第三章-图像数字化
图像数字化的流程的三个步骤
图像数字化的流程的三个步骤Digitalization of images involves a series of steps to convert physical photographs or documents into digital format. The three main steps in the process are scanning, digitizing, and storage. First, the physical image is scanned using a digital scanner to create a digital copy. This involves using a light source, sensors, and optical elements to capture the image and convert it into digital data.图像数字化涉及一系列步骤，将实体照片或文档转换为数字格式。
该过程的三个主要步骤是扫描、数字化和存储。
首先，使用数字扫描仪扫描物理图像，以创建数字副本。
这涉及使用光源、传感器和光学元件来捕捉图像并将其转换为数字数据。
The next step in the image digitization process is digitizing, which involves the conversion of the scanned image into a digital file format such as JPEG, PNG, or TIFF. This process typically involves using software to enhance the image quality, adjust the color balance, and remove any imperfections introduced during the scanning process.图像数字化过程的下一步是数字化，涉及将扫描的图像转换为数字文件格式，如JPEG、PNG或TIFF。
图像数字化
图像数字化图像数字化是指将现实世界中的图像转换为数字形式的过程。
随着数字技术的发展，图像数字化已经在各个领域得到广泛应用。
本文将从图像数字化的定义、原理、应用及发展趋势等方面展开讨论。
一、图像数字化的定义在传统的摄影或绘画中，图像以物理形式存在，由各种颜色、形状、纹理等元素组成。
而图像数字化则将这些元素转化为数字信号，存储在计算机或其他数字设备中。
通过数字化，图像可以经过处理、分析、传输等一系列操作，为用户提供更多的功能和便利。
二、图像数字化的原理图像数字化的原理主要包括采样、量化和编码三个步骤。
首先，通过采样将连续的图像信号转换为离散的样本点；然后，通过量化将每个样本点的亮度值转换为数字信号；最后，通过编码将数字信号进行压缩和存储。
三、图像数字化的应用图像数字化的应用广泛涉及到图像处理、医学影像、虚拟现实、数字媒体等领域。
在图像处理中，数字化技术可以对图像进行增强、滤波、分割等操作，提高图像质量和分析效率。
在医学影像中，数字化使得医生可以更精确地观察病变部位，提高诊断水平。
在虚拟现实领域，数字化技术可以模拟出逼真的虚拟环境，给用户身临其境般的体验。
四、图像数字化的发展趋势随着计算机技术、人工智能等领域的飞速发展，图像数字化的应用也将不断拓展和深化。
未来，图像数字化可能会更注重图像质量的保真度和高清晰度，具有更强的实时性和交互性，同时也会更加便捷和智能化。
五、结语图像数字化作为数字技术的一项重要应用，正在深刻改变我们的生活和工作方式。
通过对图像数字化的理解和应用，我们可以更好地利用数字技术的力量，为社会发展和人类生活带来更多的可能性。
图像数字化的未来将更加丰富多彩，我们期待着它带来的更多惊喜和创新。
图像数字化
图像数字化是计算机图像处理之前的基本步骤，目的是把真实的图像转变成计算机能够接受的存储格式。
数字化过程分为采样与量化处理两个步骤，采样的实质就是要用多少点来描述一张图像，比如，一幅640×480的图像，就表示这幅图像是由307200个点所组成。
量化是指要使用多大范围的数值，来表示图像采样之后的每一个点。
这个数值范围包括了图像上所能使用的颜色总数，例如，以4个bits存储一个点，就表示图像只能有16种颜色，数值范围越大，表示图像可以拥有越多的颜色，自然可以产生更为细致的图像效果。
量化的结果是图像能够容纳的颜色总数。
两者的基本问题都是视觉效果与存储空间的取舍问题。
一个图像是如何数字化的呢？不妨从一张玩具鸭子图片说起。
首先要把图片打格子分成若干小块，每块用一个数字来表示一种颜色。
如果图像是纯黑白两色的，那每块只用1或0表示即可。
若图像是16色的，每块用4位二进数表示，因为2^4=16，即4位二进制有16种组合，每种组合表示一种颜色就行了。
