【图形学基础】光栅图

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【图形学基础】光栅图前言1. 初识光栅图2. 光栅设备2.1. 展示型光栅设备2.2. 硬拷贝型光栅设备2.3. 输入型光栅设备3. 图片，像素，几何3.1. 像素值3.2. 显示器光强与伽马4. RGB颜色

前言

本文内容为笔者阅读图形学虎书《Fundamentals of Computer Graphics》by Steve Marschner & Peter Shirley整理出的内容和笔记，一来为自己的学习留个脚印，敦促自己学习和复习，二来也为其他同样感兴趣的朋友提供一个简单的参考。

此文对应原书的第[3]章：Raster Image

图形学一直是笔者觉得十分难入门的一个领域，之前跟着大学课程学习的时候，自己总结的零零散散，老师也教的不是特别系统，导致了当前还是一头雾水，也是借此机会，通过坚持发博客，来敦促自己向着渲染，游戏引擎等领域更进一步。

1. 初识光栅图

光栅图(Raster Image)：光栅图本质上是一个由矩形的二维数组构成的图形展示方式，数组内的每一个元素代表了一个像素(pixel, 是picture element的缩写)，例如我们长看到的老式显示器，便是由一个个的“小灯泡”构成的二位数组

2. 光栅设备

光栅设备的类型：

输出型：展示类型传输型：液晶显示(LCD, Liquid Crystal Display)放射型：发光二极管显示(LED, Light-emitting Diode)硬拷贝类型二元类型：喷墨打印机(Ink-jet Printer)连续色调型：热升华打印机(Dye Sublimation Printer)输入型二维数组传感器：数码相机(Digital Camera)一维数组传感器：台式扫描仪(Flatbed Scanner)

（光看这些你肯定一头雾水，下面会对每一种类型进行讲解）

2.1. 展示型光栅设备

放射型(Emissive)：放射型设备比较简单易懂，它是由许多自己拥有发光能力的半导体(LED)构成的光栅二维数组，也就是说，设备上的每一个像素点都是一个自己能独立发光的“小灯泡”

LED显示屏：LDE显示屏就是一个放射型设备，它每一个像素点都由三个LED灯泡组成，分别发射红，蓝，绿光

传输型(Transmissive)：传输型设备一般拥有一块持续均匀发光的地板，随后通过前方的挡板和偏移光线来让光线以正确的强度和颜色输出

LCD显示屏：LCD显示屏由背景光，后侧偏光器，液晶，前侧偏光器构成

背景光：一块持续，均匀发光的背景板

后侧偏光器：紧靠背景光的偏光器，完全允许水平方向的光线通过，不允许垂直方向的光线通过

液晶：液晶可以根据电压来偏移光线的角度

前侧偏光器：最外侧的偏光器，完全允许垂直方向的光线通过，不允许水平方向的光线通过

LCD显示屏对光线的控制：讲完了LCD显示屏的构成，我们来仔细看一下光线传输和偏移的流程图解

首先,背景板发光

全方位的光线通过后侧偏光器，仅留下水平方向的光线通过

通过改变电压，液晶开始对光线进行偏移，下面将讲解三种不同的偏移情况

第一种情况，液晶完全不对光线偏移，那么当光线抵达前侧偏光器时，光线完全为水平光线，不能通过前侧偏光器，那么这个像素就是无亮度的

第二种情况，液晶对光线偏移，那么当光线抵达前侧偏光器时，光线的角度位于水平与垂直之间，部分光线通过前侧偏光器，这个像素的亮度就是在无和最高之间的

第三种情况，液晶对光线进行90度偏移，那么当光线抵达前侧偏光器时，光线的角度完全垂直，直接通过前侧偏光器，那么这个像素就处于最高亮度

2.2. 硬拷贝型光栅设备

二元类型(Binary)：二元型光栅设备会答应出来的像素点，不为1就为0，即要么打印一个颜色上去，要么就留空

喷墨打印机：喷墨打印机是一种常见的二元型光栅设备，它通过使用喷墨头在纸上移动并喷涂一个极小的墨汁点来实现打印功能。喷墨头每次喷墨的量是固定的，所以它要么喷墨，要么不喷，不存在这个少喷点，那个多喷点的情况。另外，彩色打印机的会有多个喷墨头来喷涂不同的颜色。

