計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)與視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)

王杰

（榆林學(xué)院陜西榆林719000）

隨著我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)和視覺傳達(dá)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)中。目前，我國電子游戲、影視行業(yè)、美術(shù)行業(yè)、廣告行業(yè)及藝術(shù)設(shè)計(jì)行業(yè)都使用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理。從傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到目前三維技術(shù)立體，從而為人呈現(xiàn)了圖像圖像的不同方式及種類[1]。所以，在社會(huì)媒介化及媒介大眾化的背景下，人們對(duì)于媒介形式藝術(shù)審美需求已經(jīng)不再是滿足于傳統(tǒng)簡單呈現(xiàn)，而是要重視視覺傳達(dá)整體的感官效果。利用平面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且通過虛實(shí)相間的設(shè)計(jì)理念，能夠使計(jì)算機(jī)圖形圖像總體的審美效果及視覺沖擊力得到有效的提高[2]?；诖耍闹袑?duì)計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)及視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并且實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)和視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)

對(duì)于現(xiàn)代視覺傳播時(shí)代的人們來說，數(shù)碼藝術(shù)已經(jīng)在人們?nèi)粘Ｉ钪兴鶟B透，其屬于較為流行的藝術(shù)創(chuàng)作方式，大部分年輕人都喜歡嘗試，使用此種方式能夠?qū)崿F(xiàn)自身想象力的釋放，并且將自身的心情進(jìn)行有效表達(dá)。計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)和視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)釋放的不僅是設(shè)計(jì)師的雙手，也使其大腦思維具備彈性，使他們束縛的想象力實(shí)現(xiàn)了解放，不再只是局限于技巧框架，能夠創(chuàng)造出無意識(shí)、超自然的特殊作品，此方面也是計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)與視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢[3]。圖1為計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)的圖像收集結(jié)構(gòu)。

圖1 計(jì)算機(jī)圖形圖像設(shè)計(jì)的圖像收集結(jié)構(gòu)

視覺傳達(dá)指的是利用視覺實(shí)現(xiàn)信息傳播的設(shè)計(jì)，每種物品利用其色彩、形狀、光澤度及大小等視覺符號(hào)等傳達(dá)內(nèi)容，之后通過個(gè)體朝著團(tuán)體進(jìn)行傳播，團(tuán)體還能夠朝著團(tuán)體傳播，從而滿足其傳播設(shè)計(jì)目的。其能夠利用電視、報(bào)紙、雜志等一系列的媒體構(gòu)成，將自身的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行表達(dá)，和大眾進(jìn)行分享[4]。我們一般將視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)作為人類思維表達(dá)的方式，其主要是結(jié)合圖像與問題，兩者能夠相互補(bǔ)充。那么在使用視覺傳達(dá)對(duì)各種符號(hào)設(shè)計(jì)的過程中，要充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢及符號(hào)的優(yōu)勢，利用整體化轉(zhuǎn)達(dá)，有效推出其的多層面[5]。

作為現(xiàn)代的主要發(fā)展潮流，其不僅是時(shí)代化進(jìn)步，也是現(xiàn)代化進(jìn)步，還是行業(yè)自身發(fā)展需求，所以要對(duì)電腦和設(shè)計(jì)的聯(lián)系進(jìn)行有效認(rèn)知，使計(jì)算機(jī)能夠成為設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工具，從而使用現(xiàn)代化的條件將自身的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行傳達(dá)，和大眾進(jìn)行分享。信息全球化社會(huì)與計(jì)算機(jī)圖像圖像的設(shè)計(jì)、新聞、廣告等方面都具有密切的聯(lián)系，要求使用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)。利用相關(guān)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像清晰、細(xì)致的調(diào)節(jié)，從而為觀賞者提供良好的視覺享受[6]。

2 計(jì)算機(jī)圖形視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作主要包括可視化編程界面、系統(tǒng)插件師結(jié)構(gòu)及多種形式模塊系統(tǒng)3個(gè)層，圖2為計(jì)算機(jī)圖形視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖2 計(jì)算機(jī)圖形視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

其中的可視化編程界面使用基于節(jié)點(diǎn)可視化的編程方式，從而使其能夠有效實(shí)現(xiàn)工作可視化，避免用戶能夠和代碼直接交互[7]。

圖3為可視化的編程界面，其中的圖形用戶界面是利用C++開源庫實(shí)現(xiàn)開發(fā)，用戶界面左邊屬于結(jié)點(diǎn)列表，右邊屬于用戶創(chuàng)作工作區(qū)，工作區(qū)中的圓角矩形物體指的是結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)的繪制使用QT代理窗口技術(shù)，兩端源點(diǎn)表示端口，輸入端口使用藍(lán)色進(jìn)行表示，輸出端口使用紅色進(jìn)行表示，場景中一共包括3個(gè)結(jié)點(diǎn)，分別為只有輸出端口數(shù)據(jù)提供者，只有輸入端口數(shù)據(jù)消費(fèi)者與有輸入也有輸出的數(shù)據(jù)處理者[8]。

