度值、根據(jù)相交區(qū)域的面積，確定該像素的亮度值10n方法性質(zhì)方法性質(zhì)u直線段對(duì)一個(gè)像素亮度的貢獻(xiàn)與兩者相交區(qū)域的面積成正直線段對(duì)一個(gè)像素亮度的貢獻(xiàn)與兩者相交區(qū)域的面積成正比比u當(dāng)直線段和某個(gè)像素不相交時(shí)，它對(duì)該像素的亮度無(wú)影響當(dāng)直線段和某個(gè)像素不相交時(shí)，它對(duì)該像素的亮度無(wú)影響u相同面積的相交區(qū)域?qū)ο袼氐牧炼蓉暙I(xiàn)相同，而與這個(gè)相相同面積的相交區(qū)域?qū)ο袼氐牧炼蓉暙I(xiàn)相同，而與這個(gè)相交區(qū)域落在像素內(nèi)的位置無(wú)關(guān)交區(qū)域落在像素內(nèi)的位置無(wú)關(guān)關(guān)鍵：如何計(jì)算相交面積？關(guān)鍵：如何計(jì)算相交面積？11n計(jì)算相交區(qū)域的面積計(jì)算相交區(qū)域的面積(a)面積面積

6、=D2/2k(b)面積面積=D k/2像素實(shí)際顯示的灰度值像素實(shí)際顯示的灰度值 = = 所得面積所得面積 * * 該像素的最大灰度值該像素的最大灰度值D/kDDk假設(shè)假設(shè)線段線段斜率斜率為為k像素實(shí)際大小像素實(shí)際大小DD(c)面積面積=1-(1-D)2/k12n求相交區(qū)域的近似面積的離散計(jì)算方法求相交區(qū)域的近似面積的離散計(jì)算方法u將屏幕像素分割成將屏幕像素分割成 n 個(gè)更小的子像素；個(gè)更小的子像素；u計(jì)算中心點(diǎn)落在直線段內(nèi)的子像素的個(gè)數(shù)，記為計(jì)算中心點(diǎn)落在直線段內(nèi)的子像素的個(gè)數(shù)，記為 m，um/n 為線段與像素相交區(qū)域面積的近似值為線段與像素相交區(qū)域面積的近似值n例例目的：簡(jiǎn)化計(jì)算目的：簡(jiǎn)化計(jì)

7、算 n = 16, = 16, m = 3 = 3近似面積近似面積 = 3/16= 3/1613l存在的不足存在的不足n像素的顏色或灰度值與相交（覆蓋）區(qū)域的面積成正比，像素的顏色或灰度值與相交（覆蓋）區(qū)域的面積成正比，而與相交區(qū)域落在像素內(nèi)的位置無(wú)關(guān)，仍會(huì)導(dǎo)致鋸齒效而與相交區(qū)域落在像素內(nèi)的位置無(wú)關(guān)，仍會(huì)導(dǎo)致鋸齒效應(yīng)應(yīng)n沿理想直線方向的相鄰兩個(gè)像素的顏色或灰度值會(huì)有較沿理想直線方向的相鄰兩個(gè)像素的顏色或灰度值會(huì)有較大差異大差異14（3）加權(quán)區(qū)域采樣方法）加權(quán)區(qū)域采樣方法n權(quán)函數(shù)權(quán)函數(shù)w(x, y)u以像素以像素A的中心為原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系的中心為原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系 uw(x, y)反應(yīng)了微面積

8、元反應(yīng)了微面積元dA對(duì)整個(gè)像素亮度的貢獻(xiàn)大小對(duì)整個(gè)像素亮度的貢獻(xiàn)大小 ，與，與 dA 到像素中心距離到像素中心距離d 成反比。成反比。u高斯函數(shù)高斯函數(shù)dyxw1),(222222exp212exp21),(yxdyxw15u權(quán)性權(quán)性u(píng)位于位于(x, y)處的微面積元處的微面積元dA對(duì)像素的亮度的貢獻(xiàn)為對(duì)像素的亮度的貢獻(xiàn)為 w(x, y) dAn相交區(qū)域相交區(qū)域 對(duì)該像素的亮度貢獻(xiàn)對(duì)該像素的亮度貢獻(xiàn) 1),(AdAyxww x y dAA( , )A16n實(shí)現(xiàn)步驟實(shí)現(xiàn)步驟1求直線段與像素的相交區(qū)域求直線段與像素的相交區(qū)域2計(jì)算的值計(jì)算的值3上面所得到的值介于上面所得到的值介于0、1之間，之間，

