多媒體技術(shù)-數(shù)字圖像基礎(chǔ)

第三章數(shù)字圖像基礎(chǔ)(2)2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所2內(nèi)容合成圖像的創(chuàng)建與表示數(shù)字圖像的展現(xiàn)合成圖像的創(chuàng)建與表示2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所4什么是計(jì)算機(jī)合成圖像？使用算法或幾何要素(如點(diǎn)、線、面、體的位置、形狀和大小)及表面材料的性質(zhì)，在計(jì)算機(jī)中對(duì)景物和形體（無(wú)論是真實(shí)的還是假想的）進(jìn)行描述（造型modeling）。需要顯示時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)觀察者的位置及光線的設(shè)定，生成該景物的圖象（繪制rendering）。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所5形體與景物的建模方法線框模型實(shí)體模型表面模型幾何造型技術(shù)過(guò)程模型技術(shù)分形幾何形狀語(yǔ)法微粒系統(tǒng)基于物理的建模2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所6線框模型

(WireframeModel)AB線框模型用頂點(diǎn)和棱邊來(lái)表示物體，由于沒有面的信息，它不能表示表面含有曲面的物體；線框模型不能處理許多重要問(wèn)題，如不能生成剖切圖、消隱圖、明暗色彩圖等2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所7表面模型(SurfaceModel)用面的集合來(lái)表示物體，用環(huán)來(lái)定義面的邊界。能夠滿足面面求交、線面消隱、明暗色彩圖、數(shù)控加工等需要。但無(wú)法計(jì)算和分析物體的整體性質(zhì)，如物體的表面積、體積、重心等。自由曲面造型2023/2/482023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所9例：小提琴

小提琴整體曲線柔和優(yōu)美．琴身微鼓,兩個(gè)f型的發(fā)音孔和諧分布于琴弦兩側(cè)．琴頭卷曲成螺旋狀，緊拉住琴弦，富于動(dòng)感．琴身的輪廓采用NURBS曲線，賦予其動(dòng)感．鼓起的音腔和琴頭則采用Bezier曲線．

2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所10實(shí)體模型實(shí)體模型能完整表示物體的所有形狀信息，可以無(wú)歧義地確定一個(gè)點(diǎn)是在物體外部、內(nèi)部或表面上，這種模型能夠進(jìn)一步滿足物性計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用的要求。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所11例：兩個(gè)實(shí)體的并和減并運(yùn)算的結(jié)果減運(yùn)算的結(jié)果2個(gè)相交的實(shí)體各種基本實(shí)體2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所12實(shí)體模型的表示構(gòu)造表示掃描表示構(gòu)造實(shí)體幾何表示特征表示邊界表示任意曲面的建模2023/2/4132023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所14網(wǎng)格模型一般的，我們將網(wǎng)格M定義為一個(gè)二元組，即M＝（K，V），其中：V={v1,…,vm},viR3，表示網(wǎng)格M的頂點(diǎn)在三維空間中的位置；K為表征網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單純復(fù)形。一個(gè)單純復(fù)形包含一組單形，其中{1}，

{m}稱為頂點(diǎn)，{i,j}等稱為邊，{i,j,k}稱為面。網(wǎng)格模型文件格式網(wǎng)格重建隱式曲面K－neighbour法矢計(jì)算Marching

cubesDelaunay三角剖分2023/2/415網(wǎng)格多分辨網(wǎng)格簡(jiǎn)化2023/2/416vivjv刪除邊拆分點(diǎn)細(xì)分曲面subdivision

surface2023/2/4172023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所18自然景物的建模日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云（Siggraph’2000）

挪威云杉2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所19分形（Fractal）分形物體特征整體與局部特征之間的自相似性(樹)每點(diǎn)處有無(wú)限細(xì)節(jié)放大時(shí)逐步可見

