2.6 數字圖像的顯示特性

一般而言，數字圖像處理的結果依然是圖像，還需要將圖像顯示或打印以給人們觀看或保存。因此可以說，圖像的顯示是數字圖像處理的一個重要步驟。

2.6.1 圖像的顯示

圖像需通過屏幕顯示或打印輸出才可以觀察到，圖像屏幕顯示的效果由圖像的大小、光度分辨率、低頻響應、高頻響應、點間距和噪聲特性等因素決定。

圖像顯示系統用于顯示顯示器的物理尺寸和系統可處理的數字圖像大小。顯示器自身的物理尺寸顯然決定了可顯示圖像的大小，因此它應該盡可能大，以便于觀察和理解所顯示的圖像。顯示系統能處理的最大數字圖像尺寸是圖像處理系統的主要指標之一，顯示器尺寸不足會降低整個圖像處理設備的效果，顯示器必須與待處理和顯示的最大圖像的行數和每行像素數相適應。數字圖像處理系統的常見顯示設備主要包括可隨機存取的CRT（陰極射線管）、電視顯示器和LCD（液晶顯示器）。

對于CRT，電子槍束的水平位置是計算機可以控制的，在每個偏轉位置，電子槍束的強度是通過電壓進行調制的，而這一電壓值與該點對應的灰度值成正比。這樣灰度值的變化反映在CRT上就是亮度的變化。對于普通的電視監視器若能提供合適的視頻信號，也可用作數字圖像顯示器。

LCD是另一種常用的顯示設備，它是一種低電壓、低功耗器件，可直接由MOS-IC驅動，因此器件和驅動系統之間的配合較好。LCD的優點是結構簡單、平面型，顯示面可任意加工，而且LCD是反射型的，在室內條件也容易看到數字圖像。目前，臺式計算機、筆記本電腦、手表、玩具、計算器、民航候機牌、火車候車室、戶外廣告，以及測量儀器和航天測控顯示等都廣泛使用LCD液晶顯示設備。

計算機系統中，數字圖像是通過光柵掃描方式和計算機內的幀緩沖存儲器進行屏幕顯示的。

首先介紹什么是幀緩沖存儲器。任何一臺具有顯示功能的計算機內都設有專門用于存儲圖像信息的幀緩沖存儲器，計算機時刻自動監測該存儲器，如果幀緩沖存儲器內被寫入圖像數據，則這些數據會自動經光柵掃描方式映射到計算機顯示屏幕上，從而形成數字圖像。幀緩沖存儲器中的每一位對應于屏幕上的一個點，當某一位上的數據被置為1時，與該數據位對應的計算機屏幕上的相應坐標位置上就出現一個亮點，而數據位為0時，屏幕上的相應坐標位置則產生一個暗點。計算機開始啟動時，幀緩沖存儲器上所有的位被自動置為0，當讀入圖像數據后，幀緩沖存儲器才會根據圖像數據的每一位分別置0或置1。

例如，若一臺計算機的顯示器分辨率設定為640×480，為顯示一幅二值圖像需640×480位的幀緩存容量，這個容量稱為一個位平面。因此，若顯示一幅256灰度級的單色圖像則需要配置8個位平面，即需要640×480字節的幀緩存容量。若顯示器設置為800×600、1024×768或1280×1024等高分辨率時，則所需的幀緩存容量要求相應增大。若需要顯示R、G、B均為256級的真彩色圖像，則需要進行R、G、B三色合成，因此幀緩存的容量是單色256灰度級顯示容量的3倍。

若操作系統允許用戶對顯示器的分辨率進行設置，則應充分考慮計算機現有的幀緩存容量的容許范圍。例如，當現有的幀緩存為512KB時，為顯示256灰度的單色數字圖像，最多只能選用800×600的分辨率。如果選用1024×768的分辨率，則圖像的灰度將降至16個等級，即4bit圖像。可以通過增設幀緩存的容量來獲取較大的分辨率，需要注意的是，若顯示器不具備顯示較高分辨率的能力，即使配置了足夠的幀緩存，也仍然不能得到高的分辨率。