真彩色位图的每个小块，都是由不同等级的红绿蓝三种色彩组合的，如图所示，每种颜色有2^8个等级，所以共有2^24种颜色，因此每小块需要24位二进制数来表示。
可见，数字图像越艳丽，则需要记录的二进制数就越多越长。
除此之外，打的格子越密，则一副图的总数据量就越大，此例中鸭子图片分成了11×14=154块，按真彩色位图来计算，则总数据量为154×24=3696比特。
这些小格子显然是太大了，不能表现图片的细节，实际中的格子要密得多，例如1024×768，这是大家都熟悉的显示分辩率。
看这张滑雪图，人体的色彩变化比较大，而天空和雪的色彩却非常单调，可以想象，代表每个小格颜色的数值也应该非常接近，图右下的原始数据是8个相邻格子的色彩数据，由于两个相邻格子的数据差异很小，所以可以用第一个格式数据当作第二个格子数据的预测值，经实际测量后，把真实值与预测值的差值求出来，并用这个差值来表示第二个格子的色彩。
天津理工大学《数字图像处理》数字图像处理复习题 2
第一章引言一.填空题1. 数字图像是用一个数字阵列来表示的图像。
数字阵列中的每个数字，表示数字图像的一个最小单位，称为像素2. 数字图像处理可以理解为两个方面的操作：一是从图像到图像的处理，如图像增强等；二是从图像到非图像的一种表示，如图像测量等。
5. 数字图像处理包含很多方面的研究内容。
其中，图像重建的目的是根据二维平面图像数据构造出三维物体的图像。
二.简答题1. 数字图像处理的主要研究内容包含很多方面，请列出并简述其中的4种。
①图像数字化：将一幅图像以数字的形式表示。
主要包括采样和量化两个过程。
②图像增强：将一幅图像中的有用信息进行增强，同时对其无用信息进行抑制，提高图像的可观察性。
③图像的几何变换：改变图像的大小或形状。
④图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。
如傅利叶变换等。
⑤图像识别与理解：通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述后，将其所期望获得的目标物进行提取，并且对所提取的目标物进行一定的定量分析。
2. 什么是图像识别与理解？图像识别与理解是指通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述后，将其所期望获得的目标物进行提取，并且对所提取的目标物进行一定的定量分析。
比如要从一幅照片上确定是否包含某个犯罪分子的人脸信息，就需要先将照片上的人脸检测出来，进而将检测出来的人脸区域进行分析，确定其是否是该犯罪分子。
5. 简述图像几何变换与图像变换的区别。
①图像的几何变换：改变图像的大小或形状。
比如图像的平移、旋转、放大、缩小等，这些方法在图像配准中使用较多。
②图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。
比如傅里叶变换、小波变换等。
第二章图像的基本概念一.填空题1. 量化可以分为均匀量化和非均匀量化两大类。
2. 采样频率是指一秒钟内的采样次数。
3. 图像因其表现方式的不同，可以分为连续图像和离散图像两大类。
3.5. 对应于不同的场景内容，一般数字图像可以分为二值图像、灰度图像和彩色图像三类。
数字图像处理数字图像与视频处理技术.
通过本章的学习，要求掌握多媒体技术中有关 图像、视频数字化的基本概念、方法、技术与应用 等知识。
*
教学内容
1 基本概念 2 数字图像数据的获取与表示 3 图像的基本属性 4 图像处理软件Photoshop 应用举
例
5 视频的基本知识
9/ 12/ 2019
3
教学内容
6 视频的数字化 7 数字视频标准 8 视频信息的压缩编码 9 Windows 中的视频播放软件 10 数字视频的应用9/Fra bibliotek12/ 2019
11
3.2 数字图像数据的获取与表示
3.2.2 数字图像的表示
9/ 12/ 2019
图3.2 彩 色 图 像 的 表 示
红色 分量
绿色 分量
蓝色 分量
12
3.3 图像的基本属性
3.3.1 分辨率
分辨率有两种：显示分辨率和图像分辨率。 1. 显示分辨率 它是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显 示分辨率为840×480表示显示屏分成480行，每行显 示840个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。 屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备的分辨率 越高，显示的图像质量也就越高。
9/ 12/ 2019
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3.4 图像处理软件Photoshop 应用举例
3.4.1 图像处理软件Photoshop简介
2、 PhotoShop运行在Windows图形操作环境中，可支 持TIF、TGA、PCX、GIF、BMP、PSD、JPEG等各种
