计算机图形学第6讲走样与反走样及字符处理

中南大学地球科学与信息物理学院GIS中心1第7讲走样与反走样和字符处理2走样现象走样（aliasing）用离散量（像素）表示连续的量（图形）而引起的失真，称为走样，或称为混淆光栅图形的走样现象阶梯（锯齿）状边界图形细节失真狭小图形遗失：动画序列中时隐时现，产生闪烁3（1）阶梯状的图形边界像素间距大线画图元填充图元边界实例4（2）图形细节失真显示图形的最小单位为像素细长的矩形显示后成了加宽的矩形更细的矩形将丢失5（3）狭小图形的遗失与动态图形的闪烁多边形分布在像素间，不覆盖像素中心，不被显示狭小图形运动时，会间隔覆盖像素的中心，产生闪烁6反走样方法反走样(antialiasing)在图形显示过程中，用于减少或消除走样（混淆）现象的方法方法提高分辨率方法非加权区域采样加权区域采样7（1）提高分辨率的反走样方法方法简单，但代价非常大显示器的水平、竖直分辩率各提高一倍，则显示器的点距减少一倍，帧缓存容量则增加到原来的4倍，而扫描转换同样大小的图元却要花4倍时间8（2）非加权区域采样方法扫描转换线段的两点假设像素是数学上抽象的点，它的面积为0，它的亮度由覆盖该点的图形的亮度所决定直线段是数学上抽象直线段，它的宽度为0现实像素的面积不为0；直线段的宽度至少为1个像素；假设与现实的矛盾是导致走样出现的原因之一9解决方法：改变直线段模型，线上像素灰度不等方法步骤1、将直线段看作具有一定宽度的狭长矩形；2、当直线段与某像素有交时，求出两者相交区域的面积；3、根据相交区域的面积，确定该像素的亮度值10方法性质直线段对一个像素亮度的贡献与两者相交区域的面积成正比当直线段和某个像素不相交时，它对该像素的亮度无影响相同面积的相交区域对像素的亮度贡献相同，而与这个相交区域落在像素内的位置无关关键：如何计算相交面积？11计算相交区域的面积(a)面积=D2/2k(b)面积=D–k/2像素实际显示的灰度值=所得面积*该像素的最大灰度值D/kDDk假设线段斜率为k像素实际大小DD(c)面积=1-(1-D)2/k12求相交区域的近似面积的离散计算方法将屏幕像素分割成n个更小的子像素；计算中心点落在直线段内的子像素的个数，记为m，m/n为线段与像素相交区域面积的近似值例目的：简化计算n=16,m=3近似面积=3/1613存在的不足像素的颜色或灰度值与相交（覆盖）区域的面积成正比，而与相交区域落在像素内的位置无关，仍会导致锯齿效应沿理想直线方向的相邻两个像素的颜色或灰度值会有较大差异14（3）加权区域采样方法权函数w(x,y)以像素A的中心为原点建立二维坐标系w(x,y)反应了微面积元dA对整个像素亮度的贡献大小，与dA到像素中心距离d成反比。高斯函数dyxw1),(222222exp212exp21),(yxdyxw15权性位于(x,y)处的微面积元dA对像素的亮度的贡献为w(x,y)dA相交区域对该像素的亮度贡献1),(AdAyxwwxydAA(,)A16实现步骤1．求直线段与像素的相交区域2．计算的值3．上面所得到的值介于0、1之间，用它乘像素的最大灰度值，即设该像素的显示灰度。问题：计算量大特例：时，的面积AdAyxwA),(加权区域采样方法退化为非加权区域采样方法AwxydAA(,)17离散计算方法1．将屏幕像素均匀分割成m个子像素，则每个子像素的面积为计算每个子像素对原像素亮度的贡献，记为将保存在一张加权表中2．求出所有中心落于直线段内的子像素，记为3．计算所有这些子像素对原像素亮度贡献之和。该值乘以像素的最大灰度值即为像素的显示灰度值Aiim1dAmAi1iAidAyxww),(wiim1的子集，，为miAi,21,:wii18w(x,y)是一个经验函数，对应的也是经验值w(x,y)可以用加权表M表示，取法有M＝3×3M＝5×5wiim1124212565246864256522142188125242322212019181716151413121110987654321例加权表16/516/)221(iiw},,{100100AAA1个像素分解成3×3个子像素加权区域采样：非加权区域采样：s=3/920字符字符指数字、字母、汉字等符号。计算机中字符由一个数字编码唯一标识。国际上最流行的字符集：“美国信息交换用标准代码集”，简称ASCII码。它是用7位二进制数进行编码表示128个字符；包括字母、标点、运算符以及一些特殊符号。21汉字编码的国家标准字符集：“中华人民共和国国家标准信息交换编码”GB2312－80。该字符集共收集字符7445个，其中国标一级汉字3755个，国标二级汉字3008个，其余符号682个，每个字符由一个区码和一个位码共同标示。为了能够区分ASCII码与汉字编码，采用字节的最高位来标识：最高位为0表示ASCII码；最高位为1表示表示汉字编码。22字库为了在显示器等输出设备上输出字符，系统中必须装备有相应的字库字库中存储了每个字符的形状信息字库分为矢量型和点阵型两种，相应存储着矢量字符和点阵字符23点阵字符字符利用掩膜来定义，并将其写入帧缓冲器保存和显示。字符掩膜是包含表示该字符的像素图案的一小块光栅点阵。该点阵中的某位为1表示字符的笔画经过此位，对应于此位的象素应置为字符颜色。某位为0表示字符的笔画不经过此位，对应于此位的像素应置为背景颜色。1111110001010101010101010111110001010101010101011111110000000000字符B的像素显示字符B的掩膜24在实际应用中，有多种字体（如宋体、楷体等），每种字体又有多种大小型号，因此字库的存储空间是很庞大的。解决这个问题一般采用压缩技术点阵字符的显示分为两步首先从字库中将它的位图检索出来然后将检索到的位图写到帧缓冲器中当字符写入帧缓冲器后，还可以对字符掩膜进行修改，以获得不同字体或方向25矢量字符记录字符的笔画信息，而不是整个位图，具有存储空间小，美观、变换方便等优点对于字符的旋转、缩放等变换点阵字符的变换需要对表示字符位图中的每一像素进行矢量字符的变换只要对其笔画端点进行变换就可以字符B的像素显示字符B的矢量轮廓26矢量字符的显示首先从字库中将它的字符信息然后取出端点坐标，对其进行适当的几何变换，再根据各端点的标志显示出字符矢量字符不仅可用于显示，也可用于绘图机输出27字符属性单个字符属性字高宋体宋体宋体宋体字宽字倾斜角倾斜倾斜对齐(左对齐、中心对齐、右对齐)字色红色、绿色、蓝色．．．．文本属性字体宋体仿宋体楷体黑体隶书文本高度/宽度对齐方式．．．．28字符裁剪基于字符串裁剪整个字符串完全落在窗口之内时显示，否则不显示字符串的矩形包围盒测试29基于字符裁剪一个字符完全落在窗口之内时显示，否则不显示字符的矩形包围盒测试30基于矢量/像素裁剪点阵字符：通过比较各个像素与裁剪窗口的相对位置来处理矢量字符：用直线裁剪算法处理