02.1 数字图像基础1

第三节. 图象的数字化
一、数字化(digitizing-scanning/sampling and quantization) -- 将模拟图像经过离散化之后，得到用数字表示的图像
O
y
x
z f ( x, y), x [0, a], y [0, b], z [0, c]
采样 量化 编码
般， 图像中细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样定理，
若一维信号g(t)的最大频率为ω， 以T≤1/2ω为间隔进行采样，则 能够根据采样结果g(iT) (i=…, -1, 0, 1， …)完全恢复g(t)， 即
g (t )
式中
i
g (iT )s(t iT )

sin( 2t ) s (t ) 2t
y t x
一维信号 电压
二维信号 图象
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第 将在空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素） 二 章 集的操作。 数 z f ( x, y), x [0, a], y [0, b], z [0, c] 字 图 像 即对(x , y)进行离散化 基 础
采样列
A、采样
第 三 节 图 像 的 数 字 化
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
三、人眼来自百度文库觉特性
视觉的空间特性 人眼的空间分辨能力为1’ 视觉的时间特性 >15帧/s，连贯的感觉 灰度分辨能力大约64级
第 二 章 数 字 图 像 基 础
A、亮度适应能力
亮度适应现象：人眼通过改变 其整个灵敏度来适应非常大的 光强变动范围的现象。 主观亮度： 人的视觉系统感觉到的亮度，是 进入眼内的光强度的对数函数。
2级
16级
256级
当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质 量也不一样。量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少 时，图像质量越差，量化级数最小的极端情况就是二值图像， 图像出现假轮廓。
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第 二 一般，采样量化以后，需要对所得数据先进行PCM编码 章 数 （脉码调制）。 字 图 28 256 像 基 00000000 0 础
C、编码
00000001 1
第 三 节 图 像 的 数 字 化
...... 11111111 255
灰度级:表示象素明暗程度的整数量称为灰度级。
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
•图1的某个局部的数据
114 115 114 113 114 116 117 114 109 107 107 107 107 106 107 108 114 112 109 108
B、量化
把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量到离散量的转 换称为图像灰度的量化
2 55 2 54 q i＋1 q i－1
… …
Zi＋1 Zi Zi－1
1 28 1 27
1 0 连续灰度值 灰度标度 量化值 (整数值) 灰度量化 (a) (b)
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
杆体细胞rod cell 黑暗下作用 负责觉察物体运动 （暗视觉细胞）
中央凹
C、视觉细胞敏感性 人的视网膜中含有三种 不同的锥体细胞。 三种锥体细胞对光谱的 敏感峰值分别在： •430纳米（蓝） •540纳米（绿） •570纳米（红）
三种锥体细胞的光谱敏感示意图[Wald 1964]
当三种颜色按一定比例同时刺激人眼时，会产生各种颜色感 觉。其中有一种比例会使得颜色感觉完全消失，只有亮度感觉。 颜色只取决于三个基本的输入量，这也是色觉三基色原理的 基础。
第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
C、马赫带效应(Mach Band)
人类视觉系统有 趋向于过高或过 低估计不同亮度 区域边界值的现 象。
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
D、同时对比度 人眼睛无法判断出视场中目标物的绝对亮度。因为人类 视觉对亮度的主观响应与目标物的背景亮度有着密切的关系。
B、电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device） 将光能量转换为电荷，并将转换得到的电荷进行存储。
• 线阵式，扫描仪 • 阵列式，数码相机。
CCD芯片工作方式： A. 光电转换装置把入射到每一个 感光像素上的光子转化为相应数量 的电荷； B. 电荷被储存起来； C. 电荷有序地转移出感光区域； D. 电荷经放大器转化为电压量。 CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一 个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
第二节.图象感知与获取
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
第二节.图象感知与获取
一、传感器
A、胶片（化学反应）
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
三、数字图像性质
A、图像分辨率 1）图像分辨率：指组成一幅图像的像素密度，即图幅参数
单位：像素*像素 数码相机指标，
640*480＝307200， 30万像素
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
它们的强度值是相同的！
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
E、空间错觉和假轮廓 人对物体形状的感知中的另外一个重要现象是错觉。 -----感觉？智能？！
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
对生物视觉信息处理过程的研究难度十分巨大，目前的 研究成果仅仅是生物视觉信息处理机理的及其微小的一部分。
1
第二章 数字图象基础
主要内容： 第一节. 人眼视觉特性 第二节. 图象感知与获取 第三节. 图象的数字化 第四节. 像素间的基本关系 第五节. 图象文件格式
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
第一节. 人眼视觉特性
一.光与电磁波谱
可见光谱:380nm~780nm 可见光范围内，不同 波长的光给人以不同的色彩 感觉，不同强度的光及不同 强度分布的光刺激人眼，在 人脑中将产生不同的光强， 颜色，形状等视觉信息.
