计算机图形与图像处理

罗俊松，唐 云

LUO Jun-song, TANG Yun

（成都理工大学 信息工程学院，成都 610059）

1 计算机图形学

计算机图形(ComputerGraphics)这个术语是1962年首次提出的。从此，交互式的图形系统在许多方面得到广泛应用。与这方面相关的计算机系统，图形输入、输出设备，计算机图形软件系统及生成，控制图形的算法得到了很大的发展。其主要应用领域有CAD/CAM，科学、技术及事务管理的交互式绘图，绘制勘择、测量图形，系统模拟及动画片制作，过程控制显示，办公自动化，艺术和商业等等。

1.1 常用的图形输入翰出设备

图形输入设备是将用户的图形数据、各种命令转换成电信号送给计算机，而图形输出设备则是将处理好的结果转换成可见的图形显示出来。

图形输入设备从逻辑功能上讲有六种：1）定位方式，其基本功能是输入一个点的坐标；2）笔划方式，输入一系列点的坐标；3）送值方式，输入一个整数或实数；4）选择方式，在一些元素中进行某种选择；5）拾取方式，用拾取状态来识别一个显示的形体、图组或图素；6）字符方式，输入一串字符。实现这些功能所需的具体的设备有键盘，坐标数字化仪，光笔，图形输入板，操纵手柄或跟踪球等。

常用的图形输出设备一般可分两大类：一类是与图形输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速地生成和删改图形的显示系统；另一类是在纸或其它介质上输出可以长久保存的图形的绘图系统。从成图原理分，一类是以随机扫描方式产生图形；另一类是以逐行扫描方式产生图形。

为显示图形，常见的图形显示器都是基于阴板射线管CRT的原理。当然，一些显示新技术，如等离子板、液晶显示器、激光扫描器也得到了日益增多的注意和应用。绘图系统目前平板式和滚筒式两种绘图仪使用比较普遍。

1.2 计算机图形系统的组成

计算机图形系统应至少具有计算、存储、对话、输入、输出五方面的基本功能。其中计算机功能应包括形体设计、分析的方法程序库和有关描述形体的图形数据库。图形数据库中应有坐标的几何变换、曲线和曲面的形成、图形的交点和接点的计算等等。存储功能要求能在计算机内、外存中存放图形数据及相互关系，而对话、输入及输出三个功能的作用顾名思义很清楚，不再赘述。图形系统的软件大致可分为三层：底层是与设备相关的驱动程序模块；中间层是一系列功能图形生成模块；上层是各种应用程序模块。

计算机图形核心的内容首先则是如何快速、方便生成直线和直线图形，如何生成二次曲线、字符和等值线，如何生成自由曲线和曲面，如何进行图形变换。这些需要通过一系列的算法及坐标系来解决。此外，要使一个图形系统具有实用价值，还需解决几何造形技术、数据结构问题和采取优化的软件形式。计算机图形学是CAD的基础。

2 计算机图像处理

计算机图像处理在狭义上可以看成是数字图像处理。数字图像，就是灰度值的二维数组。图像处理则是对此数组进行加工处理后输出为另外的图像或识别结果，其内容可分成图像质量改善、图像分析、图像重建三大方面。

2.1 常用的输入输出设备

图像输入实质上是把连续图像变换成离散图像，为此要进行空间采样得到像素，再把像素所包含的信息进行量化得到数字量。一般的图像输入系统由同步信号产生系统、扫描系统、光电变换系统、A/D转换系统等组成。典型的有飞点扫描器，析象管，电视摄像机，固体摄像器件，平台型扫描器，扫描鼓，传真等等。

图像输出可分为显示器(又称软拷贝)与硬拷贝。显示装置是人一机之间实时会话所必不可少的接口，CRT起主要作用。这儿的CRT与图形输出设备中所提CRT是一样的。近年，专门的带有帧存储器的图像显示器和矢量显示器也日趋完善。此外，液晶显示器(LCD)，等离子体显示器，场致发光显示器，发光二极管显示器等也在不同的场合得以应用。硬拷贝可提供永久性记录图像，它可分成非击打方式和击打方式两种。前者主要有光扫描、墨水喷射和热敏几种形式，后者为压力转印形式，既有单色的，也有彩色的硬拷贝。典型的物理设备有击打式打印机，光、热敏、喷墨、静电印刷机，磁记录印刷机和其它。

2.2 图像处理方法

图像处理最基本的方法之一是二值图像处理，这是因为以二值图像处理为中心构成的系统在图像处理应用中占最大成份。二值图像处理主要包含浓淡图像二值化;如何对二值图像中属于基本概念的连接性和距离加以定义;如何提取特征，探讨以增强为目的各种方法;如何进行结构分析描述以至识别理解等等。为了获得易于提取特征和识别的某种图像标准形式，有必要对原始图像进行预处理。预处理工作包含对比度的增强，除噪声，校正几何畸变。其实质是进行图像变换和改善图像质量。

图像特征提取的目的在于获得二维特征或多维特征。二维特征有边缘和区域，还有纹理特征。更多的特征还可来自于彩色信息和三维数据。此外，随时间变化的信息也可提供重要特征。为得到边缘特征可采用边缘检测或线检测方法。区域分割和纹理分析则提供区域与纹理特征。多维信息(如多光谱信息)，深度信息，运动图像分析可提供更多的目标特征。利用这些特征可对图像加以描述，进行识别和理解。这在计算机视觉、模式识别与人工智能中都是有力的处理手段。

2.3 图像处理系统

一个图像处理系统与一般计算机系统的区别在于它含有图像输入设备、图像处理及存储、图像输出设备。图像处理如果在通用计算机上进行，关键在于开发图像处理软件包，提高速度和存储容量。而为了提高速度，经常使用可进行矩阵与向量计算的阵列处理器。另外也可采用专用的图像处理装置，以便可以实施并行存取、并行处理。在算法上，尤其对一维，乃至多维的卷积，付立叶变换等重要算法实行优化，提高运算效率。

