計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理

羅俊松，唐 云

LUO Jun-song, TANG Yun

（成都理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，成都 610059）

1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形(ComputerGraphics)這個(gè)術(shù)語是1962年首次提出的。從此，交互式的圖形系統(tǒng)在許多方面得到廣泛應(yīng)用。與這方面相關(guān)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，圖形輸入、輸出設(shè)備，計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)及生成，控制圖形的算法得到了很大的發(fā)展。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有CAD/CAM，科學(xué)、技術(shù)及事務(wù)管理的交互式繪圖，繪制勘擇、測(cè)量圖形，系統(tǒng)模擬及動(dòng)畫片制作，過程控制顯示，辦公自動(dòng)化，藝術(shù)和商業(yè)等等。

1.1 常用的圖形輸入翰出設(shè)備

圖形輸入設(shè)備是將用戶的圖形數(shù)據(jù)、各種命令轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給計(jì)算機(jī)，而圖形輸出設(shè)備則是將處理好的結(jié)果轉(zhuǎn)換成可見的圖形顯示出來。

圖形輸入設(shè)備從邏輯功能上講有六種：1）定位方式，其基本功能是輸入一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；2）筆劃方式，輸入一系列點(diǎn)的坐標(biāo)；3）送值方式，輸入一個(gè)整數(shù)或?qū)崝?shù)；4）選擇方式，在一些元素中進(jìn)行某種選擇；5）拾取方式，用拾取狀態(tài)來識(shí)別一個(gè)顯示的形體、圖組或圖素；6）字符方式，輸入一串字符。實(shí)現(xiàn)這些功能所需的具體的設(shè)備有鍵盤，坐標(biāo)數(shù)字化儀，光筆，圖形輸入板，操縱手柄或跟蹤球等。

常用的圖形輸出設(shè)備一般可分兩大類：一類是與圖形輸入設(shè)備相結(jié)合，構(gòu)成具有交互功能的可以快速地生成和刪改圖形的顯示系統(tǒng)；另一類是在紙或其它介質(zhì)上輸出可以長(zhǎng)久保存的圖形的繪圖系統(tǒng)。從成圖原理分，一類是以隨機(jī)掃描方式產(chǎn)生圖形；另一類是以逐行掃描方式產(chǎn)生圖形。

為顯示圖形，常見的圖形顯示器都是基于陰板射線管CRT的原理。當(dāng)然，一些顯示新技術(shù)，如等離子板、液晶顯示器、激光掃描器也得到了日益增多的注意和應(yīng)用。繪圖系統(tǒng)目前平板式和滾筒式兩種繪圖儀使用比較普遍。

1.2 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)應(yīng)至少具有計(jì)算、存儲(chǔ)、對(duì)話、輸入、輸出五方面的基本功能。其中計(jì)算機(jī)功能應(yīng)包括形體設(shè)計(jì)、分析的方法程序庫和有關(guān)描述形體的圖形數(shù)據(jù)庫。圖形數(shù)據(jù)庫中應(yīng)有坐標(biāo)的幾何變換、曲線和曲面的形成、圖形的交點(diǎn)和接點(diǎn)的計(jì)算等等。存儲(chǔ)功能要求能在計(jì)算機(jī)內(nèi)、外存中存放圖形數(shù)據(jù)及相互關(guān)系，而對(duì)話、輸入及輸出三個(gè)功能的作用顧名思義很清楚，不再贅述。圖形系統(tǒng)的軟件大致可分為三層：底層是與設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序模塊；中間層是一系列功能圖形生成模塊；上層是各種應(yīng)用程序模塊。

計(jì)算機(jī)圖形核心的內(nèi)容首先則是如何快速、方便生成直線和直線圖形，如何生成二次曲線、字符和等值線，如何生成自由曲線和曲面，如何進(jìn)行圖形變換。這些需要通過一系列的算法及坐標(biāo)系來解決。此外，要使一個(gè)圖形系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值，還需解決幾何造形技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題和采取優(yōu)化的軟件形式。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是CAD的基礎(chǔ)。

