第02章-圖像數(shù)字化

1、Graphics And Image Processing北京交通大學本科生課程北京交通大學 理學院2011.9第二章 圖像數(shù)字化o 圖像數(shù)字化器o 圖像數(shù)字化器的組成o 圖像的采樣和量化o 常用圖像數(shù)字化設備o 圖像的灰度直方圖o 圖像的文件格式o 膠片掃描一、圖像數(shù)字化器o 圖像數(shù)字化器的功能組件o 圖像數(shù)字化器的性能o 圖像數(shù)字化器的類型n采樣孔：使圖像數(shù)字化器能不受圖像其他部分的影響，而在整幅圖像中掃描特定的獨立像素單元 ；n掃描器件：使采樣孔以預先確定的方式在圖像上移動，按照順序依次掃描圖像的每一個像素；n光傳感器：測量每一像素的亮度，將光亮度轉化為電流或電壓信號；n量化器：將傳感器

2、輸出的連續(xù)值轉化為整數(shù)值；n輸出介質(zhì)：將量化的灰度值以適當?shù)母袷酱鎯ΑD像數(shù)字化器的功能組件數(shù)字化器的性能n分辨率：單位尺寸能夠采樣的像素數(shù)，由采樣孔的大小和像素間距的大小決定；n灰度級：量化為多少等級；n圖像大?。涸试S輸入圖像的大??；n掃描速度：采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度；n噪聲：數(shù)字化器的噪聲水平。n噪聲：數(shù)字化器的噪聲水平。n線性度：線性度是指對光強進行數(shù)字化時，灰度正比于圖像亮度的實際精確程度，圖像數(shù)字化設備的線性度是一個重要的性能指標，非線性的數(shù)字化器會影響后續(xù)處理的有效性。數(shù)字化器的性能圖像數(shù)字化器的類型主要包括:n數(shù)碼相機n膠片掃描儀二. 圖像數(shù)字化器的組成主要包括:n人工光源n光傳感器

3、n掃描裝置三、圖像的采樣和量化o 圖像數(shù)字化：指將模擬圖像經(jīng)過離散化之后，得到用數(shù)字表示的圖像。o 模擬圖像：照片、電視、錄象、電影。 數(shù)學表達式：二維分布函數(shù)，t表示時間變量。模擬圖像數(shù)字圖像離散化),(tyxf數(shù)字圖像：用矩陣來描述的。1, 11 , 10, 11, 11 , 10, 11, 01 , 00, 0,nmmmnniiiiiiiiinmII第一步：空間采樣 將在空間上連續(xù)的圖像轉換成離散的采樣點（即像素）集的操作。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸兩個方向上進行。數(shù)字化過程n圖像采樣n采樣處理：將xy平面分配到一個網(wǎng)格上。xy平面平面(a,b)與采樣相關的概念(分

4、辨率)分辨率 傳感器攝像的精確度。通常指要精確測量和再現(xiàn)一定尺寸的圖像所必需的像素個數(shù)。單位：像素個數(shù) x 像素個數(shù)第二章 圖像數(shù)字化分辨率 320 x240第二章 圖像數(shù)字化分辨率 160 x120第二章 圖像數(shù)字化分辨率 80 x60第二章 圖像數(shù)字化圖象尺寸：127*176分辨率：(a)127*176 (b)63*88 (c)31*44 (d)15*22 256256646432321616第二步：量化 將各像素的明暗信息離散化，用數(shù)字表示像素點信息稱為圖像的量化。 量化值一般用整數(shù)來表示?？紤]人眼的識別能力，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即用0255描述“黑白”。圖圖2-3 量

5、化示意圖量化示意圖（a） 量化；量化； (b) 量化為量化為8 bit 連續(xù)灰度值 量化值 (整數(shù)值)灰度標度 灰度量化Zi1ZiZi1qi1qi125525412812710(a)(b)n圖像的量化與數(shù)字圖象的質(zhì)量256256灰度級灰度級6464灰度級灰度級1616灰度級灰度級128128灰度級灰度級 對于彩色圖像，是按照顏色成分紅（R）、綠（G）、藍（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8 bit量化，即每種顏色量級別是256， 則可以處理256256256=16 777 216種顏色。 四. 常用圖像數(shù)字化設備o數(shù)字相機o掃描儀o數(shù)字攝像機數(shù)碼相機的組成o鏡頭oCCD（電荷藕合器件