流行的图像文件格式。 3、 PhotoShop能方便地与如文字处理，图形应用，桌 面印刷等软件或程序交换图像数据。 4、PhotoShop支持的图像类型除常见的黑白、灰度、 索引16色、索引256色和RGB真彩色图像外，还支持 CMYK、HSB以及HSV模式的彩色图像。
图像数字化
1、图像数字化的过程有些什么内容，具体是如何实现的?图像数字化：是将一幅图像从其原来的形式转换为数字形式的处理过程。
要在计算机中处理图像，必须先把真实的图像（照片、画报、图书、图纸等）通过数字化转变成计算机能够接受的显示和存储格式，然后再用计算机进行分析处理。
图像的数字化过程主要分采样、量化与编码三个步骤。
[2]○1、采样：是的在一幅图像每个像素位置上测量灰度值。
图像采样采样的实质就是要用多少点来描述一幅图像，采样结果质量的高低就是用前面所说的图像分辨率来衡量。
简单来讲，对二维空间上连续的图像在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，所形成的微小方格称为像素点。
一副图像就被采样成有限个像素点构成的集合。
例如：一副640*480分辨率的图像，表示这幅图像是由640*480=307200个像素点组成。
如图“图像采样”所示，左图是要采样的物体，右图是采样后的图像，每个小格即为一个像素点。
采样频率是指一秒钟内采样的次数，它反映了采样点之间的间隔大小。
采样频率越高，得到的图像样本越逼真，图像的质量越高，但要求的存储量也越大。
在进行采样时，采样点间隔大小的选取很重要，它决定了采样后的图像能真实地反映原图像的程度。
一般来说，原图像中的画面越复杂，色彩越丰富，则采样间隔应越小。
由于二维图像的采样是一维的推广，根据信号的采样定理，要从取样样本中精确地复原图像，可得到图像采样的奈奎斯特（Nyquist）定理：图像采样的频率必须大于或等于源图像最高频率分量的两倍。
[2]○2．量化量化是指要使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点。
量化的结果是图像能够容纳的颜色总数，它反映了采样的质量。
例如：如果以4位存储一个点，就表示图像只能有16种颜色；若采用16位存储一个点，则有216=65536种颜色。
所以，量化位数越来越大，表示图像可以拥有更多的颜色，自然可以产生更为细致的图像效果。
但是，也会占用更大的存储空间。
两者的基本问题都是视觉效果和存储空间的取舍。
图像数字化
图像数字化图像数字化是一种将传统的模拟图像转换为数字形式的过程。
随着科技的飞速发展，图像数字化在各个领域得到了广泛应用，包括医学影像、数字艺术、遥感、安防监控等领域。
本文将探讨图像数字化的原理、方法以及在不同领域中的应用。
原理介绍图像数字化的原理主要涉及到采样、量化和编码三个步骤。
首先，图像在水平和垂直方向上进行采样，将连续的模拟信号离散化为一系列的采样点。
然后，对这些采样点进行量化处理，将其转换为数字信号。
最后，将数字信号编码为计算机可识别的形式，如二进制码流，以便存储和处理。
方法分类图像数字化的方法可以分为扫描式和传感器式两种。
扫描式的数字化方法是通过扫描器扫描传统的纸质图像或照片，将其转换为数字形式。
而传感器式的数字化方法则是通过数字相机等设备直接获取图像，不需要中间的扫描步骤。
在数字化过程中，常用的格式包括位图（Bitmap）、矢量图（Vector）和栅格图（Raster）。
不同的格式适用于不同的应用场景，如位图适用于照片和复杂图像，矢量图适用于图形和文档扫描，栅格图适用于动画和游戏制作。
应用领域解析医学影像在医学影像领域，图像数字化技术的应用已经成为临床诊断和治疗的重要手段。
医学影像数字化后可以方便存储和传输，以及进行数字图像处理和分析，有助于医生更准确地判断病情和制定治疗方案。
数字艺术数字艺术是指利用计算机和数字技术创作的艺术作品，其中图像数字化技术扮演着重要角色。
数字艺术家可以利用各种软件对图像进行处理和编辑，创作出各种形式的作品，如数字画作、动画和虚拟现实作品。
遥感遥感是利用航空器、卫星等远距离传感器对地球表面信息进行感知的技术。
图像数字化在遥感领域的应用可以用于地图绘制、资源调查、环境监测等方面，有助于实现精准农业、城市规划等应用。
安防监控在安防监控领域，图像数字化技术可以帮助监控中心对视频图像进行实时监测和录制。
数字化的监控系统可以实现智能识别、追踪等功能，有助于提高监控效率和准确性。
图像的数字化
图像的数字化图像数字化是进行数字图像处理的前提。
图像数字化必须以图像的电子化作为基础，把模拟图像转变成电子信号,随后才将其转换成数字图像信号。
作为图像信息采集技术，扫描技术已非常成熟，而数字摄影技术的迅速发展，使其成为日益重要的数字图像采集手段。
数字图像和数字图像：1.模拟图像：空间上连续/不分割、信号值不分等级的图像。
2.数字图像：空间上被分割成离散像素，信号值分为有限个等级、用数码0和1表示的图像。