2 計(jì)算機(jī)圖像處理

計(jì)算機(jī)圖像處理在狹義上可以看成是數(shù)字圖像處理。數(shù)字圖像，就是灰度值的二維數(shù)組。圖像處理則是對(duì)此數(shù)組進(jìn)行加工處理后輸出為另外的圖像或識(shí)別結(jié)果，其內(nèi)容可分成圖像質(zhì)量改善、圖像分析、圖像重建三大方面。

2.1 常用的輸入輸出設(shè)備

圖像輸入實(shí)質(zhì)上是把連續(xù)圖像變換成離散圖像，為此要進(jìn)行空間采樣得到像素，再把像素所包含的信息進(jìn)行量化得到數(shù)字量。一般的圖像輸入系統(tǒng)由同步信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、光電變換系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等組成。典型的有飛點(diǎn)掃描器，析象管，電視攝像機(jī)，固體攝像器件，平臺(tái)型掃描器，掃描鼓，傳真等等。

圖像輸出可分為顯示器(又稱軟拷貝)與硬拷貝。顯示裝置是人一機(jī)之間實(shí)時(shí)會(huì)話所必不可少的接口，CRT起主要作用。這兒的CRT與圖形輸出設(shè)備中所提CRT是一樣的。近年，專門的帶有幀存儲(chǔ)器的圖像顯示器和矢量顯示器也日趨完善。此外，液晶顯示器(LCD)，等離子體顯示器，場(chǎng)致發(fā)光顯示器，發(fā)光二極管顯示器等也在不同的場(chǎng)合得以應(yīng)用。硬拷貝可提供永久性記錄圖像，它可分成非擊打方式和擊打方式兩種。前者主要有光掃描、墨水噴射和熱敏幾種形式，后者為壓力轉(zhuǎn)印形式，既有單色的，也有彩色的硬拷貝。典型的物理設(shè)備有擊打式打印機(jī)，光、熱敏、噴墨、靜電印刷機(jī)，磁記錄印刷機(jī)和其它。

2.2 圖像處理方法

圖像處理最基本的方法之一是二值圖像處理，這是因?yàn)橐远祱D像處理為中心構(gòu)成的系統(tǒng)在圖像處理應(yīng)用中占最大成份。二值圖像處理主要包含濃淡圖像二值化;如何對(duì)二值圖像中屬于基本概念的連接性和距離加以定義;如何提取特征，探討以增強(qiáng)為目的各種方法;如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析描述以至識(shí)別理解等等。為了獲得易于提取特征和識(shí)別的某種圖像標(biāo)準(zhǔn)形式，有必要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理工作包含對(duì)比度的增強(qiáng)，除噪聲，校正幾何畸變。其實(shí)質(zhì)是進(jìn)行圖像變換和改善圖像質(zhì)量。

圖像特征提取的目的在于獲得二維特征或多維特征。二維特征有邊緣和區(qū)域，還有紋理特征。更多的特征還可來自于彩色信息和三維數(shù)據(jù)。此外，隨時(shí)間變化的信息也可提供重要特征。為得到邊緣特征可采用邊緣檢測(cè)或線檢測(cè)方法。區(qū)域分割和紋理分析則提供區(qū)域與紋理特征。多維信息(如多光譜信息)，深度信息，運(yùn)動(dòng)圖像分析可提供更多的目標(biāo)特征。利用這些特征可對(duì)圖像加以描述，進(jìn)行識(shí)別和理解。這在計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別與人工智能中都是有力的處理手段。

2.3 圖像處理系統(tǒng)