6、）oA/D（模/數(shù)轉換器）oMPU（微處理器） o內(nèi)置存儲器oLCD（液晶顯示器）oPC卡（可移動存儲器）o接口（計算機接口、電視機接口） 數(shù)字相機前面板 數(shù)字相機背面板 數(shù)碼相機的工作原理(1)鏡頭將光線會聚到感光器件CCD上； (2)CCD是半導體器件，它代替了普通相機中膠卷的位置；(3)CCD的功能是光強信號轉變?yōu)椴煌瑥姸鹊碾娦盘?，得到拍攝景物的圖像信息；(4)DC將模擬信號到數(shù)字信號的轉換；(5)MPU(微處理器)對數(shù)字信號進行壓縮并轉化為特定的圖像格式，例如JPEG、BMP格式，并將圖像文件被存儲在內(nèi)置存儲器中；(6)LCD顯示查看拍攝照片；部分數(shù)字相機還提供連接計算機和電視機的接口

7、。 掃描儀結構圖1 掃描儀結構圖21 1上蓋上蓋：主要是將要掃描的原稿壓緊，以防止掃描燈光線泄露。2 2原稿臺原稿臺：主要是用來放置掃描原稿的地方，其四周設有標尺線以方便原稿放置，并能及時確定原稿掃描尺寸。中間為透明玻璃，稱為稿臺玻璃。3 3光學成像部分光學成像部分：它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響掃描圖像的還原逼真程度。它包括以下主要部件：燈管、反光鏡、鏡頭以及電荷耦合器件(CCD)。 掃描儀各部分的功能4 4光電轉換部分光電轉換部分：是指掃描儀內(nèi)部的主板，它是一塊安置有各種電子元件的印刷電路板。它是掃描儀的控制系統(tǒng)，在掃描儀掃描過程中，它主要完成CCD信號的輸入處理，以及對步進電機的控

8、制，5 5機械傳動裝置機械傳動裝置：主要包括步進電機、驅動皮帶、滑動導軌和齒輪組。掃描儀各部分的功能典型數(shù)字攝像機五. 膠片掃描o 膠片掃描的概念o 常用膠片掃描設備o 膠片掃描儀的性能指標1. 膠片掃描的概念o 膠片掃描在圖像數(shù)字化過程中占有重要地位。o 膠片掃描是對來自膠片上的信息進行數(shù)字化的過程，使這些信息能由計算機讀取、處理和應用。o 膠片是指投影儀、普通相機或膠片記錄儀中使用的包括膠片、幻燈片、底片等在內(nèi)的各種感光材料，它們能生成圖像或影像。 2. 常用膠片掃描設備o 膠片掃描儀o 膠片紀錄儀o 鼓式掃描儀3. 膠片掃描儀的性能指標o 介質(zhì)o 光學分辨率o 色深度和動態(tài)范圍三、圖像的

9、灰度直方圖o 定義o 性質(zhì)o 用途圖像灰度直方圖的定義灰度直方圖是灰度級的函數(shù)，描述的是圖像中該灰度級的像素個數(shù)。即：橫坐標表示灰度級，縱坐標表示圖像中該灰度級出現(xiàn)的個數(shù)。1234565456214123456643221166466345666146623136466灰度直方圖o 在下頁圖示中，有一條灰度級為在下頁圖示中，有一條灰度級為D1的輪廓的輪廓線，在更高的灰度級線，在更高的灰度級D2處還畫有第二條輪處還畫有第二條輪廓線。廓線。o A1表示第一條輪廓線所包圍區(qū)域的面積，表示第一條輪廓線所包圍區(qū)域的面積，同樣，同樣，A2表示第二條輪廓線所包圍的區(qū)域表示第二條輪廓線所包圍的區(qū)域的面積。的面