图像的模拟/数字转换：1.含义：将模拟图像信号转换为数字图像信号的过程和技术。
2.过程：模拟/数字转换(A/D)分为三步，模拟信号采样、量化、编码。
3.采样：按照某种时间间隔或空间间隔，采集模拟信号的过程(空间离散化)。
4.量化：将采集到的模拟信号归到有限个信号等级上(信号值等级有限化)。
!注释*采样后的信号虽然空间离散化了，但信号值仍有无限多种；*量化后，信号值归于有限种。
*编码有各种不同方案，尽管数码都是二进制0/1。
*采样频率20次/英寸和200次/英寸的图像细节，如下图1；*量化位数8位和3位的层次状况，如下图2。
5.编码：将量化的离散信号转换成用二进制数码0/1表示的形式。
6.采样频率：单位时间或单位长度内的采样次数，表示为：单位：赫兹、像素/英寸(或：像素/厘米)。
采样空间频率决定了图像分辨率。
7.量化位数：模拟信号值划分的等级数。
一般按二进制位数衡量。
量化位数决定了图像阶调层次级数的多少。
采样定理：如果在信号包含的有效频谱成分中，最高频率为f MAX，则：对信号进行采样时，采样频率必须大于原始信号最高频率2倍，才能用采样获取的离散信号还原原始信号。
(f N = 2f MAX称为Nyquist 频率)图1图2 数字照相机图像采集技术数字照相机的研制始于二十世纪八十年代中后期。
进入二十一世纪后，数字照相机技术迅速发展，数字照相机作为一种重要的图像采集手段广泛普及。
数字照相机的类型：1.按结构特点：单镜头反光型/紧凑型；2.按感光器件：CCD型/CMOS型；3.按等级：入门级/准专业级/专业级。
图形图像数字化表示
对治疗后的医学影像进行分析，评估治疗 效果和病情变化。
遥感图像处理
01
遥感数据预处理
对遥感图像进行辐射校正、几何校 正等操作，提高数据质量。
变化检测
比较不同时相的遥感图像，检测地 物变化情况。
03
02
地物分类
利用遥感图像处理技术，对地物进 行分类和识别。
三维重建
利用多角度的遥感数据，重建地物 的三维模型。
数字图像的存储与传
01
02
03
压缩技术
采用压缩算法减少图像数 据量，便于存储和传输。
存储介质
数字图像可以存储在硬盘、 光盘、闪存盘等介质中。
网络传输
通过互联网或局域网传输 数字图像，实现远程共享 和访问。
03 图形图像数字化的应用领 域
计算机视觉
目标检测
利用图像处理和机器学习技术 ，自动检测图像中的物体，如
高性能计算与存储
分布式计算
利用高性能计算集群进行图形图像数 据的处理和分析，提高计算效率和响 应速度。
存储优化
数据压缩
采用先进的数据压缩算法，对图形图 像数据进行压缩，减少存储空间占用 和传输带宽需求。
采用分布式存储和缓存技术，对图形 图像数据进行高效存储和快速访问。
人工智能在图形图像数字化中的应用
特点
数字化后的图形图像具有可编辑 、可复制、可传输、可存储等优 点，能够方便地进行处理、传输 和展示。
图形图像数字化的重要性
提高处理效率
数字化后的图形图像可以通过计 算机软件进行高效的处理，如编 辑、修改、合成等，提高了工作
效率。
方便传输与分享
数字化后的图形图像可以通过互联 网进行传输，方便异地合作和分享。
图像数字化的原理及应用
图像数字化的原理及应用前言随着科技的不断发展，数字技术在各个领域都得到了广泛应用。
其中，图像数字化技术在图像处理、计算机视觉和人工智能等领域起到了重要作用。
本文将介绍图像数字化的原理及应用。
什么是图像数字化？图像数字化是将连续的图像信号转换为离散的数字信号的过程。
通过采样和量化技术，将图像转换为数字形式，使其可以在计算机中存储、处理和传输。
图像数字化的主要目的是提高图像的处理效率和质量，同时方便图像在不同设备之间的互相传输和共享。
图像数字化的原理图像数字化主要包括采样、量化和编码三个主要过程。
1. 采样采样是将连续的图像信号转换为离散的采样点的过程。
通过在图像上选择一系列均匀间距的采样点来表示图像的空间分辨率。
采样的间距决定了图像的清晰度和细节。
常见的采样方法有最近邻采样、双线性插值和三次样条插值等。
2. 量化量化是将采样得到的连续信号转换为离散的信号的过程。
通过将连续的灰度级或色彩空间映射为有限数量的离散级别，将图像的亮度和颜色信息转换为数字形式。
常见的量化方法有均匀量化和非均匀量化等。
3. 编码编码是将量化后的离散信号通过编码算法转换为数字形式的过程。
通过编码算法来减少存储和传输所需的数据量。
常见的编码算法有哈夫曼编码、熵编码和算术编码等。
图像数字化的应用图像数字化的应用范围非常广泛，涉及到多个领域和行业。
以下是图像数字化在几个主要领域的应用举例：1. 医学影像在医学领域，图像数字化技术被广泛应用于医学影像的获取、存储和分析。
通过将医学图像数字化，可以方便医生进行疾病的诊断和治疗。
同时，数字化的医学影像可以通过网络进行传输和共享，提高了医疗资源的利用效率。
2. 智能安防图像数字化技术在智能安防领域发挥着重要作用。
通过将监控摄像头拍摄到的图像进行数字化处理，可以实现人脸识别、行人检测等功能，提高安防系统的智能化水平。