9、用它乘像素的最大灰度值，用它乘像素的最大灰度值，即設(shè)該像素的顯示灰度。即設(shè)該像素的顯示灰度。n問(wèn)題：計(jì)算量大問(wèn)題：計(jì)算量大 n特例：特例： 時(shí)，時(shí)，1),( yxw的面積的面積AdAyxwA ),(加權(quán)區(qū)域加權(quán)區(qū)域采樣方法采樣方法退化為非退化為非加權(quán)區(qū)域加權(quán)區(qū)域采樣方法采樣方法Aw x y dAA( , )17n離散計(jì)算方法離散計(jì)算方法1將屏幕像素均勻分割成將屏幕像素均勻分割成m個(gè)子像素個(gè)子像素 ，則每個(gè)子像，則每個(gè)子像素的面積為素的面積為計(jì)算每個(gè)子像素對(duì)原像素亮度的貢獻(xiàn)，記為計(jì)算每個(gè)子像素對(duì)原像素亮度的貢獻(xiàn)，記為 將將 保存在一張加權(quán)表中保存在一張加權(quán)表中2求出所有中心落于直線段內(nèi)的子像素，

10、記為求出所有中心落于直線段內(nèi)的子像素，記為3計(jì)算所有這些子像素對(duì)原像素亮度貢獻(xiàn)之和計(jì)算所有這些子像素對(duì)原像素亮度貢獻(xiàn)之和 。 該值乘以像素的最大灰度值即為像素的顯示灰度值該值乘以像素的最大灰度值即為像素的顯示灰度值A(chǔ)iim1dAmAi1iAidAyxww),(wiim1的子集，為miAi,21,:wii18nw(x, y)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，對(duì)應(yīng)的 也是經(jīng)驗(yàn)值也是經(jīng)驗(yàn)值nw(x, y)可以用加權(quán)表可以用加權(quán)表M表示，取法有表示，取法有uM33uM55wwwwwwwww123456789116121242121wiim112421256524686425652214218812

11、5242322212019181716151413121110987654321wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww19n例例wwwwwwwww123456789116121242121加權(quán)表加權(quán)表16/516/ )221 (iiw,100100AAA1 1個(gè)像素分解成個(gè)像素分解成33個(gè)子像素個(gè)子像素加權(quán)區(qū)域采樣：加權(quán)區(qū)域采樣：非加權(quán)區(qū)域采樣非加權(quán)區(qū)域采樣s = 3/920字符l字符指數(shù)字、字母、漢字等符號(hào)。字符指數(shù)字、字母、漢字等符號(hào)。l計(jì)算機(jī)中字符由一個(gè)數(shù)字編碼唯一標(biāo)識(shí)。計(jì)算機(jī)中字符由一個(gè)數(shù)字編碼唯一標(biāo)識(shí)。l國(guó)際上最流行的字符集：國(guó)際上最流行的字符集：“美國(guó)信息交換用標(biāo)準(zhǔn)代美

12、國(guó)信息交換用標(biāo)準(zhǔn)代碼集碼集”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ASCIIASCII碼。它是用碼。它是用7 7位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼表示碼表示128128個(gè)字符；個(gè)字符；包括字母、標(biāo)點(diǎn)、運(yùn)算符以及包括字母、標(biāo)點(diǎn)、運(yùn)算符以及一些特殊符號(hào)。一些特殊符號(hào)。21l漢字編碼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)字符集：漢字編碼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)字符集：“中華人民共和國(guó)國(guó)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換編碼家標(biāo)準(zhǔn)信息交換編碼”GB231280。該字符集共。該字符集共收集字符收集字符7445個(gè)，其中國(guó)標(biāo)一級(jí)漢字個(gè)，其中國(guó)標(biāo)一級(jí)漢字3755個(gè)，國(guó)標(biāo)個(gè)，國(guó)標(biāo)二級(jí)漢字二級(jí)漢字3008個(gè)，其余符號(hào)個(gè)，其余符號(hào)682個(gè)，每個(gè)字符由一個(gè)，每個(gè)字符由一個(gè)區(qū)碼和一個(gè)位碼共

13、同標(biāo)示。個(gè)區(qū)碼和一個(gè)位碼共同標(biāo)示。l為了能夠區(qū)分為了能夠區(qū)分ASCII碼與漢字編碼，采用字節(jié)的最碼與漢字編碼，采用字節(jié)的最高位來(lái)標(biāo)識(shí)：最高位為高位來(lái)標(biāo)識(shí)：最高位為0表示表示ASCII碼；最高位為碼；最高位為1表示表示漢字編碼。表示表示漢字編碼。22字庫(kù)l為了在顯示器等輸出設(shè)備上輸出字符，系統(tǒng)中必須為了在顯示器等輸出設(shè)備上輸出字符，系統(tǒng)中必須裝備有相應(yīng)的字庫(kù)裝備有相應(yīng)的字庫(kù)l字庫(kù)中存儲(chǔ)了每個(gè)字符的形狀信息字庫(kù)中存儲(chǔ)了每個(gè)字符的形狀信息l字庫(kù)分為矢量型和點(diǎn)陣型兩種，相應(yīng)存儲(chǔ)著矢量字字庫(kù)分為矢量型和點(diǎn)陣型兩種，相應(yīng)存儲(chǔ)著矢量字符和點(diǎn)陣字符符和點(diǎn)陣字符23點(diǎn)陣字符l字符利用掩膜來(lái)定義，并將其寫(xiě)入幀緩沖