10、積。圖像灰度直方圖的另一種定義o 在一幅連續(xù)圖像中，將具有灰度級在一幅連續(xù)圖像中，將具有灰度級D的所有的所有輪廓線所包圍的面積，稱為灰度級輪廓線所包圍的面積，稱為灰度級D的的閾值閾值面積面積函數(shù)，用函數(shù)，用A(D)表示，則直方圖可定義表示，則直方圖可定義為：為： )()()()(lim0DAdDdDDDADADHDo 對于離散函數(shù)，固定對于離散函數(shù)，固定D為為1，則上述定義，則上述定義變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?H(D)=A(D)-A(D+1) 圖像灰度分布概率密度函數(shù) Pr(r)r10Pr(r)10r(a)(b)n直方圖表明每一個灰度有多少個象素圖像灰度直方圖的性質(zhì)o 直方圖是一幅圖像中各像素灰度值出現(xiàn)次

11、直方圖是一幅圖像中各像素灰度值出現(xiàn)次數(shù)（或頻數(shù)）的統(tǒng)計結果，它只反映該圖數(shù)（或頻數(shù)）的統(tǒng)計結果，它只反映該圖像中不同灰度值出現(xiàn)的次數(shù)（或頻數(shù)），像中不同灰度值出現(xiàn)的次數(shù)（或頻數(shù)），而未反映某一灰度值像素所在位置。也就而未反映某一灰度值像素所在位置。也就是說，它只包含了該圖像中某一灰度值的是說，它只包含了該圖像中某一灰度值的像素出現(xiàn)的概率，而丟失了其所在位置的像素出現(xiàn)的概率，而丟失了其所在位置的信息。信息。 p 任一幅圖像，都能唯一地確定出一幅與它對應的直方圖， 但不同的圖像，可能有相同的直方圖。也就是說，圖像與直方圖之間是多對一的映射關系。如圖就是一個不同圖像具有相同直方圖的例子。 空間信息丟

12、失(a)(b) 圖像與直方圖間的多對一關系圖像與直方圖間的多對一關系 圖像灰度直方圖的用途o 用于判斷圖像量化是否恰當直方圖給出了一個簡單可見的指示，用來判斷一幅圖象是否合理的利用了全部被允許的灰度級范圍。一般一幅圖應該利用全部或幾乎全部可能的灰度級，否則等于增加了量化間隔。丟失的信息將不能恢復。觀察直方圖可以看出不合適的數(shù)字化觀察直方圖可以看出不合適的數(shù)字化較暗圖象的直方圖 P (r k) r k較亮圖象的直方圖 P (r k) r k對比度較低圖象的直方圖 P (r k) r k對比度較高圖象的直方圖 P (r k) r ko 邊界閾值選取 假設某圖象的灰度直方圖具有二峰性，則表明這個圖象

13、的較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域可以較好地分離，取這一點為閾值點，可以得到好的二值處理的效果。選取146為閾值的二值化灰度圖具有二峰性具有二峰性的灰度圖的2值化灰度分布效果比較示意圖四、圖像的文件格式四、圖像的文件格式數(shù)字圖像通常有兩種表示形式: 位 圖矢量圖位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（1 1）1、點位圖由像素構成，矢量圖由對象構成 點位圖的基本構圖單位是像素，像素包含了色彩信息。包含不同色彩信息的像素的矩陣組合構成了千變?nèi)f化的圖像。 矢量圖形指由代數(shù)方程定義的線條或曲線構成的圖形。如:表示一個圓形，矢量圖像保存了一個畫圓的命令、圓心的坐標、半徑的長度等等。欲顯示該圓，矢量繪圖軟件則根據(jù)圓

14、的坐標、半徑等信息，經(jīng)過方程式計算，將圓“畫”在屏幕上。矢量圖像由許多矢量圖形元素構成，這些圖形元素稱為“對象”。2、點位圖面向像素像素繪畫，矢量圖面向對象“構畫”兩種圖像的構成方式不同，其繪畫方式也存在差別。點位圖是通過改變像素的色彩實現(xiàn)繪畫和畫面的修改。點位圖軟件提供了模擬手繪習慣的工具實現(xiàn)繪畫。這些手繪工具在圖像上移動，即可改變相應位置上像素的色彩。矢量圖操縱的是基本的圖形（對象），以Corel Draw為例,如圖所示,選擇貝賽爾曲線工具，用鼠標在頁面上定出一些節(jié)點，節(jié)點之間有線段，構成一個封閉圖形。用修改工具把這個圖形調(diào)整圓滑。然后選擇色彩，該圖形即可填充上工整的色彩。這個新產(chǎn)生的圖形

