2.6 数字图像的显示特性

一般而言，数字图像处理的结果依然是图像，还需要将图像显示或打印以给人们观看或保存。因此可以说，图像的显示是数字图像处理的一个重要步骤。

2.6.1 图像的显示

图像需通过屏幕显示或打印输出才可以观察到，图像屏幕显示的效果由图像的大小、光度分辨率、低频响应、高频响应、点间距和噪声特性等因素决定。

图像显示系统用于显示显示器的物理尺寸和系统可处理的数字图像大小。显示器自身的物理尺寸显然决定了可显示图像的大小，因此它应该尽可能大，以便于观察和理解所显示的图像。显示系统能处理的最大数字图像尺寸是图像处理系统的主要指标之一，显示器尺寸不足会降低整个图像处理设备的效果，显示器必须与待处理和显示的最大图像的行数和每行像素数相适应。数字图像处理系统的常见显示设备主要包括可随机存取的CRT（阴极射线管）、电视显示器和LCD（液晶显示器）。

对于CRT，电子枪束的水平位置是计算机可以控制的，在每个偏转位置，电子枪束的强度是通过电压进行调制的，而这一电压值与该点对应的灰度值成正比。这样灰度值的变化反映在CRT上就是亮度的变化。对于普通的电视监视器若能提供合适的视频信号，也可用作数字图像显示器。

LCD是另一种常用的显示设备，它是一种低电压、低功耗器件，可直接由MOS-IC驱动，因此器件和驱动系统之间的配合较好。LCD的优点是结构简单、平面型，显示面可任意加工，而且LCD是反射型的，在室内条件也容易看到数字图像。目前，台式计算机、笔记本电脑、手表、玩具、计算器、民航候机牌、火车候车室、户外广告，以及测量仪器和航天测控显示等都广泛使用LCD液晶显示设备。

计算机系统中，数字图像是通过光栅扫描方式和计算机内的帧缓冲存储器进行屏幕显示的。

首先介绍什么是帧缓冲存储器。任何一台具有显示功能的计算机内都设有专门用于存储图像信息的帧缓冲存储器，计算机时刻自动监测该存储器，如果帧缓冲存储器内被写入图像数据，则这些数据会自动经光栅扫描方式映射到计算机显示屏幕上，从而形成数字图像。帧缓冲存储器中的每一位对应于屏幕上的一个点，当某一位上的数据被置为1时，与该数据位对应的计算机屏幕上的相应坐标位置上就出现一个亮点，而数据位为0时，屏幕上的相应坐标位置则产生一个暗点。计算机开始启动时，帧缓冲存储器上所有的位被自动置为0，当读入图像数据后，帧缓冲存储器才会根据图像数据的每一位分别置0或置1。

例如，若一台计算机的显示器分辨率设定为640×480，为显示一幅二值图像需640×480位的帧缓存容量，这个容量称为一个位平面。因此，若显示一幅256灰度级的单色图像则需要配置8个位平面，即需要640×480字节的帧缓存容量。若显示器设置为800×600、1024×768或1280×1024等高分辨率时，则所需的帧缓存容量要求相应增大。若需要显示R、G、B均为256级的真彩色图像，则需要进行R、G、B三色合成，因此帧缓存的容量是单色256灰度级显示容量的3倍。

若操作系统允许用户对显示器的分辨率进行设置，则应充分考虑计算机现有的帧缓存容量的容许范围。例如，当现有的帧缓存为512KB时，为显示256灰度的单色数字图像，最多只能选用800×600的分辨率。如果选用1024×768的分辨率，则图像的灰度将降至16个等级，即4bit图像。可以通过增设帧缓存的容量来获取较大的分辨率，需要注意的是，若显示器不具备显示较高分辨率的能力，即使配置了足够的帧缓存，也仍然不能得到高的分辨率。