同时，数字化的监控图像可以进行存储和分析，帮助犯罪调查和预防。
3. 虚拟现实在虚拟现实领域，图像数字化技术可以将现实世界的图像转换为虚拟环境中的图像，实现沉浸式的虚拟体验。
图像数字化
第二章2.3图像数字化图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式——数字图像的过程。
就是把一幅图画分割成如图的一个个小区域（像元或像素），并将各小区域灰度用整数来表示，形成一幅点阵式的数字图像。
它包括采样和量化两个过程。
像素的属性=（位置，灰度/颜色）2.3.1数字图像的表示2.3.2图像数字化过程2.3.3采样、量化参数与数字化图像间的关系2.3.4图像数字化设备2.3.1数字图像的表示数字图像用矩阵来描述：以一幅数字图像F 左上角像素中心为坐标原点，一幅m ×n 的数字图像用矩阵表示为：数字图像根据灰度级数的差异可分为：黑白图像、灰度图像和彩色图像⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡------=)1,1()1,1()0,1()1,1()1,1()0,1()1,0()1,0()0,0(n m f m f m f n f f f n f f f F⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=011100001I2.3.2图像数字化过程①采样：将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样。
采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。
采样间隔：当对图像进行实际的抽样时，怎样选择各抽样点的间隔是个非常重要的问题。
图像包含何种程度的细微的深淡变化，取决于希望实际反映图像的程度(还原度)。
采样孔径：②量化：将像素灰度转换成离散的整数值的过程。
一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级，用G表示。
一般数字图像灰度级数G为2的整数幂，即G=2g，g为量化bit数。
若一幅数字图像的量化灰度级数G=256=28级，灰度值范围0-255，常称为8bit量化。
图像数据量：一幅M×N、灰度级数为G的图像所需的存储空间M×N×g（bit）为图像数据量。
2.3.3采样、量化参数与数字化图像间的关系数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、量化。
所谓“均匀”，指的是采样、量化为等间隔方式。
图像数字化一般采用均匀采样和均匀量化方式。
第三章 图像数字化(分析“图像”文档)共90张PPT
计算机获取数码相机图像的方法:
1. 使用通用软件如Photoshop 2. 应用软件直接调用数码相机制
造商提供的驱动程序
三、 扫描仪
扫描仪是一种具有高分辨率的图像输入设备。
有手持式和平板式扫描仪之分 。
扫描仪的主要技术指标：
1. 分辨率
2. 彩色与灰度bit位
3. 微机接口方式
4. 最大扫描幅度等
场频，每秒扫描多少帧称帧频。
根据人视觉特性，人眼的平均分辨率1′（最小视 角），对画面的最佳观察角度为10°，因此使人眼最不 易疲劳的电视最佳行数N应为
N=最佳观察角度/最小视角=10°/1′=600
同步：要求接收端的行、场扫描频率和发送端的 一样，同时行、场扫描信号的相位也保持一致，做到同 频同相，这就叫同步。
1. NTSC制
2. PAL制
3. SECAM制 NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式
为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此 彩色电视系统应满足下列几方面的要求：
(1)必须采用与黑白电视相同的一些基本参数
(2)需要将摄像机输出的三基色信号转换成一 个亮度信号，以及代表色度的两个色差信 号，并将它们组合成一个彩色全电视信号
三、图像数字化标准
（一）彩色空间之间的转换 在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两个彩色
空间之间的转换关系用下式表示：
Y 0.299 0.587 0.114R 0 Cr 0.5000.41870.081G 3128(3-1) Cb 0.16870.33130.500B 128
（二）采样频率
fs=525×29.97× N=15 734×N=13．5MHZ，
N=858
其中，N为每一扫描行上的采样数目。
第03章 图像的数字化与显示
存储(cún chǔ)这幅图像所需的位数是：
b = M·N·G = 2m+n+k
（2.2a）
如果图像是正方形？
图像尺寸的增加，所需的存储空间？
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3.1.4 二维采样 定理 (cǎi yànɡ)