15、在矢量圖像中，就是一個基本的矢量圖形對象。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（2 2）3、點位圖受到像素和分辨率的制約，而矢量圖形不存在這些制約點位圖是由像素陣列構成的圖像，像素的多少和分辨率決定圖像的質(zhì)量。在用點繪圖軟件開始一幅新作品時，首先應確定圖像的長寬大小和分辨率，一旦確定下來，以后要改變分辨率，就會影響圖像的質(zhì)量。另外點位圖的縮放也會影響圖像的質(zhì)量。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（3 3）矢量圖形和設備無關，即和分辨率無關。因為矢量圖由數(shù)學公式和一些參數(shù)決定。圖形的放大縮小以及分辨率的改變，僅僅是參數(shù)的相對變化，重新計算后再顯示出來，依然保持精細的圖像質(zhì)量。當然，這些

16、內(nèi)部計算，用戶是看不出來的，用戶也不用理會。如圖，一幅矢量圖形無論怎樣放大，邊線依然平滑。而在繪畫過程中，則可以任意放大若干倍（甚至上萬倍），精確細致地描繪任意細節(jié)。如圖4、點位圖修改麻煩，矢量圖形修改隨心所欲 點位圖的編輯受到限制。點位圖是像素的排列，局部移動或改變會影響到其他部分的像素(包括前面講的對圖像進行放大)。 雖然矢量圖形的作畫方式特別（如前述例子），但是在修改方面卻是比點位圖更勝一籌。在矢量圖形中，一個圖形對象的改變，不會影響其他圖形對象。位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（4 4） 圖1是一幅點位圖漫畫，這位女孩的腰部畫得太粗了，要修改苗條。在Painter中，可以選擇一種

17、筆工具，再選擇和背景相同的顏色。把腰部多余的部分涂掉，如圖2. 然后再選擇黑色，用鋼筆工具把邊線補上,如圖3;如用鼠標，很難把握精度，修改起來更麻煩。如果一次修改不滿意，還要重復上面的步驟繼續(xù)修改。基本相同的一幅Corel Draw矢量圖漫畫。同樣是要修改女孩的腰部。很簡單，選擇修改工具，如圖2拖拉一下腰部曲線的節(jié)點就可以把腰部調(diào)細了，如圖3.不滿意，再調(diào)整一下即可(這種調(diào)整修改不會影響到其他圖形對象，可以隨意修改)。5、點位圖難以重復使用，矢量圖形可以隨意重復使用在漫畫創(chuàng)作中，尤其在漫畫故事創(chuàng)作中，若能重復使用一些圖像元素，可以大大提高創(chuàng)作效率。而點位圖的重復使用相對比較困難。因為圖像元素的

18、重復使用必然涉及圖像元素的放大縮小和修改，這些正是點位圖的弱點。相反，矢量圖形是以圖形對象為基礎，圖形對象相對獨立，而且放大縮小和修改都方便，可以十分隨意地重復使用。例如，可以把人物的頭部作為一個圖形對象。只需要套上不同的身軀，就可以作出不同衣著和動態(tài)的形象了。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（5 5）6、點位圖效果豐富，矢量圖形效果單調(diào)機械點位圖可以表現(xiàn)任何復雜形象，這是矢量圖形的弱點。像云霧、自然界的樹林花叢、山脈等，矢量圖形很難生動表現(xiàn)。利用Painter等點位圖軟件，卻可以很輕易地制作出來。在漫畫中，經(jīng)常要繪畫渲染氣氛的背景。矢量圖形只能勉強表現(xiàn)較機械的放射線等。若利用Painter等點位圖軟件，繪畫者可以根據(jù)自己的創(chuàng)意，創(chuàng)作千變?nèi)f化的背景效果。 位圖和矢量圖的比較（位圖和矢量圖的比較（6 6）矢量圖點位圖位圖和矢量圖相結合位圖和矢量圖相結合1、矢量圖輸出成為點位圖，用點位圖軟件進行修飾。 可利用矢量圖形繪畫主要形象的輪廓，然后輸出成為一幅點位圖，然后利用Painter等等軟件，上色修飾。一方面可以利用矢量圖形容易編輯修改的優(yōu)點，把形象繪畫得細致完美，另一方面利用Painter可以把畫面變得富有自然風格。 如圖是一幅矢量圖和點位圖結合的作品。 2、在矢量圖中插入點位圖，點