第二章 图像数字化 图像数字化器 图像数字化器的组成 图像的采样和量化 常用图像数字化设备 图像的灰度直方图 图像的文件格式 胶片扫描
一、图像数字化器 图像数字化器的功能组件 图像数字化器的性能 图像数字化器的类型
图像数字化器的功能组件 采样孔:使图像数字化器能不受图像其他部分的影响,而在整幅图像中扫描特定的独立像素单元 ; 扫描器件:使采样孔以预先确定的方式在图像上移动,按照顺序依次扫描图像的每一个像素; 光传感器:测量每一像素的亮度,将光亮度转化为电流或电压信号; 量化器:将传感器输出的连续值转化为整数值; 输出介质:将量化的灰度值以适当的格式存储。
数字化器的性能 分辨率:单位尺寸能够采样的像素数,由采样孔的大小和像素间距的大小决定; 灰度级:量化为多少等级; 图像大小:允许输入图像的大小; 扫描速度:采样数据的传输速度;
噪声:数字化器的噪声水平。 线性度:线性度是指对光强进行数字化时,灰度正比于图像亮度的实际精确程度,图像数字化设备的线性度是一个重要的性能指标,非线性的数字化器会影响后续处理的有效性。
图像数字化器的类型 主要包括: 数码相机 胶片扫描仪
二. 图像数字化器的组成 主要包括: 人工光源 光传感器 扫描装置
三、图像的采样和量化 模拟图像 数字图像 离散化 图像数字化:指将模拟图像经过离散化之后,得到用数字表示的图像。 模拟图像:照片、电视、录象、电影。 数学表达式: 二维分布函数,t表示时间变量。 离散化 模拟图像 数字图像
数字图像:用矩阵来描述的。
数字化过程 第一步:空间采样 将在空间上连续的图像转换成离散的采样点(即像素)集的操作。由于图像是二维分布的信息,所以采样是在x轴和y轴两个方向上进行。
图像采样 采样处理:将xy平面分配到一个网格上。 xy平面 (a,b)
与采样相关的概念(分辨率) 分辨率 传感器摄像的精确度。通常指要精确测量和再现一定尺寸的图像所必需的像素个数。 单位:像素*像素
分辨率 320x240
分辨率 160x120
分辨率 80x60
分辨率:(a)127*176 (b)63*88 (c)31*44 (d)15*22 图象尺寸:127*176 分辨率:(a)127*176 (b)63*88 (c)31*44 (d)15*22
256×256 64×64 32×32 16×16
第二步:量化 将各像素的明暗信息离散化,用数字表示像素点信息称为图像的量化。 量化值一般用整数来表示。考虑人眼的识别能力,目前非特殊用途的图像均为8bit量化,即用0~255描述“黑~白”。
图2-3 量化示意图 (a) 量化; (b) 量化为8 bit
图像的量化与数字图象的质量 256灰度级 128灰度级 64灰度级 16灰度级
对于彩色图像,是按照颜色成分——红(R)、绿(G)、蓝(B)分别采样和量化的。若各种颜色成分均按8 bit量化,即每种颜色量级别是256, 则可以处理256×256×256=16 777 216种颜色。
四. 常用图像数字化设备 数字相机 扫描仪 数字摄像机
数码相机的组成 镜头 CCD(电荷藕合器件 ) A/D(模/数转换器) MPU(微处理器) 内置存储器 LCD(液晶显示器) PC卡(可移动存储器) 接口(计算机接口、电视机接口) 数字相机前面板 数字相机背面板
数码相机的工作原理 (1)镜头将光线会聚到感光器件CCD上; (2)CCD是半导体器件,它代替了普通相机中胶卷的位置; (4)ADC将模拟信号到数字信号的转换; (5)MPU(微处理器)对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式,例如JPEG、BMP格式,并将图像文件被存储在内置存储器中; (6)LCD显示查看拍摄照片; 部分数字相机还提供连接计算机和电视机的接口。
扫描仪结构图1
扫描仪结构图2
扫描仪各部分的功能 1.上盖:主要是将要扫描的原稿压紧,以防止扫描灯光线泄露。 2.原稿台:主要是用来放置扫描原稿的地方,其四周设有标尺线以方便原稿放置,并能及时确定原稿扫描尺寸。中间为透明玻璃,称为稿台玻璃。 3.光学成像部分:它是扫描仪的核心部件,其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度。它包括以下主要部件:灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)。