熟悉幀緩沖存儲器的原理和作用之后，則可以通過直接向幀緩存填寫圖像數據來顯示圖像。需指出的是，每一個像素上的數據在幀緩存上是以位為單位描述的，而計算機的數據輸入／輸出一般以字節為單位，因此圖像數據中的每一個字節對應顯示畫面上橫向排列的8個像素。

2.6.2 圖像的打印

數字圖像除可進行顯示外，還可以通過各種打印設備將圖像打印出來。在有些圖像處理著作中，將圖像打印輸出又稱為圖像的永久顯示，將圖像永久記錄在紙或膠片等介質上都稱為圖像的永久顯示。圖像的打印設備包括圖像記錄器、打印機和其他圖像硬拷貝設備等。

1. 半調輸出技術

一般情況下，打印設備只能輸出二值圖像，以激光打印機為例，其輸出的灰度只有兩極，或者輸出為黑色的打印點，或者輸出為白色點（無墨）。為了在現行的打印設備上輸出灰度圖像，常采用半調輸出技術。半調輸出技術是一種利用人類的視覺原理，將灰度圖像轉換為二值圖像的技術。半調輸出的基本原理是將輸出圖像中的灰度轉換為二值點的模式，從而使現有的僅能輸出二值圖像的打印設備輸出灰度圖像。

半調輸出本質上是一種利用人類視覺原理的特定輸出方法，即通過控制二值點輸出模式的形式（包括數量、尺寸和形狀等）使人類視覺系統獲得灰度級別上的視覺效果。也就是說，半調輸出利用了視覺系統在微觀上的視覺平均特性，以單位面積上二值墨點的多少、墨點的大小來體現不同的灰度等級，如果對半調輸出的圖像進行足夠的放大，呈現出來的依然是二值圖像。

2. 半調輸出模板

半調輸出模板是半調輸出的一種具體實現方法，是指將圖像輸出的單元進行細分，通過鄰近的二值點結合起來組成圖像輸出單元。這樣細分之后，圖像輸出的基本單元包含若干二值點，這些二值點組成一個模板，使模板中的一些二值點輸出墨點，而其他二值點的輸出為沒有墨色的空白點，從而達到顯示不同灰度等級的效果。

例如，圖2-14（a）所示為2×2模板，即一個輸出單元分為2×2網格，這樣就可以實現5個灰度等級的打印輸出效果；圖2-14（b）所示為3×3模板，可實現10個灰度等級效果。需要說明的是，這里將輸出的二值點進行了放大，實際打印機的二值點比圖2-14所示的二值點小很多，放大的目的是更形象地說明半調輸出技術的效果。

3. 半調輸出的種類

半調輸出技術主要包括幅度調制技術和頻率調制技術兩種方法。

1）幅度調制

半調輸出技術的早期主要通過控制輸出墨點的尺寸來形成灰度圖像的顯示效果，這就是半調輸出技術中的幅度調制（AM）技術。在幅度調制技術中，二值墨點是按規則進行排列的，二值墨點的大小需根據所表示的灰度值而變化，但對二值墨點的形狀沒有具體要求。以激光打印機為例，其不同的灰度顯示效果是通過控制墨水墨點的比例而達到的。實際上，二值墨點的輸出模式不僅取決于每個點的尺寸，也取決于網格的間隔距離大小，間隔越大，分辨率越低，間隔越小，輸出的分辨率越高。網格的間隔大小與打印機分辨率（每英寸的打印點數）有關。

2）頻率調制

頻率調制技術（FM）是相對于幅度調制而言的，所謂頻率調制的半調輸出是指輸出二值點的尺寸是不變的，二值點在空間的分布與灰度有關。二值點的空間分布是指墨點的間隔或者一定區域內墨點出現的頻率。顯然，當二值點分布比較密集時，將實現較暗的灰度級，二值點分布比較稀疏時，就可以實現較亮的灰度等級。

隨著對打印質量要求的不斷提高，單一的幅度調制技術和頻率調制技術都達到了自身的極限，目前，業界開始采用將幅度調制和頻率調制技術相結合的圖像輸出方法。需要指出的是，對于半調輸出技術而言，若需要輸出256灰度級效果，需采用16×16的模板，這樣輸出圖像的空間分辨率將受到較大的影響。因此，半調輸出技術僅在輸出設備自身的灰度值有限的情況下才可以考慮使用。