一個(gè)圖像處理系統(tǒng)與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別在于它含有圖像輸入設(shè)備、圖像處理及存儲(chǔ)、圖像輸出設(shè)備。圖像處理如果在通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，關(guān)鍵在于開發(fā)圖像處理軟件包，提高速度和存儲(chǔ)容量。而為了提高速度，經(jīng)常使用可進(jìn)行矩陣與向量計(jì)算的陣列處理器。另外也可采用專用的圖像處理裝置，以便可以實(shí)施并行存取、并行處理。在算法上，尤其對(duì)一維，乃至多維的卷積，付立葉變換等重要算法實(shí)行優(yōu)化，提高運(yùn)算效率。

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)管理、圖像數(shù)據(jù)管理、輸入輸出設(shè)備控制，基本程序包(預(yù)處理、特征提取、分類判別等)、應(yīng)用程序構(gòu)成。

3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理

3.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理的共同點(diǎn)與區(qū)別

這兩門學(xué)科雖是在概念上、實(shí)用上都各自獨(dú)立發(fā)展起來的不同學(xué)科，但又難于分清，有許多相互依賴之處。它們都同樣處理圖，即“圖形和圖像”，只不過表現(xiàn)形式不一樣。兩系統(tǒng)中的輸入輸出設(shè)備有其明顯的共性，尤其是基于CRT的高分辨率顯示器、數(shù)字化儀、光學(xué)印刷、繪圖儀等在兩個(gè)系統(tǒng)中都可用作輸入輸出設(shè)備。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理最大的區(qū)別表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上。前者的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式隨圖形的復(fù)雜程度而變化，而后者的數(shù)據(jù)量很大，與被描述的內(nèi)容幾乎無關(guān)。用通俗的話來說，圖形是由點(diǎn)、線、面等基本元素構(gòu)成，因而其圖形如果簡(jiǎn)單，所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量也就少。而圖像處理是對(duì)一幅圖像用一個(gè)二維數(shù)組表示，每一個(gè)像素都是該數(shù)組的一個(gè)元素，數(shù)據(jù)量大。

3.2 計(jì)算機(jī)圖形與圖像處理的交叉

因?yàn)樘幚韴D形和圖像的一些共性和相互依賴性，所以跨這兩學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域也在急劇增加。在圖形領(lǐng)域中應(yīng)用圖像處理技術(shù)方面，目前最受人注意的是作為CAD的輸入，即如何把手工交互式輸入改用圖紙識(shí)別技術(shù)以及如何直接用圖像輸入產(chǎn)生圖形數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)圖形輸入自動(dòng)化。此外在光柵圖形處理中，正在采用二維數(shù)組的圖像處理方法，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等就是一個(gè)典型例子。

反之，在圖像處理應(yīng)用圖形技術(shù)方面，則主要表現(xiàn)在處理物體模型的表現(xiàn)形式方面如何應(yīng)用圖形技術(shù)來進(jìn)行物體圖像的重建。

3.2.1 CAD自動(dòng)輸入

CAD/CAM技術(shù)希望將手工輸入線畫一類工作加以自動(dòng)化，即圖紙的自動(dòng)讀取。這在學(xué)科上是圖形學(xué)應(yīng)用圖像處理技術(shù)的一個(gè)例子。