图像在取样时，必须满足二维采样定理，确保无失真或有限失 真地恢复原图像 。
对测试图像进行 适当裁剪并显示
K = I(2*W:S(1)-W,2*W:S(2)-5*W) ; imshow(K);
处理后的图像。
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3.1.2 数字图像的数据量
假定图像尺寸为M、N，每个像素所具有的离散灰度级 数为G
这些量分别取为2的整数幂m，n，k，即M=2m，N=2n，G=2k
特别是CCD摄像机采用CCD器件替代摄像管实 行光电转换、电荷存储与电荷转移。
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CCD摄像机
VLSI产品，由于体积小、重量轻、寿命长、成像速度 快、成本低、灵敏度高、图像无几何失真，已成为视 频信号的常用输入设备。
拍摄的图像质量与CCD的数量(shùliàng)、CCD的感光面积、
灰度图像和彩色图像的描述方法(fāngfǎ)。 重点讨论灰度静止图像。 数字图像的获取方法，重点讲解图像的采样与量化。 量化方法分标量量化和向量量化。
图像的输入/输出设备。
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3.1 图像数字化的基本(jīběn)过程
3.1.1 图像的取样和量化 数字化包括取样和量化两个过程 ：
f
(x,
y)＝
m
n
f
(mx,
图像数字化原理的应用
图像数字化原理的应用1. 概述图像数字化是将连续的图像信号转换为离散的数字信号的过程。
在数字化图像领域，图像数字化原理是一种基础且重要的理论。
本文将介绍图像数字化的原理，并探讨其在实际应用中的一些案例。
2. 图像数字化原理图像数字化原理是通过将连续的图像信号进行采样和量化，将其转换为离散的数字信号。
2.1 采样采样是将连续的信号在一定的时间间隔内进行测量并记录。
在图像数字化中，采样表示将图像中的像素点进行测量和记录。
2.2 量化量化是将采样得到的连续信号的振幅值转换为有限数量的离散数值的过程。
在图像数字化中，量化表示将图像中每个像素点的亮度值转换为离散的数字。
3. 图像数字化的应用3.1 数字图像处理数字图像处理是利用计算机对数字图像进行处理和分析的技术。
图像数字化原理在数字图像处理中起着关键作用。
通过图像数字化过程，可以获得经过采样和量化的图像信号，并进一步对图像进行处理、增强和分析。
3.1.1 图像滤波图像滤波是一种常用的数字图像处理技术，通过对图像进行滤波操作，可以增强图像的细节、降低噪声，并改善图像的质量。
图像数字化原理提供了对图像进行滤波处理的基础。
3.1.2 图像分割图像分割是将图像划分为不同的区域或对象的过程。
通过图像数字化原理，可以将图像转换为离散的像素点，并利用图像分割算法对图像进行分割，进而实现对图像中不同区域或对象的提取和识别。
3.2 数字图像传输和存储图像数字化原理在数字图像传输和存储中也起着重要作用。
3.2.1 图像传输通过图像数字化原理，可以将图像转换为数字信号进行传输。
数字信号具有抗干扰能力强、传输质量可靠的特点，因此图像传输常采用数字信号进行，保证图像传输的稳定和高质量。
3.2.2 图像存储图像数字化原理将图像转换为数字信号后，可以通过计算机进行存储。
数字图像可以使用各种存储介质进行存储，如硬盘、光盘、闪存等。
数字化的图像存储方式灵活、方便，并且可长期保存。
4. 总结图像数字化原理是图像数字化的基本理论，它对数字图像处理、传输和存储有着重要的影响。
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根据人视觉特性，人眼的平均分辨率1′（最 小视角），对画面的最佳观察角度为10°，因此 使人眼最不易疲劳的电视最佳行数N应为 N=最佳观察角度/最小视角=10°/1′=600
同步：要求接收端的行、场扫描频率和发送端的 一样，同时行、场扫描信号的相位也保持一致， 做到同频同相，这就叫同步。
扫描分为水平扫描和垂直扫描，水平方向的 扫描同步称为水平同步，也称为行同步，垂直方 向的扫描同步称为垂直同步，也称为场同步，两 种同步混合在一起称为复合同步
CCD电荷耦合器件是2 0世纪7 0年代初发展 起来的半导体器件，这种器件的突出特点是以电 荷作为信号 。 构成CCD的基本单元是MOS（金属一氧气物 一半导体）结构。 CCD的基本功能是电荷的产生、存储和电荷 的转移。
CCD的电荷注入方法基本有两类： 1. 光注入， 2. 电注入
电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCD， 又简称为ICCD，其光敏单元为光注入方式。
在电视扫描中有行正程、行逆程、场正程、场逆程 图为黑白全电视信号的一个行周期信号。
一个场周期的黑白全电视信号
二、电视制式
