多媒体技术-数字图像基础

第三章数字图像基础(2)2023/2/4南京大学多媒体研究所2内容合成图像的创建与表示数字图像的展现合成图像的创建与表示2023/2/4南京大学多媒体研究所4什么是计算机合成图像？使用算法或几何要素(如点、线、面、体的位置、形状和大小)及表面材料的性质，在计算机中对景物和形体（无论是真实的还是假想的）进行描述（造型modeling）。需要显示时，计算机根据观察者的位置及光线的设定，生成该景物的图象（绘制rendering）。2023/2/4南京大学多媒体研究所5形体与景物的建模方法线框模型实体模型表面模型几何造型技术过程模型技术分形几何形状语法微粒系统基于物理的建模2023/2/4南京大学多媒体研究所6线框模型

(WireframeModel)AB线框模型用顶点和棱边来表示物体，由于没有面的信息，它不能表示表面含有曲面的物体；线框模型不能处理许多重要问题，如不能生成剖切图、消隐图、明暗色彩图等2023/2/4南京大学多媒体研究所7表面模型(SurfaceModel)用面的集合来表示物体，用环来定义面的边界。能够满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等需要。但无法计算和分析物体的整体性质，如物体的表面积、体积、重心等。自由曲面造型2023/2/482023/2/4南京大学多媒体研究所9例：小提琴

小提琴整体曲线柔和优美．琴身微鼓,两个f型的发音孔和谐分布于琴弦两侧．琴头卷曲成螺旋状，紧拉住琴弦，富于动感．琴身的轮廓采用NURBS曲线，赋予其动感．鼓起的音腔和琴头则采用Bezier曲线．

2023/2/4南京大学多媒体研究所10实体模型实体模型能完整表示物体的所有形状信息，可以无歧义地确定一个点是在物体外部、内部或表面上，这种模型能够进一步满足物性计算、有限元分析等应用的要求。2023/2/4南京大学多媒体研究所11例：两个实体的并和减并运算的结果减运算的结果2个相交的实体各种基本实体2023/2/4南京大学多媒体研究所12实体模型的表示构造表示扫描表示构造实体几何表示特征表示边界表示任意曲面的建模2023/2/4132023/2/4南京大学多媒体研究所14网格模型一般的，我们将网格M定义为一个二元组，即M＝（K，V），其中：V={v1,…,vm},viR3，表示网格M的顶点在三维空间中的位置；K为表征网格拓扑结构的单纯复形。一个单纯复形包含一组单形，其中{1}，

{m}称为顶点，{i,j}等称为边，{i,j,k}称为面。网格模型文件格式网格重建隐式曲面K－neighbour法矢计算Marching

cubesDelaunay三角剖分2023/2/415网格多分辨网格简化2023/2/416vivjv删除边拆分点细分曲面subdivision

surface2023/2/4172023/2/4南京大学多媒体研究所18自然景物的建模日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云（Siggraph’2000）

挪威云杉2023/2/4南京大学多媒体研究所19分形（Fractal）分形物体特征整体与局部特征之间的自相似性(树)每点处有无限细节放大时逐步可见

海岸线长度问题

分形实例2023/2/4南京大学多媒体研究所202023/2/4南京大学多媒体研究所21计算机合成图像的意义计算机不但能生成实际存在的具体对象的图形，还能生成假想或抽象对象的图形；计算机不仅能生成静止图形,而且还能生成各种运动的变化的动态图形;“动态性”(dynamics),分为两种:motiondynamics(如flightsimulation)updatedynamics(如物体形状,颜色,结构的变化)在生成图形的过程中，人们可以与计算机交互，参与图形的生成。2023/2/4南京大学多媒体研究所22Image与Graphics的关系数字图像的展现2023/2/4南京大学多媒体研究所241.什么是数字图像的展现?把取样图像或合成图像从计算机的内部表示转换成为在图像输出设备上可见的视图（view），这个过程称为展现（presentation）。数字图像内部表示图像输出设备视图reconstructionimagerenderinggraphics2023/2/4南京大学多媒体研究所252.数字图像输出设备光栅扫描显示器(rasterscandisplay)CRT显示器液晶显示器laserprinter/ink-jetprinter单色彩色dot-matrixprinterploter2023/2/4南京大学多媒体研究所26CRT

