02图像的数字化与显示

2.2 图像场取样
2.2.1 取样和量化的基本概念 图像的数字化包括取样和量化 两个过程 ： 取样 ：对空间连续坐标(x, y)的离散 化 量化 ：幅值f (x, y)的离散化 数字化图像所需的主要硬件 ： 采样孔、图像扫描机构 、光传感器 、 量化器 、输出存储体
（a）连续图像
（b）数字化结果
第2章 图像的数字化与显示
数字图像获取

图像获取过程
光
光源
对象物
A/D转 换单元
摄像单元
图像存 储单元
计算机
2.1 连续图像的数学描述
一幅图像可以被看作是空间各点光强 度的集合。对于二维图像而言，我们可 以简单地把光强度 I 看作是随空间坐标 （x, y）、光线波长 和时间t 变化的连 续函数，其数学表达式为：
色度也不一样。
刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使其产 生不同感觉的现象叫同时对比现象。这里包括亮
度对比和颜色对比。另外，在二个刺激相继出现
的场合，后续刺激的感觉受到先行刺激的影响，
这种现象叫相继对比。
1 图像信息中的视觉研究

视觉和图像处理的关系



对图像的认识或理解是由感觉和心理状态决定的，或者说， 与图像内容和观察者的心理因素有关。 画面组成和视觉心理有关。 视觉的时空频率分析。时间特性是指对光刺激的过渡反应特 性，如闪烁，运动等。空间特性是指对空间变化的信号的反 应。典型的特性是马赫效应和同时对比现象。 马赫效应是一种轮廓增强现象。一幅明暗图像，一边亮一边 暗，中间过渡是缓慢斜变的，当观看这样的图像时，视觉的 感觉是亮的一边更亮，暗的一边更暗，同时靠近暗的一边的 亮度比远离暗的一边要亮，而靠近亮的一边比远离亮的一边 显得更暗。
补充பைடு நூலகம்识：图像的其他特性
1 图像信息中的视觉研究


人的视觉系统是图像系统的最后终端。 人的直觉在选择一种技术是起到核心作 用。 人的视觉系统是一个结构复杂、性能优 越的图像系统。
1 图像信息中的视觉研究

视觉信息的产生、传递和处理




人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的 视觉中枢构成。 当眼球被适当地聚焦时，从眼睛外部物体来 的光在视网膜上成像。 成像的视觉信息由眼球经视神经传送到大脑 视区。 大脑的视觉中枢对视觉信息进行加工处理。
f (0, 0) f (1, 0) f ( x, y ) f ( M 1, 0) f (0,1) f (1,1) f (0, N 1) f (1, N 1) （2.4） f ( M 1, N 1)
f ( M 1,1)



光电转换器件噪声 摄像器件噪声 前置放大噪声 光学(介质)噪声
3 图像的噪声分析

噪声的模型：按噪声对信号的影响可分 为两类：


加法性噪声：输出信号是噪声和信号的叠加， 与信号无关。 乘法性噪声：输出是信号与受噪声影响的信 号的和。
3 图像的噪声分析

一些重要的噪声模型：

高斯噪声：
0 160 80 G 255 255 160 0 255 0
80 160 0 B 0 0 240 255 255 255
图像的R、G、B分解

（a）原图像
（b）R分量

（c）G分量
（d）B分量图
数字图像相关概念




矩阵中每一个元素称为像素(pixel)，其值 称为图像的灰度或亮度(intensity)，是离 散的。 矩阵的维数或大小称为图像的分辨率。 无论是灰度还是分辨率，量化时一般都 取2的整数幂。 一般地，彩色图像可以采用红(R)、绿(G)、 蓝(B)三个矩阵表示或混合表示。
这就是扬－赫姆霍尔兹(Young—Helmholtz)的
色觉三原色学说。
另一方面，也有对三原色假说持反对立场的人， 特别是扬－赫姆霍尔兹的三原色为红、绿、紫。 据经验，黄色用红色和绿色混合而成是难于理 解的。也就是说，用他的三原色假说不能说明 黄色的纯色性。提出这一反对论点的代表人物 是赫林(Hering)。
0 150 200 I 120 50 180 250 220 100
灰度图像描述示例
灰 度 级 对 图 像 质 量 的 影 响
3．彩色图像
彩色图像是指每个像素的信息由 RGB三原色构成的图像，其中RBG是 由不同的灰度级来描述的。
255 240 240 R 255 0 80 255 0 0
1 p( z ) e 2