数字图像处理系统软件由系统管理、图像数据管理、输入输出设备控制，基本程序包(预处理、特征提取、分类判别等)、应用程序构成。

3 计算机图形学与图像处理

3.1 计算机图形学与图像处理的共同点与区别

这两门学科虽是在概念上、实用上都各自独立发展起来的不同学科，但又难于分清，有许多相互依赖之处。它们都同样处理图，即“图形和图像”，只不过表现形式不一样。两系统中的输入输出设备有其明显的共性，尤其是基于CRT的高分辨率显示器、数字化仪、光学印刷、绘图仪等在两个系统中都可用作输入输出设备。

计算机图形学与图像处理最大的区别表现在计算机软件的数据结构上。前者的数据表现形式随图形的复杂程度而变化，而后者的数据量很大，与被描述的内容几乎无关。用通俗的话来说，图形是由点、线、面等基本元素构成，因而其图形如果简单，所需数据结构也简单，数据量也就少。而图像处理是对一幅图像用一个二维数组表示，每一个像素都是该数组的一个元素，数据量大。

3.2 计算机图形与图像处理的交叉

因为处理图形和图像的一些共性和相互依赖性，所以跨这两学科的应用领域也在急剧增加。在图形领域中应用图像处理技术方面，目前最受人注意的是作为CAD的输入，即如何把手工交互式输入改用图纸识别技术以及如何直接用图像输入产生图形数据以实现图形输入自动化。此外在光栅图形处理中，正在采用二维数组的图像处理方法，计算机动画等就是一个典型例子。

反之，在图像处理应用图形技术方面，则主要表现在处理物体模型的表现形式方面如何应用图形技术来进行物体图像的重建。

3.2.1 CAD自动输入

CAD/CAM技术希望将手工输入线画一类工作加以自动化，即图纸的自动读取。这在学科上是图形学应用图像处理技术的一个例子。

由读取装置，如CCD传感型扫描器或扫描鼓，将图纸读入，然后进行预处理、图形元素分离、识别处理、线段处理和综合编辑处理。预处理的目的在于将输入的图像数据转换成易于后续处理的形式。它的功能有：1）校正为无变形的图像，主要是几何畸变与灰度畸变的校正；2）变换成易处理的图像，即进行二值化、噪声抑制、断口的校正、细线化和连接成分的检测。接下来对图纸的三种图形元素文字、符号和线进行分离。目前通用的分离方法还没有，而只能针对每个具体对象，采用某种有效的分离方法。比如符号分离时，就可以根据不同情况采用网格方式、样板方式、反转孤立图形方式或部分图解方式。识别处理则完成文字与符号的识别工作，这里可采用的成熟的方法在模式识别领域中是比较多的。线段处理可用矢量化或网格化方法进行。分离成符号、线段、文字后又进行了识别的图形信息、，最终还必须作为图纸信息加以多个目的的综合处理，并将综合处理所发现的矛盾与错误，反馈到相应的处理中再做。现在，还不可能做到没有错误读取或拒读，所以还需进行订正处理，这是编辑处理的第一个功能。编辑处理的第二个功能是把读取结果数据变换成与利用数字化仪的会话输入所形成的数据格式相同形式的数据，即向CAD格式转化。从此以后，CAD系统的一系列功能都可对这转换了的数据作用。

另一种自动输入方式是直接从一物体的二维图像、或者再辅之以深度信息(双目系统、激光测距等)入手。从图像信息中提取物体的边缘信息，曲面信息。在敏感器、物体几何定位系统的帮助下，将图像元素信息转变成带尺寸的线框数据，且以CAD格式出现。这个方法既可读入一不注尺寸的几何图纸(纯二维图)，也可读入一个实物，即进行实物测绘。

3.2.2 图像的重建

计算机图像重建时有两种方式，一是图像像素的重新再组合;二是由图像信息中提取主要图形信息，用计算机图形技术重现;再或者是这两者的结合。后二者都是在图像处理中应用图形技术的例子。具体来说，一幅图像，如屏慕上的一幅二维图。它实际_l井七表着客观世界的一个三维物体，但视觉效果往往不好。尽管可采用图像处理中的勾边等技术加以突出，但由于噪声影响，效果也还不理想，这时若把一些有关数据变成图形格式，用图形技术重现该图，则视觉效果就会大大增加。又如一幅纹理特征明显的遥感图，如用图像元素存储将会占很大容量，但在周域处理后，把周域变成图形数据，容量会很小，又不失信息。对于三维物体，重建显示时，可用向量的线框图显示，或者用带阴影的浓淡图像显示。而实际_L在计算机图形学领域中所开发的各种方法也能够利用于这重建。

4 结论

计算机图形与图像，相互独立又相互交叉。一方面，图像处理技术可有效地利用于几何图形的放大、缩小、旋转、移动等线性坐标变换，多张图形的重合，部分图形的切出嵌入，闭合曲线内填色。引用图像技术对CAD的输入自动化影响极大。反之，计算机图形学的技术在图像处理的三维信息显示方面发挥巨大作用。如果我们有效地综合应用这两学科的技术，将对我们的CAD/CAM、图像处理、计算机视觉、人工智能等研究提供极大的帮助。

[1] 孙家广,许隆文.计算机图形学[M].清华大学出版社,1987.

[2] 田村秀行,等著.赫荣威,等编译.计算机图像处理技术[M].北师大出版社,1988.

[3] 恩卡纳考J,施莱奇坦达尔EG.胡骤代,等译.计算机辅助设计[M].科学普及出版社,1988.