目前世界上现行的彩色电视制式有三种(不包 括高清晰度彩色电视HDTV) ： 1. NTSC制 2. PAL制 3. SECAM制
NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式
其中Y为亮度信号，U、V为色差信号，Y、 U、V和三基色RGB的关系为 :
Y 0.3R 0.59G 0.11B U 0.493( B Y ) V 0.877( R Y )
彩色全电视信号可表示为:
CVBS Y U sin SC t V cos SC t
(3-1)
（二）采样频率 CCIR为NTSC制、PAL制和 SECAM制规定了 共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于 远程图像通信中的电视图像信号采样。
对PAL制、SECAM制，采样频率fs为 fs= 625×25×N= 15 625×N=13．5MHz N ＝ 864 其中，N为每一扫描行上的采样数目。 对NTSC制，采样频率为 fs=525×29.97× N=15 734×N=13．5MHZ， N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。
其中ωSC为彩色副载波频率。
为了色同步在信号的消隐期间加载色同步信 号，其如图示。
在PAL电视制中: 1. 一帧图像的总行数为625，分两场扫描。 2. 行扫描频率是15 625 HZ，周期为64μs； 3. 场扫描频率是50Hz，周期为20ms； 4. 帧频是25Hz，是场颇的一半，周期为40ms。
彩色视频图像数字化与黑白视频图像数字化 有所不同，有两种数字化方法： 1. 将一个复合的彩色视频信号分解成RGB信 号或YUV信号，然后对它们进行采样、量化。
2. 用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进 行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得 RGB、YUV或YCbCr分量数据 。
彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采 样方法: 1. 使用相同的采样频率对图像的亮度信号和 色差信号进行采样 2. 另一种是对亮度信号和色差信号分别采用 不同的采样频率进行采样
如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信 号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采 样（subsampling） 其特点为： 1.人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号 的敏感程度低，利用这个特性可以把图像 中表达颜色的信号去掉一些而使人察觉不出 2.人眼对图像细节的分辨能力有一定的限 度，利用这个特性可以把图像中的高频信 号去掉而使人不易察觉
SECAM（法文： Sequential Coleur Avec Memoirs）制式是法国开发的一种彩色电视广播 标准，称为顺序传送和存储彩色电视。这种制式 与PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号是 频率调制（FM），它的两个色差信号：红色差 （R’－Y’）和蓝色差（B’－Y’）是按行的顺序传输 的。
采样频率和同步信号之间的关系如图
在电视信号采样中， Δ y 的间距以行距为准。为 了适应人们眼睛的特点，电视的宽高比和电影 一样为4：3，PAL制标准一帧图像为625行，其 中 50 行为奇偶两场的消隐，正程显示行为 625 － 50 ＝ 575 行，为了等距采样，每一行的采样 点数N为 N=575×4/3≈767 根据 PAL － D 制标准 , 行周期为 64μ s, 行消隐为 11.8μ s, 行正程 52.2μ s,那么 Δ x 的时间间隔 T0应为 T0＝52.2μ s/767≈68ns
第三章 图像数字化
第一节 电视信号基础
一、成像与显像方式
电视成像与图像显示的方式与人的视觉特性 密切相关的。 在人们观察电视图像时，由于荧光屏的余辉 作用以及人眼的视觉滞后和视觉暂留的影响，利 用该特性，人们就可以看到连续的图像。
黑白电视信号: 在光导管摄像机里，通过光学系统将要拍摄 的图像成像在光电靶上，然后利用电子束从左到 右、从上到下依次轰击靶面上各点，根据被轰击 点的明暗程度，转变成强弱不同的视频信号。电 子束的依次轰击作用称为扫描。
二、数码相机
数码相机的特点在于数字图像处理技术，图 给出了典型的数字静止相机框图。 数码相机所使用的成像芯片有CCD和CMOS 两种。
数码相机图像的质量不仅仅取决于 CCD的分 辨率，诸如镜头质量、图像处理算法的优劣等因 素都对其图像的质量产生重大影响。 数码相机输出的图像是数字的，最大的优点 在于可利用计算机进行各种图像处理，且拍摄图 像的清晰度高。