( z )2
2 2
2 数字图像处理和光学图像处 理


图像是成像系统对物体反射和透射的反 应。 光学系统可以对图像进行处理。 傅里叶变换和滤波处理。
3 图像的噪声分析



噪声：妨碍人们感觉器官或系统传感器 对所接收的信源信息进行理解或分析的 各种因素。 噪声一般为不可预测的信号，只能用概 率统计的方法去认识。 通常用来描述噪声的特征量有均值、方 差、功率等。
光觉和色觉
眼睛对光的感觉称为光觉，对颜色的感觉称为色觉。 这是眼睛的基本特性。 1) 、光觉门限及亮度辨别门限
光觉门限：把产生光觉的最小亮度叫做光觉门限或光觉阈。 光觉门限是指产生光觉的最小值，而辨别门限是指辨别亮度 差别而必须的光强度差的最小值。
2) 、有关色觉的学说
自１７３０年牛顿成功地分解了太阳光谱以来，
形使我们感觉下边的一条线段较长；
(b)使我们看到斜线是错位的；
(c)中原本是二条平行的直线，可给我们的感觉却是二 根弯曲的线；
(d)本来是互相平行的三条线，可我们看到的却
是不平行的了；
(e)中左边和右边两图中央的圆是相同的，但我 们都觉得右边的要大。所有这些均是由错视造 成的。


就图像本身的客观性质而言，至今尚未 找到一个更加贴切的数学模型来表达图 像的内在实质。同时对于视觉器官以及 人的生理和心理特性的研究也远未穷尽。 在深入研究各种处理方法的同时，要对 图像信号的统计特性及视觉特性这一带 有根本性的理论问题给予充分的注意。

灰度图像:




索引图像



每个像素的值并不表示该像素真正的灰度值，而是表示对应 于色彩表中的索引号。 色彩表为预先设置好的RGB色彩。 通常用来表示256色的彩色图像。每个像素需要8bit表示。 图像的灰度为该点的R、G、B值，直接存放在图像灰度矩阵中。 一般每个像素需要用3×8＝24bit位来表示。 其色彩可为224 ，一般称为真彩图像。
形状感觉与错视 视觉系统所感觉到的物体的形状并不是简单的投 影到视网膜上的原封不动的形状。对形状的感觉 受到物体自身形状及周围背景的影响。这类影响
是多种多样的，有神经系统引起的错视现象也有
心理因素的作用。
视觉的心理因素
视觉的空间特性
视觉的空间特性
几个著名的几何学的错视图形的例子。
(a)本是两条相等的线段，由于两端加了不同方向的图
其中矩阵中的每个元素代表一个像素
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，那么存储这幅图像所需的位数是：
b M N k
如果图像是矩形？ 图像尺寸的增加，所需的存储空间？

2.2.2 二维采样 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。 采样时的注意点是：采样间隔的选取。 采样间隔取得不合适除了画面出现马赛克 之外，还会发生频率的混叠现象。
数字图像类型
几种基本数字图像类型：



二值图像 灰度图像 索引图像 RGB图像(真彩图像) 其他图像

二值图像:

图像的灰度级别仅有2个，即0和1。 通常用于文字图像。 每个像素只用1bit表示。 图像灰度通常有较大的取值范围，常用的为256级 ，即灰度值域为[0,255]。 0表示黑色，255表示白色，其他灰度为从黑到白的 变化情况。 每个像素所需的字节数根据其灰度的变化范围不同 二不同。256级灰度图像每个像素需用8bit表示。
I f ( x, y, , t )
如果只考虑光的能量而不考虑其波 长，则图像在视觉上表现为灰色影像，称 之为灰度图像 ：
I f ( x, y, t )
I 静止灰度图像 ： f ( x, y)
一般地，一个完整的图像处 理系统输入和显示的都是便于人眼观察 的连续图像（模拟图像）。为了便于数 字存储和计算机处理可以通过数模转换 （A/D）将连续图像变为数字图像 。
（4）按量化时处理的采样点数可以分 为标量量化和矢量量化。
1. 黑白图像 是指图像的每个像素只能是黑或者 白，没有中间的过渡，故又称为２值图 像。2值图像的像素值为0、1。
1 0 0 I 0 0 1 1 1 0
2.2 数字图像的描述 2．灰度图像
灰度图像是指每个像素的信息由 一个量化的灰度级来描述的图像，没 有彩色信息。