圖3 可視化的編程界面

其中插件式結(jié)構(gòu)的主要目的就是能夠從框架中將擴(kuò)展功能進(jìn)行剝離，從而使主系統(tǒng)框架復(fù)雜度有所降低，便于框架的實(shí)現(xiàn)?？蚣芄δ芎涂蚣軐儆谳^松方式耦合，兩者的接口不變，能夠獨(dú)立的發(fā)布與變化。

通用型計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)要求具有較高的開放性便于用戶實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)系統(tǒng)的開發(fā)，所以本文所研究的系統(tǒng)也使用插件架構(gòu)體系。圖4為系統(tǒng)的插件式架構(gòu)體系，系統(tǒng)主程序?qū)儆陂_放應(yīng)用框架，此應(yīng)用框架具有插件標(biāo)準(zhǔn)接口。用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)開放程序包進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)自身輸出、輸入及處理模塊的有效開發(fā)，之后此功能模塊通過插件方式到工具箱中集成，用戶只要將開發(fā)插件文件到系統(tǒng)資源目錄中存儲(chǔ)，在運(yùn)行主框架的過程中，插件就能夠到系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)加載，以此表示本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展性及開放性[9]。

圖4 系統(tǒng)的插件式架構(gòu)體系

另外，本文所研究系統(tǒng)還具有強(qiáng)大功能模塊工具箱，此工具箱能夠?qū)崿F(xiàn)算法函數(shù)的封裝，比如圖片導(dǎo)入、視頻模塊、顯示圖像等。圖5為數(shù)據(jù)的交互結(jié)構(gòu)。

圖5 數(shù)據(jù)的交互結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 圖像收集

利用圖像收集卡及LabVIEW 7.1實(shí)現(xiàn)圖像收集模塊的設(shè)計(jì)，圖6為系統(tǒng)圖像收集模塊的結(jié)構(gòu)，圖像收集板主要為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過程，之后通過量化數(shù)據(jù)，利用PCI總線到計(jì)算機(jī)內(nèi)存RAM中傳入，通過NIMAQ的控制函數(shù)圖像收集卡實(shí)現(xiàn)圖像收集，將圖像進(jìn)行存儲(chǔ)[10]。

圖6 系統(tǒng)圖像收集模塊的結(jié)構(gòu)

2.2.2 圖像分割模塊

使用閾值處理無法得到理想圖像設(shè)計(jì)的結(jié)果，所以要使用形態(tài)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)圖像分割。圖像分割處理指的是將數(shù)字圖像劃分成為不相交區(qū)域的過程，為了能夠保證原本圖像在分割之前不會(huì)受到損害，就要設(shè)計(jì)圖像邊緣檢測模塊，從而得到完整邊界[11]。圖7為圖像分割模塊的模型結(jié)構(gòu)。

2.2.3 A/D轉(zhuǎn)化模塊

使用CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像收集，圖8為A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能結(jié)構(gòu)。

攝像機(jī)輸出標(biāo)準(zhǔn)為PAL，所以要求實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)的過程中，使用的是SAA256芯片，其具有四路視頻的輸入，并且在芯片內(nèi)部繼承了梳狀濾波及抗混濾波，簡單方便[12]。圖8為A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能，通過圖8可以看出來，其具有4個(gè)模擬視頻信號(hào)模塊，在通過模擬之后，一路利用緩沖器從模擬輸出端實(shí)現(xiàn)測試的輸出，另外路徑在通過A/D轉(zhuǎn)換以后會(huì)產(chǎn)生亮度及色度信號(hào)，分別實(shí)現(xiàn)色度信號(hào)及亮度信號(hào)的處理。亮度信號(hào)的處理結(jié)果到色度信號(hào)處理器中輸送，實(shí)現(xiàn)綜合處理，從而產(chǎn)生YUV信號(hào)，通過變換矩陣產(chǎn)生RGB信號(hào)，設(shè)置控制寄存器，通過VPO實(shí)現(xiàn)相應(yīng)格式數(shù)據(jù)的輸出。令一路進(jìn)入到同步分離電路中，通過數(shù)字PLL產(chǎn)生場、行同步信號(hào)VS和HS，并且PLL驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器能夠產(chǎn)生HS鎖定時(shí)鐘信號(hào)[13]。

2.2.4 采樣模塊的設(shè)計(jì)