海岸線長(zhǎng)度問(wèn)題

分形實(shí)例2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所202023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所21計(jì)算機(jī)合成圖像的意義計(jì)算機(jī)不但能生成實(shí)際存在的具體對(duì)象的圖形，還能生成假想或抽象對(duì)象的圖形；計(jì)算機(jī)不僅能生成靜止圖形,而且還能生成各種運(yùn)動(dòng)的變化的動(dòng)態(tài)圖形;“動(dòng)態(tài)性”(dynamics),分為兩種:motiondynamics(如flightsimulation)updatedynamics(如物體形狀,顏色,結(jié)構(gòu)的變化)在生成圖形的過(guò)程中，人們可以與計(jì)算機(jī)交互，參與圖形的生成。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所22Image與Graphics的關(guān)系數(shù)字圖像的展現(xiàn)2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所241.什么是數(shù)字圖像的展現(xiàn)?把取樣圖像或合成圖像從計(jì)算機(jī)的內(nèi)部表示轉(zhuǎn)換成為在圖像輸出設(shè)備上可見的視圖（view），這個(gè)過(guò)程稱為展現(xiàn)（presentation）。數(shù)字圖像內(nèi)部表示圖像輸出設(shè)備視圖reconstructionimagerenderinggraphics2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所252.數(shù)字圖像輸出設(shè)備光柵掃描顯示器(rasterscandisplay)CRT顯示器液晶顯示器laserprinter/ink-jetprinter單色彩色dot-matrixprinterploter2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所26CRT

顯示器原理2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所27液晶顯示器(LCD)2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所28液晶顯示器原理2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所29液晶顯示器原理被動(dòng)矩陣式LCDTN-LCD(TwistedNematic-LCD，扭曲向列LCD)、STN-LCD(SuperTN-LCD，超扭曲向列LCD)DSTN-LCD(DoublelayerSTN-LCD，雙層超扭曲向列LCD)。主動(dòng)矩陣式LCDTFT-LCD(ThinFilmTransistor-LCD，薄膜晶體管LCD)2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所30等離子（PDP）顯示器原理2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所31顯示控制卡也稱圖形卡、視頻卡、圖形加速卡或視頻適配卡等，作用：存儲(chǔ)正在屏幕上顯示的圖像數(shù)據(jù)；將RGB三基色的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，協(xié)助CPU完成圖像的生成和修改(更新)2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所32顯示卡,監(jiān)視器,CPU與RAM監(jiān)視器顯示存儲(chǔ)器(VRAM)繪圖與顯示控制電路顯示卡CPU芯片組RAMPCI總線AGP端口視頻輸出接口存儲(chǔ)正在顯示的圖像，與系統(tǒng)內(nèi)存統(tǒng)一編址，接受系統(tǒng)CPU的訪問(wèn)負(fù)責(zé)對(duì)CRT或液晶顯示器進(jìn)行控制，與CPU一起完成圖像生成與更新。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所33顯示卡的性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：VGA,XGA,SVGA(800x600,1024x768,…)Colordepth:8bits,12bits,16bits,24bits,32bitsRefreshrate:75Hz,100Hz,150Hz,200Hz,…接口：PCI(133MBps),AGP(532MBps~1064MBps)，PCIEWindowsGUI圖形加速功能3D圖形加速（3D造型，Z緩沖，shading,紋理映射）支持多種3DAPI（OpenGL,Direct-3D,QuickDraw3DRave）2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所34圖像硬拷貝設(shè)備激光打印機(jī)黑白彩色噴墨打印機(jī)繪圖儀靜電式筆式2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所35激光打印機(jī)工作原理2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所36噴墨打印機(jī)優(yōu)點(diǎn)：輸出彩色圖像，打印效果好，低噪音，使用低電壓,不產(chǎn)生臭氧，有利于保護(hù)辦公室環(huán)境，經(jīng)濟(jì)。按打印頭的工作方式可以分為：壓電噴墨技術(shù)熱噴墨技術(shù)兩大類型按照噴墨材料的性質(zhì)可以分為：水質(zhì)料、固態(tài)油墨和液態(tài)油墨等類型。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所37噴墨打印機(jī)工作原理2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所38打印機(jī)性能參數(shù)①打印精度（打印機(jī)的分辨率）,用dpi（每英寸可打印的點(diǎn)數(shù)）來(lái)表示。②打印速度，用每分鐘打印多少頁(yè)紙（PPM）來(lái)衡量。③色彩數(shù)目，指彩色激光打印機(jī)或噴墨打印機(jī)可打印的不同彩色的總數(shù)。④其它：例如打印成本，打印時(shí)的噪音，打印幅面大小，可打印字體的數(shù)目及種類，功耗及節(jié)能功能，可打印的拷貝數(shù)目，與主機(jī)的接口類型等。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所393取樣圖像的展現(xiàn)展現(xiàn)一幅取樣圖像時(shí)只要把該圖像映射（mapping）到幀存儲(chǔ)器中相應(yīng)位置上即可。映射的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)從系統(tǒng)主存儲(chǔ)器把圖像數(shù)據(jù)成塊（組）地向幀存儲(chǔ)器傳輸?shù)牟僮?顯示存儲(chǔ)器mappingandtransfer數(shù)字圖像2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所40展現(xiàn)取樣圖像要解決的問(wèn)題1.顏色簡(jiǎn)化（colorreduction）