扫描仪各部分的功能 4.光电转换部分:是指扫描仪内部的主板,它是一块安置有各种电子元件的印刷电路板。它是扫描仪的控制系统,在扫描仪扫描过程中,它主要完成CCD信号的输入处理,以及对步进电机的控制, 5.机械传动装置:主要包括步进电机、驱动皮带、 滑动导轨和齿轮组。
典型数字摄像机
五. 胶片扫描 胶片扫描的概念 常用胶片扫描设备 胶片扫描仪的性能指标
1. 胶片扫描的概念 胶片扫描在图像数字化过程中占有重要地位。 胶片扫描是对来自胶片上的信息进行数字化的过程,使这些信息能由计算机读取、处理和应用。 胶片是指投影仪、普通相机或胶片记录仪中使用的包括胶片、幻灯片、底片等在内的各种感光材料,它们能生成图像或影像。
1) 透射率和光密度 左边物体的透射率为: 左边物体的光密度: 光密度和透射率示意图
2) 摄影过程 胶片显影 胶片对光的响应 乳化剂的特性 胶片分辨率 照相复制
2. 常用胶片扫描设备 胶片扫描仪 胶片纪录仪 鼓式扫描仪
3. 胶片扫描仪的性能指标 介质 光学分辨率 色深度和动态范围
三、图像的灰度直方图 定义 性质 用途
图像灰度直方图的定义 灰度直方图是灰度级的函数,描述的是图像中该灰度级的像素个数。即:横坐标表示灰度级,纵坐标表示图像中该灰度级出现的个数。
1 2 3 4 5 6 14 1 2 3 4 5 6 灰度直方图
灰度直方图另一种定义方式 在下页图示中,有一条灰度级为D1的轮廓线,在更高的灰度级D2处还画有第二条轮廓线。 A1表示第一条轮廓线所包围区域的面积,同样,A2表示第二条轮廓线所包围的区域的面积。
在一幅连续图像中,将具有灰度级D的所有轮廓线所包围的面积,称为灰度级D的阈值面积函数,用A(D)表示,则直方图可定义为:
对于离散函数,固定△D为1,则上述定义变为: H(D)=A(D)-A(D+1)
设r代表图像中像素灰度级,作归一化处理后,r将被限定在[0, 1]之内。在灰度级中,r=0代表黑,r=1代表白。对于一幅给定的图像来说,每一个像素取得[0, 1]区间内的灰度级是随机的,即r是随机变量。假定对每一瞬间,它们是连续的随机变量,则可以用概率密度函数pr(r)来表示原始图像的灰度分布。若横轴代表灰度级r,纵轴代表灰度级的概率密度函数pr(r),这样就可以针对一幅图像在该坐标系中作出一条曲线。这条曲线在概率论中就是概率密度曲线,如图所示。
图像灰度分布概率密度函数
直方图表明每一个灰度有多少个象素
图像灰度直方图的性质 直方图是一幅图像中各像素灰度值出现次数(或频数)的统计结果,它只反映该图像中不同灰度值出现的次数(或频数),而未反映某一灰度值像素所在位置。也就是说,它只包含了该图像中某一灰度值的像素出现的概率,而丢失了其所在位置的信息。
任一幅图像,都能唯一地确定出一幅与它对应的直 方图, 但不同的图像,可能有相同的直方图。也就 是说,图像与直方图之间是多对一的映射关系。如 图就是一个不同图像具有相同直方图的例子。
空间信息丢失
图像与直方图间的多对一关系
图像灰度直方图的用途 用于判断图像量化是否恰当 直方图给出了一个简单可见的指示,用来判断一幅图象是否合理的利用了全部被允许的灰度级范围。一般一幅图应该利用全部或几乎全部可能的灰度级,否则等于增加了量化间隔。丢失的信息将不能恢复。
观察直方图可以看出不合适的数字化
较暗图象的直方图 P (r k) r k
较亮图象的直方图 P (r k) r k
对比度较低图象的直方图 P (r k) r k
对比度较高图象的直方图 P (r k) r k
边界阈值选取 假设某图象的灰度直方图具有二峰性,则表明这个图象的较亮的区域和较暗的区域可以较好地分离,取这一点为阈值点,可以得到好的二值处理的效果。
选取146为阈值的二值化
灰度图具有二峰性
具有二峰性的灰度图的2值化
灰度分布效果比较示意图
四、图像的文件格式 数字图像通常有两种表示形式: 位 图 矢量图
位图和矢量图的比较(1) 1、点位图由像素构成,矢量图由对象构成 点位图的基本构图单位是像素,像素包含了色彩信息。包含不同色彩信息的像素的矩阵组合构成了千变万化的图像。 矢量图形指由代数方程定义的线条或曲线构成的图形。 如:表示一个圆形,矢量图像保存了一个画圆的命令、圆心的坐标、半径的长度等等。欲显示该圆,矢量绘图软件则根据圆的坐标、半径等信息,经过方程式计算,将圆“画”在屏幕上。 矢量图像由许多矢量图形元素构成,这些图形元素称为“对象”。