三原色假说和相对色假说考虑方法是对立的，
本世纪也有提倡一种折衷的假说，如LaddFranklindel发展假说，Hart-ridgedel多色 假说等等。最近采用物理手段研究生理学的方 法发展很迅速。
光度学及色度学原理
亮度和颜色是进入眼睛的可见光的强弱及波长成份
的一种感觉的属性。从某一入射光产生的亮度和颜 色的感觉无法测定，并且这种因人而异的感觉也不 能比较。既使对同一个人来说，由于观察条件不同 感觉也不一样。
分 辨 率 对 图 像 质 量 的 影 响
2.3 图像的量化
量化是使连续信号的幅度用有限级 的数码表示的过程 ，量化的准则不同， 会导致不同的量化效果。 从不同的角度将量化方法分成4类 ： （1）按量化级步长均匀性，可分为均匀量 化和非均匀量化。 （2）按量化对称性可分为对称量化和非对 称量化
（3）按量化时采样点相互间的相关性 分，量化器可以分为无记忆和有记忆 量化 。
亮度对比和颜色对比

一般情况，在相同亮度的刺激下，背景亮度不 同所感觉到的明暗程度也不同。图中的圆环的
亮度是一样的，但是，由于左右两边的背景不
同，看到的圆环两边的明暗程度也不一样，背 景暗会觉得圆环亮一些；背景亮会感觉圆环较 暗。在观察颜色的场合也一样，在图形的色度 一样，但背景颜色不一样时，感觉到的图形的
图2.1 图像的数字化过程
（c）像素
（d）灰度级
图2.1 图像的数字化过程
灰度图像描述示例
取样和量化的结果是一个矩阵。假 如一幅连续图像f (x, y)被取样，则产生的 数字图像有M行和N列。坐标(x, y)的值变 成离散值，通常对这些离散坐标采用整数 表示 ：
4行5列图像的坐标－》
图2.2
一幅行数为M、列数为N的图像大小为 M×N的矩阵形式为：

RGB图像


其他图像－还有图像的透明因子，每个像素需要32bit 来表示。
2.3 图像输入输出设备

2.3.1 图像输入设备 数字化器是将模拟图像转换成数 字图像的数字化输入装置。数字化输入 设备类型很多，常用的数字化器有
数码电视摄像机 数码相机 扫描仪等

2.3.2 图像输出设备 数字图像的显示是图像数字化的逆 过程（D/A） 。 在多媒体技术中，显示器和其他图 像输出设备（如打印机、胶片纪录仪、静 电绘图仪等）都可以看成为输出显示媒体。 显示器是典型的暂时显示设备（volatile display），而打印机等永久显示设备 （permanent display）
3 图像的噪声分析

噪声来源：


外部噪声：系统外部干扰，如天电干扰或电 磁波。 内部噪声：

光电的基本性质所引起的：如电子随机运动。 机械运动产生：容易电流不稳。 元器件噪声：如光学底片的颗粒噪声。 系统内部设备电路噪声：如CRT偏转电路二次发射电 子等。
3 图像的噪声分析

图像系统常见噪声：
认为光的波动经过神经传到大脑，由于波长不同而
产生不同颜色感觉的这一假说至今还在提倡。
Young (1801)认为颜色不是光的物理性质而是 一种感觉现象。后来赫姆霍尔兹(Helmholtz)
发展了这种假说，认为视网膜有三种色细胞，
由于光学反应引起三种视神经纤维的兴奋，由
此又引起大脑三种神经细胞兴奋而产生色觉。