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光栅设备

在抽象地讨论光栅图像之前,看一下使用这些图像的一些具体设备的基本操作是很有意义的。一些熟悉的光栅设备可以被归入一个简单的层次结构。

  • 输出
    – 显示
    * 透射式:液晶显示器(LCD)。
    * 发光式:发光二极管(LED)显示
  • 打印
    * 二进制:喷墨打印机
    * 连续色调:染料升华打印机
  • 输入
    – 二维阵列传感器:数码相机
    – 一维阵列传感器:平板扫描仪

显示

目前的显示器,包括电视和数字电影放映机,以及计算机显示器和放映机,几乎都是基于固定的像素阵列。它们可以分为发射式显示器和透射式显示器,前者使用像素直接发射可控数量的光,后者像素本身不发射光,而是改变它们允许通过的光的数量。透射式显示器需要一个光源来照明:在直视式显示器中,它是阵列后面的背光;在投影仪中,它是一个发射光的灯,在通过阵列后投射到屏幕上。发射式显示器本身就是光源。

发光二极管(LED)显示器是发射型的一个例子。每个像素由一个或多个LED组成,它们是半导体器件(基于无机或有机半导体),其发光强度取决于通过它们的电流(见图3.1)。

彩色显示器中的像素被分为三个独立控制的子像素–一个是红色,一个是绿色,一个是蓝色,每个子像素都有自己的LED,使用不同的材料制成,因此它们发出不同颜色的光(图3.2)。当从远处看显示器时,眼睛无法将各个子像素分开,而感知到的颜色是红、绿、蓝的混合色。

液晶显示器(LCD)是透射型的一个例子。液晶是一种材料,其分子结构使它能够旋转通过它的光的偏振,旋转的程度可以通过施加电压来调整。一个LCD像素(图3.3)后面有一层偏振膜,所以它被偏振光照亮–我们假设它是水平偏振的。

图3.1. 发光二极管(LED)显示屏的运作。

图3.2. 平板显示器的一个像素内的红、绿、蓝子像素。

像素前面的第二层偏振膜的方向是只传输垂直偏振的光。如果施加的电压被设定为使中间的液晶层不改变偏振,那么所有的光线都被阻挡,像素处于 “关闭”(最小强度)状态。如果电压被设定为使液晶将偏振旋转90°,那么所有从像素背面进入的光将从正面逃逸,像素完全 “打开”–它具有最大强度。中间电压将部分旋转偏振,使前面的偏振片部分阻挡光线,导致强度在最小和最大之间(图3.4)。像彩色LED显示器一样,彩色LCD在每个像素中都有红、绿、蓝子像素,它们是三个独立的像素,上面有红、绿、蓝彩色滤光片。

任何具有固定像素网格的显示器,包括这些和其他技术,都有一个基本固定的分辨率,由网格的大小决定。对于显示器和图像来说,分辨率仅仅意味着像素网格的尺寸:如果一台台式显示器的分辨率为1920×1200像素,这意味着它有2304,000个像素排列在1920列和1200行中。

图3.3. 液晶显示器的一个像素在关闭状态(底部)和开启状态(顶部)下,前偏振片阻挡了所有通过后偏振片的光线,液晶单元旋转了光线的偏振,使其能够通过前偏振片。图由Reinhard, Khan,Akyüz, and Johnson (2008)提供。

图3.4. 液晶显示器(LCD)的运作。

显示器的分辨率有时被称为其 “原生分辨率”,因为大多数显示器可以通过内置转换处理其他分辨率的图像。

一个不同分辨率的图像,要填满屏幕,必须用第10章的方法转换成1920×1200的图像。

打印设备

在纸上永久记录图像的过程与在显示器上瞬时显示图像有非常不同的限制。在印刷中,颜料被分布在纸或其他媒介上,以便当光线从纸上反射时,形成所需的图像。打印机和显示器一样是光栅设备,但许多打印机只能打印二进制图像–颜料在每个网格位置要么沉积,要么不沉积,没有中间量的可能性。

喷墨打印机(图3.5)是通过扫描形成光栅图像的设备的一个例子。喷墨打印头含有携带颜料的液体墨水,可以在电子控制下以非常小的液滴喷出。打印头在纸上移动,当它经过应该接受墨水的网格位置时,就会喷出墨滴;在打算保持空白的区域则不会喷出墨水。每次扫过之后,纸张会稍稍前进,然后,下一排网格就被铺上了。彩色打印是通过使用几个打印头来完成的,每个打印头都喷洒不同的颜料,因此每个网格位置可以接收任何不同颜色的墨滴组合。因为所有的墨滴都是一样的,所以喷墨打印机打印的是二进制图像:在每个网格点上,有墨滴或没有墨滴;没有中间的色调。

喷墨打印机没有像素的物理阵列;分辨率是由水滴的大小和每次扫描后纸张的推进程度决定的。许多喷墨打印机的打印头有多个喷嘴,能够在一次扫描中进行多次扫描,但最终决定行间距的是纸张的推进,而不是喷嘴的间距。