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第 二 章 CCD：在灵敏度、解析度、分辨率、噪声控制、成像等方面 数 都优于CMOS传感器； 字 图 像 基 CMOS：低成本、低功耗、以及高整合度的特点。 础 第 二 节 图 像 随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐 感 知 渐缩小的态势。 与 获 取
如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万像素/全片幅 的设计，CMOS技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难。
107 108 107 107 108 110 111 110 109 111
110 111 110 110 112 113 109 109 111 114 106 107 107 107 109 110 106 107 108 111 104 106 106 106 108 109 104 103 104 106 105 106 106 107 109 110 107 105 103 103 102 103 104 104 106 108 112 108 105 104 95 98 103 104 99 92 97 96 95 96
二维采样定理
一维采样定理？（采样频率和信号频率的关系） 在一维采样定理的基础上，可以直接推导出二维采样定理。
二维采样定理（Nyguist 准则） 1/△x,1/△y≥2倍的图象函数上限频带。
对一幅图像采样时，若每行（即横向）像素为M个，每列
（即纵向）像素为N个，则图像大小为M×N个像素。 在进行采样时，采样点间隔的选取是一个非常重要的问题， 它决定了采样后图像的质量，即忠实于原图像的程度。采样间 隔的大小选取要依据原图像中包含的细微浓淡变化来决定。一
● 激光打印机：600~1200 dpi ● 印刷图片
● 喷墨打印机：720～2880 dpi
普通：300dpi 高精度：600 dpi
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
清晰度 绝对清晰度 视觉效果
dpi
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
第 一 节 人 眼 视 觉 亮度Ba，短交叉曲线表示当眼睛适应这一强度级时，人眼能感受的 特 性 主观亮度的范围。 Bb以下，眼睛响应为黑，曲线上部虚线部分实际无限制。
B、对比灵敏度 第 二 章 实验表明，人眼睛刚能分辨的强度差△I是I的函数，而且 数 韦伯分数△I/I在相当宽的范围内近似为常数，约等于0.02。 字 图 像 基 础
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
C、CMOS金属-氧化物-半导体 (Metal-Oxide-Semiconductor)
P型MOS管 N型MOS管
HV7131E
Amplifier： 放大器 Photosites：感光基元
CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D 转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
二、成像方式
单个传感器 带状传感器
传感器阵列
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 二 节 图 像 感 知 与 获 取
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
2）显示分辨率：指显示屏上能够显示出的像素数目。
例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480行，每 行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。
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第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
●
打印机、扫描仪分辨率
dpi (display pixels / inch)
像素 采样行 行间隔
(a)
采样间隔
(b)
等距离采样
三角形点阵、正六角形点阵取样
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O
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
y
采样间隔（周期）
x
z=f(x,y) x=0,1, …, N-1; y=0,1, … , M-1; z=0,1, …, L-1
采样间隔太小，则增大数据量；太大，则会发生信息的 混叠，导致细节无法辨认。
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
256×256
64×64
32×32
16×16
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 三 节 图 像 的 数 字 化
颜色 红 蓝 绿 黄 紫 青 白 黑 灰
R 255(11111111) 0 0(00000000) 255 255 0 255 0 128
G 0
0(00000000) 255(11111111)
B 0(00000000)
255
0
255 0
0 255(11111111)
255 255 0 128
255 255 0 128
每英寸显示的线数
● dpi的数值越大，图像越清晰
300 dpi
96 dpi
21 dpi
常见分辨率
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第 二 章 数 字 图 像 ● 显示器：96 dpi 基 ● 显示用图片：96 dpi 础 ● 动画、视频：96 dpi 第 三 节 图 像 的 数 字 化
● 平板扫描仪：1200 dpi
● 底片扫描仪 4800 dpi
电磁辐射波谱和可见光波谱
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
二、人类视觉基础
1、人眼生理结构
A、视网膜 •锥体细胞(约650万) •杆体细胞(约1亿)
第 二 章 数 字 图 像 基 础 第 一 节 人 眼 视 觉 特 性
B、视觉细胞分布
锥体细胞cone cell 最清晰视觉 (明视觉细胞)