《计算机图形学基础》之图像的光栅化

输出设备

输出设备主要分两种，一种是 显示屏 类的，一种是 打印机 类的。
显示屏也也分为两种：

• 发光二极管（LED）

• 液晶显示屏（LCD）
  二者基本都有三部分组成：背光，中间件（二极管或者液晶），屏幕。

  
  LED 结构示意图
  LCD 结构示意图
  

  至于中间件是通过电流强弱（LED）还是通过偏振大小（LCD）来控制光强的，这并不重要，您只需要知道中间件可以在背光传到屏幕的过程中，改变它的强度即可。
  对于二者来说，每一个像素都有三个子像素，分别控制 红、绿、蓝 三种颜色，因为像素足够的小，所以在远处看的时候你看不出来他们实际上是这样的：

  
  每一个像素内有三个子像素
  或者这样的：
  周冬雨像素排列
  你会以为每个像素都是一个单一的彩色小方块。比如一块屏幕是 1920*1200，那就意味着它的原生分辨率就是水平方向有 1920 个像素，竖直方向是 1200 个像素，一共 2,304,000。注意，每个像素只能发一种颜色的光，所以后面要光栅化的时候，就会出现可能多个图元要挤在一个像素内，或者一个图元要占据好几个像素的情况，处理不好会出现锯齿，图形学要解决的重要问题之一。

打印机不重要，当科普看看~ 分为两种：

• 喷墨式打印机

• 热敏打印机
  打印机与显示器不同的是，他需要永久存储在纸上，而显示器只是瞬时的。显示器可控的调节颜色范围，是 0 到 1 的状态，但喷墨式打印机对于一个单元来说，只有喷墨或者不喷墨的选择，也就是只有 0 和 1。热敏打印机通过温度的调节也可以实现 0 到 1 的状态，但需要用热敏打印纸，一般用在收银小票，快递单上。

  
  热敏打印纸

打印机的分辨率不好确定，因为跟纸的移动速度有关，对热敏打印机这类能打印连续颜色的设备来说，一般的标准是打印头上每英寸多少像素（pixels per inch / ppi）。对于喷墨式这种不能连续的设备来说，一般的标准是每英寸多少个点（dots per inch / dpi）。

输入设备

所有的不是通过电脑计算出来的图像，都需要先用光栅化输入设备获取，一般是 数码相机 和 扫描仪。
如果一个相机的分辨率是 3000*2000，那么一般称他为 600 万像素（6 MP）。可以独立测量红绿蓝的相机要比只有一个马赛克传感器的好（mosaic sensor）。对于扫描仪而已，指标一般跟连续性打印机一样，每英寸多少像素（ppi）。

图像、像素和几何

一个像素是一个采样点，对于数码相机来说，一个像素就是这个格子周围的光的平均，对于输出设备来说也是，这个像素只是代表这一小块方格的平均，比如说，一个屏幕只有一个像素，用它来显示一张图片，只能是纯色，纯色不能代表这张图片，只能代表一个平均值。
确定像素矩阵的坐标是很重要的，约定使用下面的方式：

但是注意这不是共识，有的 API 的 Y 轴正方向是朝下的，有的原点在左上角（这是因为历史原因），有的会将整体移动半个格子。
每个像素内会存储一个灰度值（黑白照片）或者 3 个 RGB 值（彩色照片），需要精度很高的时候，每个值会使用 32 位的浮点数来存储，那么对于一个千万像素的彩色图片来说，需要的存储空间就是 （10000000*3*4/(2^20)）MB = 114.44MB。这种使用浮点数存储的具有一个广阔的颜色范围，我们称之为 高动态范围（high dynamic range / HDR）;相对的是 固定范围 和 低动态范围（low dynamic range / LDR），比如使用 8 bit 存储的，那么它的范围只有 0-255。介绍一下常用设备的存储格式：（固定范围就是指有固定的数量的，0-255 这种，相对来说，浮点数就不能说有几个值）

• 1bit，纯黑白，不需要中间灰度的图像；
• 8-bit RGB 固定范围图像（每一个像素是 24bits），网页和电子邮件等；
• 8 到 10 bit RGB 固定范围图像（每一个像素是 24 到 30bits），计算机显示器的数字接口；
• 12 到 14 bit RGB 固定范围图像（36-42bits / 像素），专业数码相机的原始图片（Raw 格式）；
• 16-bit RGB 固定范围图像（46bits / 像素），专业相机，印刷格式，图像处理中间格式；
• 16-bit 固定范围灰度图（16bits / 像素），放射和医学影像图；
• 16-bit 浮点 RGB，称为半精度 HDR 图像（32位浮点数的一半），实时渲染的中间格式；

• 32-bit 浮点 RGB，用于软件渲染和处理 HDR 图像的通用中间格式。
  由高位数的图像转换成低位数的时候可能会出现问题，比如摩尔纹之类的。

  
  摩尔纹

显示器强度和伽马值

我们把显示器关闭当成 0，把显示器打开当成 1，中间 0.5 是灰色。需要明确一点，显示器对于输入的数值和显示出的强度并不是线性对应的，比如说，分别输入 0,0.5,1，那么显示器输出的强度有可能是 0,0.25,1。对于这种非线性，显示器通常会有一个伽马值来表述。公示为：

输出强度 = 最大强度*(输入值^伽马值)

比如说，输入值为 0.5，伽马值为 2，那么输出强度为最大强度的 1/4。输入强度为 0 的时候就是 0，1 的时候就是最大强度。可以通过一些方法来确定某块屏幕的伽马值，我们假设已经知道了。这样就可以对输入进行 伽马校正,也就是使得输入值为 0.5 时，输出强度也恰好是黑与白的一半。也就是把输入和输出变成一个近似线性的对应关系。
另一个需要注意的是，屏幕的显示颜色范围都是固定大小的，一般是 0-255，也就是 8-bit 的存储器。

RGB 颜色

RGB 是加色模式，全部混合是白色，可以理解为是光；青品黄是减色模式，全部混合是黑色，可以理解为是颜料；我们不需要关心青品黄。一般都是 24-bit 的颜色系统，也就是 8bit * 3，每个分量有 255 个等级。

红绿蓝，青品黄

透明混合

对于不透明的物体，前景会直接覆盖后景；对于半透明的物体，一般会将前景和后景进行混合，一般描述一个颜色都是 RGBA，这里的 A 是指 α，指的就是与后景的混合程度。公式为：

新的颜色 = α*前景色 + (1-α)*后景色

可以看出 0 的时候全部都是后景色，1 的时候全部都是前景色。

（注意并不只有这一种混合模式，你看 ps 里面图层的叠加方式，正常/正片叠底/线性减淡之类的）

图像存储

大部分图像都是使用 8-bit 来存储每个通道，这样的话一个 100 万像素的图片大概就是 3M 左右。为了降低存储空间，有时会将图片进行压缩，有的压缩是有损压缩，不可逆的，有的是无损压缩。常见的图像存储格式有：

• .jpeg，是有损压缩格式，根据人类视觉系统中的阈值压缩图像。这种格式适用于自然图像。
• .tiff，最常用于保存二进制图像或无损压缩的 8-bit 或 16-bit RGB。
• .ppm，非常简单的无损、未压缩格式，通常用于 8-bit RGB 图像。
• .png，这是一套有着优秀的开源管理工具的无损压缩格式。