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)