连续色调整型(Continuous Tone)：连续色调整型设备与二元类不同，它能决定一个像素点的颜色深度(或者说的准确些，颜料的密度)

热升华打印机：热升华打印机并不具备自己喷涂颜料的功能，但却有一个可以控制温度的线性热升华打印头(如下图)。而核心就在于打印头与打印纸之间夹着的“有色纸张”，根据热量的不同，有色纸上的颜色会以不同的量被传递到空白纸上

输入型

二维数组传感器：数码相机(Digital Camera)

一维数组传感器：台式扫描仪(Flatbed Scanner)

2.3. 输入型光栅设备

二位数组传感器：二位数组传感器内置了一个二维的感光半导体数组来接受射入的光线

数码相机：数码相机内的二维数组半导体在接受到入射光线后，会将光线分成二维的像素点，随后用内部的颜色过滤器只保留红，绿，蓝三种颜色的光

一维数组传感器：一维数组传感器类似上方热升华打印机的工作方式，对于每一行的光线，都利用红，绿，蓝三个一维数组对光线进行过滤，随后保留过滤后的内容

3. 图片，像素，几何

图片的形成：从上面的输出型光栅设备我们得知，图片从三维世界到二维的图片实际上经历了这个过程：光线 -> 传感器 -> 平面。

离散的像素：对于计算机，我们不可能将光线直接以连续的型态体现出来，因此为了颜色在二维的体现，我们使用采样(sample，之后章节会细讲)的方法，即像素点，来离散的表示颜色

3.1. 像素值

像素值：即便像素是离散的形态，我们任然需要精确的数字来定义颜色的准确性。无论对于灰度图(即仅有黑白灰的图，需要1个数来表示灰度值)还是彩色图(需要3个数来表示红绿蓝)，不同的像素值类型能体现不同的效果

LDR与HDR：

LDR(Low Dynamic Range)：即像素值用整型来表达HRD(High Dynamic Range)：即像素值用浮点数类型表达

像素值格式：

1位灰度图：非黑即白的像素值，中间的灰度值无法表达出来8位RGB整型：LDR彩色像素，通常用于简单的app，例如电子邮箱8或者10位RGB整型：LDR彩色像素，通常用于正常的电脑页面显示12或14位RGB整型：LDR彩色像素，通常用于普通相机图片16位RGB整型：LDR彩色像素，通常用于专业摄影，打印，以及中级的图像处理16位灰度图：LDR灰度像素，通常用于放射科，医学图片等16位RGB单精度浮点：HDR彩色像素，常用于实时渲染，电子游戏等32位RGB双精度浮点：HDR彩色像素，通常用于专业影视渲染，图像处理

瑕疵(Artifacts, Artificially Introduced Flaws)：降低像素值格式可能会导致图片出现瑕疵，图形学中我们常称瑕疵为artifacts

裁剪(Clipping)：当像素格式无法表达一种颜色的时候，该像素就会被裁剪(例如阳光的高光点是比普通白色要亮的)量化错误(Quantization Error)：像素格式精度不够时，颜色会被量化到距离最近的可取值，在静态图中，量化错误并不会极大的影响视觉，但在动画领域会有很差的效果。

3.2. 显示器光强与伽马

显示器光强(Intensity)：对与一个像素值，屏幕会在显示时将它转成对应的光强，从而让人眼辨识出颜色来(人眼看到的一切东西均为光线)

非线性的转换：根据显示器的不同，转换出来的光强也并非和像素值输入成正比，通常显示器会运用伽马(gamma)值来控制最终显示的光强(下图为公式，其中I为最终光强，M为最高光强，a为像素值，r为gamma)

伽马校正(Gamma Correction)：对于不同的显示器，我们运用gamma矫正来找出最适合显示器的gamma，常用的办法如下

首先让最终光强为“中间值”，即0.5

随后我们可以列出如下等式

要获得合适的a值，我们运用两个相邻的图片，一张为黑白格，另一张为一张基于a值的灰度图

随后让用户调整a的值，并从远距离看两个图片的颜色是否契合(站远时，黑白格会看起来像灰度图)

最终得到a后，计算出gamma值

4. RGB颜色

RGB：即Red，Green，Blue三种颜色

颜色混合(Color Mixing)：若要在RGB的基础上构造出不同的颜色，我们就需要利用颜色相加的方法(回想小时候的美术课，颜料混合从而获得新颜色，一样的道理)

常见的颜色混合：