14、器保存和字符利用掩膜來(lái)定義，并將其寫(xiě)入幀緩沖器保存和顯示。字符掩膜是包含表示該字符的像素圖案的一顯示。字符掩膜是包含表示該字符的像素圖案的一小塊光柵點(diǎn)陣。該點(diǎn)陣中的某位為小塊光柵點(diǎn)陣。該點(diǎn)陣中的某位為1表示字符的筆表示字符的筆畫(huà)經(jīng)過(guò)此位，對(duì)應(yīng)于此位的象素應(yīng)置為字符顏色。畫(huà)經(jīng)過(guò)此位，對(duì)應(yīng)于此位的象素應(yīng)置為字符顏色。某位為某位為0表示字符的筆畫(huà)不經(jīng)過(guò)此位，對(duì)應(yīng)于此位表示字符的筆畫(huà)不經(jīng)過(guò)此位，對(duì)應(yīng)于此位的像素應(yīng)置為背景顏色。的像素應(yīng)置為背景顏色。1111110001010101010101010111110001010101010101011111110000000000字符B的像素顯示字符B的掩膜

15、24l在實(shí)際應(yīng)用中，有多種字體（如宋體、楷體等），在實(shí)際應(yīng)用中，有多種字體（如宋體、楷體等），每種字體又有多種大小型號(hào)，因此字庫(kù)的存儲(chǔ)空間每種字體又有多種大小型號(hào)，因此字庫(kù)的存儲(chǔ)空間是很龐大的。解決這個(gè)問(wèn)題一般采用壓縮技術(shù)是很龐大的。解決這個(gè)問(wèn)題一般采用壓縮技術(shù)l點(diǎn)陣字符的顯示分為兩步點(diǎn)陣字符的顯示分為兩步n首先從字庫(kù)中將它的位圖檢索出來(lái)首先從字庫(kù)中將它的位圖檢索出來(lái)n然后將檢索到的位圖寫(xiě)到幀緩沖器中然后將檢索到的位圖寫(xiě)到幀緩沖器中l(wèi)當(dāng)字符寫(xiě)入幀緩沖器后，還可以對(duì)字符掩膜進(jìn)行修當(dāng)字符寫(xiě)入幀緩沖器后，還可以對(duì)字符掩膜進(jìn)行修改，以獲得不同字體或方向改，以獲得不同字體或方向25矢量字符矢量字符l記錄

16、字符的筆畫(huà)信息記錄字符的筆畫(huà)信息，而不是整個(gè)位圖，具有存儲(chǔ)，而不是整個(gè)位圖，具有存儲(chǔ)空間小，美觀、變換方便等優(yōu)點(diǎn)空間小，美觀、變換方便等優(yōu)點(diǎn)l對(duì)于字符的旋轉(zhuǎn)、縮放等變換對(duì)于字符的旋轉(zhuǎn)、縮放等變換n點(diǎn)陣字符的變換需要對(duì)表示字符位圖中的每一像素進(jìn)行點(diǎn)陣字符的變換需要對(duì)表示字符位圖中的每一像素進(jìn)行n矢量字符的變換只要對(duì)其筆畫(huà)端點(diǎn)進(jìn)行變換就可以矢量字符的變換只要對(duì)其筆畫(huà)端點(diǎn)進(jìn)行變換就可以字符B的像素顯示字符B的矢量輪廓26l矢量字符的顯示矢量字符的顯示n首先從字庫(kù)中將它的字符信息首先從字庫(kù)中將它的字符信息n然后取出端點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸缀巫儞Q，再根據(jù)然后取出端點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸缀巫儞Q，再根據(jù)各端點(diǎn)的標(biāo)志顯示出字符各端點(diǎn)的標(biāo)志顯示出字符l矢量字符不僅可用于顯示，也可用于繪圖機(jī)輸出矢量字符不僅可用于顯示，也可用于繪圖機(jī)輸出27字符屬性l單個(gè)字符屬性單個(gè)字符屬性n字高字高 宋體宋體 宋體宋體 宋體宋體 宋體宋體n字寬字寬n字傾斜角字傾斜角傾斜傾斜 傾斜傾斜n對(duì)齊對(duì)齊 ( (左對(duì)齊、中心對(duì)齊、右對(duì)齊左對(duì)齊、中心對(duì)齊、右對(duì)齊) )n字色字色 紅色、綠色、藍(lán)色n l文本屬性文本屬性n字體字體 宋體宋體 仿宋體仿宋體 楷體楷體 黑體黑體 隸書(shū)隸書(shū)n文本高度文本高度/ /寬度寬度n對(duì)齊方式對(duì)齊方式n 28字符