計(jì)算機(jī)內(nèi)部的取樣圖像的顏色或灰度信息很豐富，而用戶所使用的顯示器只能顯示有限的顏色或灰度，甚至只是黑白兩色的顯示器，那么在展現(xiàn)該圖像之前，必須進(jìn)行顏色簡(jiǎn)化（colorreduction）的處理。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所41ColorReduction(1)Fromcolorimagetograyscaleimageusingfollowingequation:Gray=0.3R+0.59G+0.11B2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所42ColorReduction(2)Fromrichcolorimagetocolorimagewithfewercolors真彩圖轉(zhuǎn)256色圖

流行色算法。算法的基本思路是：對(duì)彩色圖像中所有色彩出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而選取頻率最高的N（256）種顏色，為這N（256）種顏色建立調(diào)色板。算法特點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，變換效果好，但一些出現(xiàn)頻率較低，但對(duì)人眼視覺效果明顯的信息將丟失。

中位切分算法。算法的基本思路是：在RGB彩色空間中，R、G、B三基色對(duì)應(yīng)于空間的三個(gè)坐標(biāo)軸，將每一坐標(biāo)軸都量化為0～255,形成一個(gè)邊長(zhǎng)為256的彩色立方體，所有可能的顏色都對(duì)應(yīng)于立方體內(nèi)的點(diǎn)。將該立方體切分為256個(gè)小立方體，每個(gè)立方體中都包含相同數(shù)量的在圖像中出現(xiàn)的顏色點(diǎn)。取每個(gè)小立方體的中心點(diǎn)，則這些中心點(diǎn)構(gòu)成256個(gè)顏色。算法特點(diǎn)：廣泛應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，但算法復(fù)雜，資源開銷大。

八叉樹顏色量化算法。算法基本思路是：將圖像中使用的RGB顏色值分布到層狀的八叉樹中。八叉樹的深度可達(dá)9層，即根節(jié)點(diǎn)層加上分別表示8位的R、G、B值的每一位的8層節(jié)點(diǎn)。較低的節(jié)點(diǎn)層對(duì)應(yīng)于較不重要的RGB值的位（右邊的位），因此，為了提高效率和節(jié)省內(nèi)存，可以去掉最低部的2~3層，這樣不會(huì)對(duì)結(jié)果有太大的影響。葉節(jié)點(diǎn)編碼存儲(chǔ)像素的個(gè)數(shù)和R、G、B顏色分量的值；而中間的節(jié)點(diǎn)組成了從最頂層到葉節(jié)點(diǎn)的路徑。這是一種高效的存儲(chǔ)方式，既可以存儲(chǔ)圖像中出現(xiàn)的顏色和其出現(xiàn)的次數(shù)，也不會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)圖像中不出現(xiàn)的顏色。算法特點(diǎn)：效率高，效果好。

2023/2/443南京大學(xué)多媒體研究所2023/2/444南京大學(xué)多媒體研究所2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所45展現(xiàn)取樣圖像要解決的問(wèn)題2.分辨率轉(zhuǎn)換（resolutionconversion）也叫做圖像的縮放(zoomin/zoomout)或圖像的比例變換(imagescalingorresizing)，這是因?yàn)樵瓐D像的尺寸（分辨率）與用戶所要求的顯示尺寸不一致而引起的。分辨率變換是一種映射處理，當(dāng)原圖像尺寸大于顯示尺寸時(shí)，它是多、一映射，需要進(jìn)行亞取樣（subsampling）操作；當(dāng)原圖像尺寸小于顯示尺寸時(shí)，它是一、多映射，需要進(jìn)行插值（interpolation）操作。2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所46分辨率轉(zhuǎn)換Scaling(Resizing)1.5x0.5x原始圖像顯示圖像顯示圖像2x2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所47展現(xiàn)取樣圖像要解決的問(wèn)題33.彩色空間轉(zhuǎn)換（colorspaceconversion）計(jì)算機(jī)內(nèi)的取樣圖像的彩色空間可能與圖像輸出設(shè)備所使用的彩色空間不一致，這就需要在展現(xiàn)或輸出該圖像前進(jìn)行彩色空間的轉(zhuǎn)換。例如:RGB圖像CMYK圖像(彩色噴墨打印機(jī))RGB-CMYKYUV圖像RGB圖像(CRT彩色顯示器)YUV-RGB2023/2/4南京大學(xué)多媒體研究所484.合成圖像(graphics)