圖9為采樣模塊的邏輯控制圖，其工作過程為：加載FPGA程序，先使用FPGA總線模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換模塊的初始化，之后等待采樣圖像指令。在初始化之后，轉(zhuǎn)換模塊對(duì)模擬視頻信號(hào)精心處理，實(shí)現(xiàn)亮度及色度信號(hào)的輸出，并且實(shí)現(xiàn)輸出點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)的輸出。之后啟動(dòng)收集同步模塊。采集同步模塊發(fā)送采集標(biāo)志信號(hào)，收集幀信號(hào)，利用寫數(shù)據(jù)產(chǎn)生地址及信號(hào)，將數(shù)據(jù)到幀中進(jìn)行存儲(chǔ)。在結(jié)束收集之后，采集標(biāo)志信號(hào)撤銷，同步模塊復(fù)位，等待下次收集命令[14]。

圖7 圖像分割模塊的模型結(jié)構(gòu)

圖8 A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能結(jié)構(gòu)

圖9 采樣模塊的邏輯控制圖

為了保證圖像處理、圖像收集相互同步，就要在FPGA中將其兩者進(jìn)行握手。使接收?qǐng)D像處理單元請(qǐng)求幀存儲(chǔ)控制權(quán)及釋放幀存取控制權(quán)信號(hào)，并且以FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代運(yùn)行狀態(tài)響應(yīng)。握手邏輯屬于圖像收集和處理的接口，其主要包括多個(gè)D觸發(fā)器和邏輯門。圖10為握手邏輯的結(jié)構(gòu)電路，通過圖10可以看出來，在正脈沖啟動(dòng)采樣的時(shí)候，D1就會(huì)將此信號(hào)進(jìn)行保存，在下一次同步脈沖來臨的時(shí)候，D2輸出高電平，從而使延遲計(jì)數(shù)器進(jìn)行技術(shù)，并且D1開始復(fù)位，保證不會(huì)收集第二場。在延時(shí)計(jì)數(shù)器到設(shè)置的值進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā)TR1信號(hào)，這個(gè)時(shí)候的正脈沖就為1，那么D3置位，輸出采樣能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)低有效，從而使后面電路都在采樣狀態(tài)中，在場同步脈沖下降順著D3翻轉(zhuǎn)，整個(gè)采樣控制電路都在不采樣的狀態(tài)中。在SENB無效的時(shí)候，就會(huì)實(shí)現(xiàn)D4的觸發(fā)，從而Q就會(huì)變成有效，對(duì)CPU發(fā)送中斷申請(qǐng)，這個(gè)時(shí)候的CPU就會(huì)將中斷信號(hào)進(jìn)行清除[15]。

圖10 握手邏輯的結(jié)構(gòu)電路

2.3 圖像邊緣檢測

圖像邊緣檢測屬于圖像處理過程中尤為重要的部分，邊緣屬于圖像基本特征，其指的是周圍像素灰度具有階段變化及屋頂變化像素的集合。邊緣在邊界檢測、模式識(shí)別、圖像分割等方面具有重要的作用，其屬于邊緣檢測基礎(chǔ)，也屬于外形檢測基礎(chǔ)。邊緣在物體及背景、物體及物體、基元及基元之間使用，所以其也是圖像處理過程中的主要特征。

圖像邊緣檢測的方式為：

其一，梯度最大值的檢測。因?yàn)檫吘壴趫D像灰度值變化大方面發(fā)生，對(duì)于連續(xù)的情況也屬于函數(shù)梯度較大的地位，所以可以使用求導(dǎo)算子實(shí)現(xiàn)檢測。通過目前像素領(lǐng)域中像素值實(shí)現(xiàn)曲面擬合，之后求得連續(xù)曲面在目前像素的梯度。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方面進(jìn)行分析，可以利用回歸分析得到另外曲面，并且對(duì)其進(jìn)行類似處理。

其二，對(duì)二階導(dǎo)數(shù)零交叉點(diǎn)進(jìn)行檢測。主要是因?yàn)檫吘壧荻茸畲笾颠M(jìn)行求解，灰度圖像拐點(diǎn)為邊緣。

其三，統(tǒng)計(jì)型方法。使用假設(shè)檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)邊緣的檢測，得到邊緣檢測方案。

其四，小波多尺度邊緣檢測[16]。

3 結(jié)束語

通過本文研究表示，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步屬于國家進(jìn)步的主要理想，在現(xiàn)代多元化發(fā)展的時(shí)代中，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)與傳達(dá)設(shè)計(jì)相互結(jié)合已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到個(gè)行業(yè)中。本文實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)圖形視覺的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的創(chuàng)新，使計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行有效豐富，并且有效結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形圖像及視覺傳達(dá)技術(shù)，提供圖像處理的精準(zhǔn)性。