熟悉帧缓冲存储器的原理和作用之后，则可以通过直接向帧缓存填写图像数据来显示图像。需指出的是，每一个像素上的数据在帧缓存上是以位为单位描述的，而计算机的数据输入／输出一般以字节为单位，因此图像数据中的每一个字节对应显示画面上横向排列的8个像素。

2.6.2 图像的打印

数字图像除可进行显示外，还可以通过各种打印设备将图像打印出来。在有些图像处理著作中，将图像打印输出又称为图像的永久显示，将图像永久记录在纸或胶片等介质上都称为图像的永久显示。图像的打印设备包括图像记录器、打印机和其他图像硬拷贝设备等。

1. 半调输出技术

一般情况下，打印设备只能输出二值图像，以激光打印机为例，其输出的灰度只有两极，或者输出为黑色的打印点，或者输出为白色点（无墨）。为了在现行的打印设备上输出灰度图像，常采用半调输出技术。半调输出技术是一种利用人类的视觉原理，将灰度图像转换为二值图像的技术。半调输出的基本原理是将输出图像中的灰度转换为二值点的模式，从而使现有的仅能输出二值图像的打印设备输出灰度图像。

半调输出本质上是一种利用人类视觉原理的特定输出方法，即通过控制二值点输出模式的形式（包括数量、尺寸和形状等）使人类视觉系统获得灰度级别上的视觉效果。也就是说，半调输出利用了视觉系统在微观上的视觉平均特性，以单位面积上二值墨点的多少、墨点的大小来体现不同的灰度等级，如果对半调输出的图像进行足够的放大，呈现出来的依然是二值图像。

2. 半调输出模板

半调输出模板是半调输出的一种具体实现方法，是指将图像输出的单元进行细分，通过邻近的二值点结合起来组成图像输出单元。这样细分之后，图像输出的基本单元包含若干二值点，这些二值点组成一个模板，使模板中的一些二值点输出墨点，而其他二值点的输出为没有墨色的空白点，从而达到显示不同灰度等级的效果。

例如，图2-14（a）所示为2×2模板，即一个输出单元分为2×2网格，这样就可以实现5个灰度等级的打印输出效果；图2-14（b）所示为3×3模板，可实现10个灰度等级效果。需要说明的是，这里将输出的二值点进行了放大，实际打印机的二值点比图2-14所示的二值点小很多，放大的目的是更形象地说明半调输出技术的效果。

3. 半调输出的种类

半调输出技术主要包括幅度调制技术和频率调制技术两种方法。

1）幅度调制

半调输出技术的早期主要通过控制输出墨点的尺寸来形成灰度图像的显示效果，这就是半调输出技术中的幅度调制（AM）技术。在幅度调制技术中，二值墨点是按规则进行排列的，二值墨点的大小需根据所表示的灰度值而变化，但对二值墨点的形状没有具体要求。以激光打印机为例，其不同的灰度显示效果是通过控制墨水墨点的比例而达到的。实际上，二值墨点的输出模式不仅取决于每个点的尺寸，也取决于网格的间隔距离大小，间隔越大，分辨率越低，间隔越小，输出的分辨率越高。网格的间隔大小与打印机分辨率（每英寸的打印点数）有关。

2）频率调制

频率调制技术（FM）是相对于幅度调制而言的，所谓频率调制的半调输出是指输出二值点的尺寸是不变的，二值点在空间的分布与灰度有关。二值点的空间分布是指墨点的间隔或者一定区域内墨点出现的频率。显然，当二值点分布比较密集时，将实现较暗的灰度级，二值点分布比较稀疏时，就可以实现较亮的灰度等级。

随着对打印质量要求的不断提高，单一的幅度调制技术和频率调制技术都达到了自身的极限，目前，业界开始采用将幅度调制和频率调制技术相结合的图像输出方法。需要指出的是，对于半调输出技术而言，若需要输出256灰度级效果，需采用16×16的模板，这样输出图像的空间分辨率将受到较大的影响。因此，半调输出技术仅在输出设备自身的灰度值有限的情况下才可以考虑使用。