由讀取裝置，如CCD傳感型掃描器或掃描鼓，將圖紙讀入，然后進(jìn)行預(yù)處理、圖形元素分離、識(shí)別處理、線段處理和綜合編輯處理。預(yù)處理的目的在于將輸入的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成易于后續(xù)處理的形式。它的功能有：1）校正為無變形的圖像，主要是幾何畸變與灰度畸變的校正；2）變換成易處理的圖像，即進(jìn)行二值化、噪聲抑制、斷口的校正、細(xì)線化和連接成分的檢測(cè)。接下來對(duì)圖紙的三種圖形元素文字、符號(hào)和線進(jìn)行分離。目前通用的分離方法還沒有，而只能針對(duì)每個(gè)具體對(duì)象，采用某種有效的分離方法。比如符號(hào)分離時(shí)，就可以根據(jù)不同情況采用網(wǎng)格方式、樣板方式、反轉(zhuǎn)孤立圖形方式或部分圖解方式。識(shí)別處理則完成文字與符號(hào)的識(shí)別工作，這里可采用的成熟的方法在模式識(shí)別領(lǐng)域中是比較多的。線段處理可用矢量化或網(wǎng)格化方法進(jìn)行。分離成符號(hào)、線段、文字后又進(jìn)行了識(shí)別的圖形信息、，最終還必須作為圖紙信息加以多個(gè)目的的綜合處理，并將綜合處理所發(fā)現(xiàn)的矛盾與錯(cuò)誤，反饋到相應(yīng)的處理中再做?，F(xiàn)在，還不可能做到?jīng)]有錯(cuò)誤讀取或拒讀，所以還需進(jìn)行訂正處理，這是編輯處理的第一個(gè)功能。編輯處理的第二個(gè)功能是把讀取結(jié)果數(shù)據(jù)變換成與利用數(shù)字化儀的會(huì)話輸入所形成的數(shù)據(jù)格式相同形式的數(shù)據(jù)，即向CAD格式轉(zhuǎn)化。從此以后，CAD系統(tǒng)的一系列功能都可對(duì)這轉(zhuǎn)換了的數(shù)據(jù)作用。

另一種自動(dòng)輸入方式是直接從一物體的二維圖像、或者再輔之以深度信息(雙目系統(tǒng)、激光測(cè)距等)入手。從圖像信息中提取物體的邊緣信息，曲面信息。在敏感器、物體幾何定位系統(tǒng)的幫助下，將圖像元素信息轉(zhuǎn)變成帶尺寸的線框數(shù)據(jù)，且以CAD格式出現(xiàn)。這個(gè)方法既可讀入一不注尺寸的幾何圖紙(純二維圖)，也可讀入一個(gè)實(shí)物，即進(jìn)行實(shí)物測(cè)繪。

3.2.2 圖像的重建

計(jì)算機(jī)圖像重建時(shí)有兩種方式，一是圖像像素的重新再組合;二是由圖像信息中提取主要圖形信息，用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)重現(xiàn);再或者是這兩者的結(jié)合。后二者都是在圖像處理中應(yīng)用圖形技術(shù)的例子。具體來說，一幅圖像，如屏慕上的一幅二維圖。它實(shí)際_l井七表著客觀世界的一個(gè)三維物體，但視覺效果往往不好。盡管可采用圖像處理中的勾邊等技術(shù)加以突出，但由于噪聲影響，效果也還不理想，這時(shí)若把一些有關(guān)數(shù)據(jù)變成圖形格式，用圖形技術(shù)重現(xiàn)該圖，則視覺效果就會(huì)大大增加。又如一幅紋理特征明顯的遙感圖，如用圖像元素存儲(chǔ)將會(huì)占很大容量，但在周域處理后，把周域變成圖形數(shù)據(jù)，容量會(huì)很小，又不失信息。對(duì)于三維物體，重建顯示時(shí)，可用向量的線框圖顯示，或者用帶陰影的濃淡圖像顯示。而實(shí)際_L在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中所開發(fā)的各種方法也能夠利用于這重建。

4 結(jié)論

計(jì)算機(jī)圖形與圖像，相互獨(dú)立又相互交叉。一方面，圖像處理技術(shù)可有效地利用于幾何圖形的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等線性坐標(biāo)變換，多張圖形的重合，部分圖形的切出嵌入，閉合曲線內(nèi)填色。引用圖像技術(shù)對(duì)CAD的輸入自動(dòng)化影響極大。反之，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的技術(shù)在圖像處理的三維信息顯示方面發(fā)揮巨大作用。如果我們有效地綜合應(yīng)用這兩學(xué)科的技術(shù)，將對(duì)我們的CAD/CAM、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能等研究提供極大的幫助。

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