位图和矢量图的比较(2) 2、点位图面向像素绘画,矢量图面向对象“构画” 两种图像的构成方式不同,其绘画方式也存在差别。 点位图是通过改变像素的色彩实现绘画和画面的修改。点位图软件提供了模拟手绘习惯的工具实现绘画。这些手绘工具在图像上移动,即可改变相应位置上像素的色彩。 矢量图操纵的是基本的图形(对象),以Corel Draw为例,如图所示,选择贝赛尔曲线工具,用鼠标在页面上定出一些节点,节点之间有线段,构成一个封闭图形。用修改工具把这个图形调整圆滑。然后选择色彩,该图形即可填充上工整的色彩。这个新产生的图形在矢量图像中,就是一个基本的矢量图形对象。
位图和矢量图的比较(3) 3、点位图受到像素和分辨率的制约,而矢量图形不存在这些制约 点位图是由像素阵列构成的图像,像素的多少和分辨率决定图像的质量。在用点绘图软件开始一幅新作品时,首先应确定图像的长宽大小和分辨率,一旦确定下来,以后要改变分辨率,就会影响图像的质量。另外点位图的缩放也会影响图像的质量。
矢量图形和设备无关,即和分辨率无关。 因为矢量图由数学公式和一些参数决定。图形的放大缩小以及分辨率的改变,仅仅是参数的相对变化,重新计算后再显示出来,依然保持精细的图像质量。当然,这些内部计算,用户是看不出来的,用户也不用理会。如图,一幅矢量图形无论怎样放大,边线依然平滑。而在绘画过程中,则可以任意放大若干倍(甚至上万倍),精确细致地描绘任意细节。如图
位图和矢量图的比较(4) 4、点位图修改麻烦,矢量图形修改随心所欲 点位图的编辑受到限制。点位图是像素的排列,局部移动或改变会影响到其他部分的像素(包括前面讲的对图像进行放大)。 虽然矢量图形的作画方式特别(如前述例子),但是在修改方面却是比点位图更胜一筹。在矢量图形中,一个图形对象的改变,不会影响其他图形对象。
图1是一幅点位图漫画,这位女孩的腰部画得太粗了,要修改苗条。在Painter中,可以选择一种笔工具,再选择和背景相同的颜色。把腰部多余的部分涂掉,如图2. 然后再选择黑色,用钢笔工具把边线补上,如图3;如用鼠标,很难把握精度,修改起来更麻烦。如果一次修改不满意,还要重复上面的步骤继续修改。
基本相同的一幅Corel Draw矢量图漫画。同样是要修改女孩的腰部。很简单,选择修改工具,如图2拖拉一下腰部曲线的节点就可以把腰部调细了,如图3.不满意,再调整一下即可(这种调整修改不会影响到其他图形对象,可以随意修改).
位图和矢量图的比较(5) 5、点位图难以重复使用,矢量图形可以随意重复使用 在漫画创作中,尤其在漫画故事创作中,若能重复使用一些图像元素,可以大大提高创作效率。而点位图的重复使用相对比较困难。因为图像元素的重复使用必然涉及图像元素的放大缩小和修改,这些正是点位图的弱点。 相反,矢量图形是以图形对象为基础,图形对象相对独立,而且放大缩小和修改都方便,可以十分随意地重复使用。例如,可以把人物的头部作为一个图形对象。只需要套上不同的身躯,就可以作出不同衣着和动态的形象了。
位图和矢量图的比较(6) 6、点位图效果丰富,矢量图形效果单调机械 点位图可以表现任何复杂形象,这是矢量图形的弱点。像云雾、自然界的树林花丛、山脉等,矢量图形很难生动表现。利用Painter等点位图软件,却可以很轻易地制作出来。 在漫画中,经常要绘画渲染气氛的背景。矢量图形只能勉强表现较机械的放射线等。若利用Painter等点位图软件,绘画者可以根据自己的创意,创作千变万化的背景效果。
点位图 矢量图
位图和矢量图相结合 1、矢量图输出成为点位图,用点位图软件进行修饰。 可利用矢量图形绘画主要形象的轮廓,然后输出成为一幅点位图,然后利用Painter等等软件,上色修饰。一方面可以利用矢量图形容易编辑修改的优点,把形象绘画得细致完美,另一方面利用Painter可以把画面变得富有自然风格。 如图是一幅矢量图和点位图结合的作品。
2、在矢量图中插入点位图,点位图作为矢量图形的一个图形对象。 这中方法可以用Painter等等点位图工具制作漫画的气氛背景,然后再插入矢量图像中。
位图文件有多种格式,常见的文件扩展名为BMP、GIF、PCX、PSD、PCD、TIF、JPG等。WINDOWS自带的画笔是个很简单的位图制作软件,但功能太少。更常用的位图软件是PHOTOSHOP、PAINTSHOP、PHOTODRAW等,它们还能对图像进行特技效果处理。 矢量图文件的后缀常常是CDR、AI 或3DS,它们一般是直接用软件程序制作的,这些软件有CORELDRAW、3D Studio、Adobe Illustrator等。
本章小结 图像数字化过程 均匀采样与非均匀采样 线性量化与非线性量化 图像的灰度直方图( 定义、性质、用途)