显示器原理2023/2/4南京大学多媒体研究所27液晶显示器(LCD)2023/2/4南京大学多媒体研究所28液晶显示器原理2023/2/4南京大学多媒体研究所29液晶显示器原理被动矩阵式LCDTN-LCD(TwistedNematic-LCD，扭曲向列LCD)、STN-LCD(SuperTN-LCD，超扭曲向列LCD)DSTN-LCD(DoublelayerSTN-LCD，双层超扭曲向列LCD)。主动矩阵式LCDTFT-LCD(ThinFilmTransistor-LCD，薄膜晶体管LCD)2023/2/4南京大学多媒体研究所30等离子（PDP）显示器原理2023/2/4南京大学多媒体研究所31显示控制卡也称图形卡、视频卡、图形加速卡或视频适配卡等，作用：存储正在屏幕上显示的图像数据；将RGB三基色的数字信号转换为模拟信号，协助CPU完成图像的生成和修改(更新)2023/2/4南京大学多媒体研究所32显示卡,监视器,CPU与RAM监视器显示存储器(VRAM)绘图与显示控制电路显示卡CPU芯片组RAMPCI总线AGP端口视频输出接口存储正在显示的图像，与系统内存统一编址，接受系统CPU的访问负责对CRT或液晶显示器进行控制，与CPU一起完成图像生成与更新。2023/2/4南京大学多媒体研究所33显示卡的性能参数标准：VGA,XGA,SVGA(800x600,1024x768,…)Colordepth:8bits,12bits,16bits,24bits,32bitsRefreshrate:75Hz,100Hz,150Hz,200Hz,…接口：PCI(133MBps),AGP(532MBps~1064MBps)，PCIEWindowsGUI图形加速功能3D图形加速（3D造型，Z缓冲，shading,纹理映射）支持多种3DAPI（OpenGL,Direct-3D,QuickDraw3DRave）2023/2/4南京大学多媒体研究所34图像硬拷贝设备激光打印机黑白彩色喷墨打印机绘图仪静电式笔式2023/2/4南京大学多媒体研究所35激光打印机工作原理2023/2/4南京大学多媒体研究所36喷墨打印机优点：输出彩色图像，打印效果好，低噪音，使用低电压,不产生臭氧，有利于保护办公室环境，经济。按打印头的工作方式可以分为：压电喷墨技术热喷墨技术两大类型按照喷墨材料的性质可以分为：水质料、固态油墨和液态油墨等类型。2023/2/4南京大学多媒体研究所37喷墨打印机工作原理2023/2/4南京大学多媒体研究所38打印机性能参数①打印精度（打印机的分辨率）,用dpi（每英寸可打印的点数）来表示。②打印速度，用每分钟打印多少页纸（PPM）来衡量。③色彩数目，指彩色激光打印机或喷墨打印机可打印的不同彩色的总数。④其它：例如打印成本，打印时的噪音，打印幅面大小，可打印字体的数目及种类，功耗及节能功能，可打印的拷贝数目，与主机的接口类型等。2023/2/4南京大学多媒体研究所393取样图像的展现展现一幅取样图像时只要把该图像映射（mapping）到帧存储器中相应位置上即可。映射的过程实际上是一个从系统主存储器把图像数据成块（组）地向帧存储器传输的操作.显示存储器mappingandtransfer数字图像2023/2/4南京大学多媒体研究所40展现取样图像要解决的问题1.颜色简化（colorreduction）

计算机内部的取样图像的颜色或灰度信息很丰富，而用户所使用的显示器只能显示有限的颜色或灰度，甚至只是黑白两色的显示器，那么在展现该图像之前，必须进行颜色简化（colorreduction）的处理。2023/2/4南京大学多媒体研究所41ColorReduction(1)Fromcolorimagetograyscaleimageusingfollowingequation:Gray=0.3R+0.59G+0.11B2023/2/4南京大学多媒体研究所42ColorReduction(2)Fromrichcolorimagetocolorimagewithfewercolors真彩图转256色图

流行色算法。算法的基本思路是：对彩色图像中所有色彩出现的次数进行统计分析，从而选取频率最高的N（256）种颜色，为这N（256）种颜色建立调色板。算法特点：算法简单容易实现，变换效果好，但一些出现频率较低，但对人眼视觉效果明显的信息将丢失。

中位切分算法。算法的基本思路是：在RGB彩色空间中，R、G、B三基色对应于空间的三个坐标轴，将每一坐标轴都量化为0～255,形成一个边长为256的彩色立方体，所有可能的颜色都对应于立方体内的点。将该立方体切分为256个小立方体，每个立方体中都包含相同数量的在图像中出现的颜色点。取每个小立方体的中心点，则这些中心点构成256个颜色。算法特点：广泛应用于图像处理领域，但算法复杂，资源开销大。

八叉树颜色量化算法。算法基本思路是：将图像中使用的RGB颜色值分布到层状的八叉树中。八叉树的深度可达9层，即根节点层加上分别表示8位的R、G、B值的每一位的8层节点。较低的节点层对应于较不重要的RGB值的位（右边的位），因此，为了提高效率和节省内存，可以去掉最低部的2~3层，这样不会对结果有太大的影响。叶节点编码存储像素的个数和R、G、B颜色分量的值；而中间的节点组成了从最顶层到叶节点的路径。这是一种高效的存储方式，既可以存储图像中出现的颜色和其出现的次数，也不会浪费内存来存储图像中不出现的颜色。算法特点：效率高，效果好。

2023/2/443南京大学多媒体研究所2023/2/444南京大学多媒体研究所2023/2/4南京大学多媒体研究所45展现取样图像要解决的问题2.分辨率转换（resolutionconversion）也叫做图像的缩放(zoomin/zoomout)或图像的比例变换(imagescalingorresizing)，这是因为原图像的尺寸（分辨率）与用户所要求的显示尺寸不一致而引起的。分辨率变换是一种映射处理，当原图像尺寸大于显示尺寸时，它是多、一映射，需要进行亚取样（subsampling）操作；当原图像尺寸小于显示尺寸时，它是一、多映射，需要进行插值（interpolation）操作。2023/2/4南京大学多媒体研究所46分辨率转换Scaling(Resizing)1.5x0.5x原始图像显示图像显示图像2x2023/2/4南京大学多媒体研究所47展现取样图像要解决的问题33.彩色空间转换（colorspaceconversion）计算机内的取样图像的彩色空间可能与图像输出设备所使用的彩色空间不一致，这就需要在展现或输出该图像前进行彩色空间的转换。例如:RGB图像CMYK图像(彩色喷墨打印机)RGB-CMYKYUV图像RGB图像(CRT彩色显示器)YUV-RGB2023/2/4南京大学多媒体研究所484.合成图像(graphics)