由于图像采样属于二维采样，其采样频率的 具体确定还与采样方式有关。图为二维采样方式 的示意图。
用多少个量化级来量化一幅图像将取决以下2 个方面因素： （1）要考虑整个图像系统的噪声大小 （2）从图像的应用角度来考虑，如果图像 是用来进行某种测量目的，则可根据 系统测量精度的要求
二、 彩色视频图像数字化
为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因 此彩色电视系统应满足下列几方面的要求： (1)必须采用与黑白电视相同的一些基本参数 (2)需要将摄像机输出的三基色信号转换成一 个亮度信号，以及代表色度的两个色差信 号，并将它们组合成一个彩色全电视信号 进行传送。
PAL电视制的主要扫描特性是： （1）625行（扫描线）／帧，25帧／秒（40ms／帧） （2）电视画面的宽高比：4：3 （3）隔行扫描，2场／帧，312.5行／场 （4）颜色模型：YUV
于是采样频率fs为 fs＝1/ T0≈14.67 MHz 实际最终选择采样频率为14.625 MHz。该频率经 过 936 分频正好是行频 15625Hz ，再则 936 是偶 数，14.625 MHz能形成半行频。满足了三方面 的要求。 这时Δ x：Δ y≈1.01：1,接近1：1。 在实际 中行上的采样点不是767，而是取768点。
CCD彩色摄像机主要组成部分: 1. 光学系统 2. 定时系统 3. CCD驱动电路 4. 信号处理 5. 校正电路 CCD彩色摄像机可分:1. 三片式 2. 二片式 3. 单片式
三片式彩色CCD摄像机结构框图
单片式彩色CCD摄像机的结构框图
单片式彩色CCD摄像机只有一个面阵CCD， 在CCD前面不是分光棱镜，而是彩色滤色阵列 （Color Filter Array ,CFA）,结构如图。
NTSC彩色电视制的主要特性是：
（1）525行／帧， 30帧／秒 （2）电视画面的高宽比：电视画面的长宽比（电视为4：3； 高清晰度电视为16：9） （3）隔行扫描，一帧分成2场（field），262.5线／场 （4）在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此 只有485条线的可视数据 （5）每行63.5μs，水平回扫时间10μs（包含5μs的水平同步 脉冲），所以显示时间是53．5μs （6）颜色模型：YIQ
目前使用的子采样格式有如下几种：
(1) 4：4：4采样方式
(2) 4：2：2采样方式 (3) 4：1：1采样方式 (4) 4：2：0采样方式
4：4：4子采样格式
4：1：1子采样格式
4：2：2子采样格式
4：2：0子采样格式
三、图像数字化标准
（一）彩色空间之间的转换 在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两个 彩色空间之间的转换关系用下式表示：
计算机获取数码相机图像的方法: 1. 使用通用软件如Photoshop 2. 应用软件直接调用数码相机制 造商提供的驱动程序
三、 扫描仪
扫描仪是一种具有高分辨率的图像输入设备。 有手持式和平板式扫描仪之分 。
扫描仪的主要技术指标： 1. 分辨率 2. 彩色与灰度bit位 3. 微机接口方式 4. 最大扫描幅度等
在彩色电视中，使用Y，C1，C2有两个重要优点：
（1）Y和Cபைடு நூலகம்，C2是独立的 （2）可以利用人的视觉特性来节省信号 的带宽和功率
彩色电视信号的类型有
（1）复合电视信号（composite video signal）：包 含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号， 又称为全电视信号。 （ 2 ）分量电视信号（ component video signal ）： 是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基色既 可以分别用R，G和B，也可以用亮度一色差表示，使用 分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽 的带宽和同步信号。 (3)S-Video信号: 分离电视信号 (Separated video－VHS）是亮度和色差分离的一种电视信号，是 分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方 案。
第三节 图像数字化
一、黑白视频图像数字化
视频信号的预处理包括: 1. 放大，2. 箝位
A/D有三个方面的考虑： （1）采样频率 （2）采样方式 （3）量化级数
采样频率： 根据奈奎斯特准则，采样频率必须大于或 等于被采信号的最大频率的2倍，这样被采 样的信号能保留连续信号的全部信息，也 能由采样信号恢复出连续信号。对于PAL标 准的黑白图像视频带宽为6MHz,那么采样频 率应不低于12 MHz。