热敏染料转移过程是连续色调印刷过程的一个例子,这意味着每个像素可以沉积不同数量的染料–它不像喷墨打印机那样是全有或全无的(图3.6)。含有彩色染料的供体色带被压在纸张或染料接收器与含有线性加热元件阵列的打印头之间,图像中每一列像素都有一个加热元件。当纸张和色带经过打印头时,加热元件打开或关闭,在需要染色的地方加热色带,使染料从色带扩散到纸张上。这个过程对几种染料颜色中的每一种都要重复进行。由于较高的温度会导致更多的染料被转移,因此可以控制每个网格位置上沉积的每种染料的数量,从而可以产生连续的颜色范围。打印头中的加热元件的数量在整个页面的方向上建立了一个固定的分辨率,但沿页面的分辨率是由与纸张速度相比的加热和冷却的速度决定的。

图3.5. 喷墨打印机的运作。

也有连续喷墨打印机,在缠绕在旋转鼓上的纸张上以连续的螺旋路径打印,而不是来回移动打印头。

图3.6. 热敏染料转印打印机的运作。

与显示器不同,打印机的分辨率是以像素密度而不是像素总数来描述的。因此,一台热敏染料转印打印机,其打印头的元素间距为每英寸300个,其整个页面的分辨率为每英寸300个像素(ppi)。如果沿页面的分辨率被选择为相同,我们可以简单地说,打印机的分辨率是300 ppi。一台在每英寸1200个网格点上放置点的喷墨打印机被描述为具有每英寸1200点(dpi)的分辨率。因为喷墨打印机是一个二进制设备,它需要一个更精细的网格,至少有两个原因。因为边缘是突兀的黑/白边界,所以需要非常高的分辨率,以避免出现阶梯状或混叠(见第9.3节)。当打印连续色调的图像时,需要高分辨率来模拟中间颜色,打印不同密度的点图案,称为半色调。

术语 “dpi “经常被用来指 “每英寸像素”,但dpi应该用于指二进制设备,ppi用于指连续色调设备。

输入设备

光栅图像必须来自某处,任何不是由某种算法计算出来的图像都必须是由某种光栅输入设备测量出来的,最常见的是照相机或扫描仪。甚至在渲染三维场景的图像时,照片也被不断地用作纹理图(见第11章)。光栅输入设备必须对每个像素进行光照测量,而且(和输出设备一样)它们通常是基于传感器阵列的。

数码相机是二维阵列输入设备的一个例子。相机中的图像传感器是一个具有感光像素网格的半导体设备。两种常见的阵列类型被称为CCD(电荷耦合器件)和CMOS(赠送的金属氧化物半导体)图像传感器。相机的镜头将要拍摄的场景的图像投射到传感器上,然后,每个像素测量落在它上面的光能,最终产生一个数字,进入输出图像(图3.7)。与彩色显示器使用红、绿、蓝子像素的方式基本相同,大多数彩色相机的工作原理是使用彩色过滤器阵列或马赛克,让每个像素只看到红、绿或蓝光,让图像处理软件在一个被称为去马赛克的过程中填补缺失的数值(图3.8)。

图3.7. 数码相机的运作。

图3.8. 大多数彩色数码相机使用类似于此处所示的拜尔马赛克的彩色滤镜阵列。每个像素都测量红、绿或蓝光。

其他相机使用三个独立的阵列,或在阵列中使用三个独立的层,在每个像素上测量独立的红、绿、蓝值,产生一个可用的彩色图像,而无需进一步处理。相机的分辨率是由阵列中的固定像素数决定的,通常用像素的总计数来引用:一个拥有3000列和2000行的阵列的相机产生的图像分辨率为3000×2000,有600万像素,被称为600万像素(MP)相机。重要的是要记住,马赛克传感器并不测量完整的彩色图像,因此,测量相同数量的像素但独立测量红、绿、蓝的相机比采用马赛克传感器的相机记录更多的图像信息。

卖相机的人把“兆”指的是106,而不是220兆。

平板扫描仪也测量每个像素网格的红、绿、蓝值,但与热敏染料转移打印机一样,它使用一个一维阵列,扫过被扫描的页面,每秒进行多次测量(图3.9)。整个页面的分辨率由阵列的大小决定,而沿页面的分辨率由测量的频率与扫描头移动的速度决定。一个彩色扫描仪有一个3×nx的阵列,其中nx是整个页面的像素数,三行由红、绿、蓝滤光片覆盖。在测量三种颜色的时间之间有适当的延迟,这样就可以在每个网格点进行三个独立的颜色测量。与连续色调打印机一样,扫描仪的分辨率以每英寸像素(ppi)为单位报告。

扫描仪的分辨率有时被称为其 “光学分辨率”,因为大多数扫描仪可以通过内置转换产生其他分辨率的图像。

有了这些关于我们的图像来自哪里和它们将去哪里的具体信息,我们现在将更抽象地讨论图像,以我们将在图形算法中使用它们的方式。

图3.9. 平板式扫描仪的运作。

“一个像素不是一个小方块!”–阿尔维-雷-史密斯(1995年)。

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