数字图像处理 第2章采样量化图像格式

第二章 数字图像处理基础
2.4.1 采样
图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的
灰度值代表图像，这些点称为采样点。
采样列
像素
采样行
行间隔
采样示意图
采样间隔
第二章 数字图像处理基础
采用方法和原则：
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
第二章 数字图像处理基础
2.7 色度学基础与颜色模型
2.7.1 色度学基础
光 吸 收性 %
蓝 100
绿
红
80
60
40
20
0 400 450 500 550 600 650 700 波 长 / n m
人类感光细胞的敏感曲线
第二章 数字图像处理基础
根据人眼的结构，所有颜色都可看作是三种基本颜色——示 红（R）、 绿（G)和蓝（B)按照不同的比例组合而成。为了建 立标准，国际照度委员会(CIE)早在1931年就规定三种基本色的 波长分别为R：700 nm，G：546.1 nm，B： 435.8 nm。
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优点：
• 文件数据量很小； • 图像质量与分辨率无关。
缺点：
• 不易制作色调丰富或色彩变化太多的图像； • 绘出来的图像不是很逼真； • 不易在不同的软件间交换文件。
第二章 数字图像处理基础 位图是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色
属性和位置属性。 优点： 具有丰富的层次和色彩 。 缺点： 缺少灵活性，分辨率固定； 文件数量大。
第二章 数字图像处理基础
2.1 视觉感知要素
人的直觉和分析在选择一种技术时起到核心作用。 这种选择常常是主观的视觉判断。
大概了解一下人类的视觉感知应作为学习数字图 像的第一步。
1.人眼中形成图像的机理与参数； 2.了解人类视觉的物理限制。
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2.2 光和电磁波谱
原理上，如果可以开发出一种传感器，它可检测由一种电磁波 谱发射的能量，就可以在那一波段上对感兴趣的事件成像。 “观看”一个物体的电磁波的波长必须小于或等于物体的尺寸。 其它还有超声波图像，电子显微镜的电子束和用于图形和可视 化的合成图像。
质量递增的顺序被从
左向右排列
5
质量
4 32 64 128 256 N
第二章 数字图像处理基础
• 曲线2：
k
细节中等多的摄影师图象
wk.baidu.com
5
质量
4
32
64
128 256 N
第二章 数字图像处理基础
• 曲线3：
质量
细节较多的球赛观众图像 k
5
4 32 64 128 256 N
第二章 数字图像处理基础
总结
一般，当限定数字图像的大小时, 为了得到质量较好的图像可 采用如下原则：
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Zi＋1 Zi
Zi－1
qi＋1 qi－1
连续灰度值 量化值 (整数值) 灰度标度 灰度量化
(a)
…
…
255 254
128 127
1 0
(b)
（a） 量化； (b) 量化为8 bit
第二章 数字图像处理基础
量化方法和原则：
• 等间隔量化（均匀量化）——适合像素灰度值在黑白 范围较均匀分布的图像。 • 非等间隔量化（非均匀量化）——对图像中像素灰度 值频繁出现的灰度值范围，量化间隔取小一些，而对 那些像素灰度值极少出现的范围，则量化间隔取大一 些。
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2. 分辨率
1） 图像分辨率
图像分辨率是指每英寸图像含有多少个点或像素， 分辨率 的单位为dpi。图像的尺寸、图像的分辨率和图像文件的大小三 者之间有着密切的联系：图像的尺寸越大，图像的分辨率越高， 图像文件也就越大。所以， 调整图像的大小和分辨率即可改变图 像文件的大小。
第二章 数字图像处理基础
(3) 光传感器： 通过采样检测图像的每一像素的亮度， 通常采用CCD阵列。
(4) 量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。典型 的量化器是A/D转换电路，它产生一个与输入电压或电流成比例 的数值。
(5) 输出存储装置：将量化器产生的灰度值按适当格式存 储起来，以用于计算机后续处理。
2.4.4 放大和收缩数字图像
最近 邻域 内插 法
双线 性内 插方 法
放大和收缩数字图像这个题目关系到采样和量化，因为放大可看做 过采样，收缩可看做欠采样。 放大要求执行两步操作：创立新的像素位置和对这些新位置赋灰度 值。最近邻域内插和4个最邻近点的双线性内插。 图像收缩可以与放大相类似的方法操作。
第二章 数字图像处理基础 2.4.5 图像数字化设备 常见的数字化设备有数字相机、扫描仪、数字化仪等。 1. 图像数字化设备的组成 为完成采样和量化功能， 图像数字化设备必须包含以下五 个部分： (1) 采样孔(Sampling aperture)： 使数字化设备能够单独地 观测特定的图像元素而不受图像其他部分的影响。 (2) 图像扫描机构： 使采样孔按照预先确定的方式在图像上 移动，从而按顺序观测每一个像素。
（1） 由于g (i, j)代表该点图像的光强度，而光是能量的一种 形式，故g (i, j)必须大于零，且为有限值，即： 0＜g (i, j)＜∞。
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（2） 数字化采样一般是按正方形点阵取样的， 除此之外还有 三角形点阵、正六角形点阵取样。
（3）以上是用g (i, j)的数值来表示(i, j)位置点上灰度级值的大 小，即只反映了黑白灰度的关系， 如果是一幅彩色图像， 各点 的数值还应当反映色彩的变化，可用g (i, j, λ)表示，其中λ是波长。 如果图像是运动的，还应是时间t的函数，即可表示为g (i, j, λ, t)。
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2） 屏幕分辨率
显示器上每单位长度显示的像素或点的数量称为屏幕分辨 率。通常以每英寸点数(dpi)来表示。屏幕分辨率取决于显示器 的大小及其像素设置。屏幕分辨率由计算机的显示卡决定。
3） 打印机分辨率
又称输出分辨率，是指打印机输出图像时每英寸的点数 (dpi)。打印机分辨率也决定了输出图像的质量，打印机分辨率 越高，可以减少打印的锯齿边缘，在灰度的半色调表现上也会 较为平滑。打印机的分辨率可达300－1200 dpi。
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2.5.1 位图
1. 线画稿（ LineArt ） 2. 灰度图像(GrayScale) 3 . 索引图像(Index Color) 4. 真彩色图像（True Color）
第二章 数字图像处理基础 2.5.2 位图的有关术语
1. 像素（Pixel）、点（Dot）和样点（Sample） 在计算机中，图像是由显示器上许多光点组成的， 将显示 在显示器上的这些点（光的单元）称为像素。 扫描一幅图像时，扫描仪将源图像看成由大量的网格组成， 然后在每一个网格里取出一点，用该点的颜色值来代表这一网 格里所有点的颜色值，这些被选中的点就是样点。

g(t) g(iT )s(t iT )
i
式中
s(t) sin(2 t) 2t
第二章 数字图像处理基础 2.4.2 量化
模拟图像经过采样后，在时间和空间上离散化为像素。但采 样所得的像素值（即灰度值）仍是连续量。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。
（1）对缓变的图像，应该细量化，粗采样，以避免假轮廓。
（2）对细节丰富的图像，应细采样，粗量化，以避免模糊。 对于彩色图像，是按照颜色成分——红、绿、蓝分别采样和量
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2563=16 777 216种颜色。
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第二章 数字图像处理基础
2.3.3 用传感器阵列获取图像
传感器阵列
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2．4 图像数字化技术
图像的数字化包括采样和量化两个过程。 设连续图像f(x, y) 经数字化后，可以用一 个离散量组成的矩阵g(i, j)（即二维数组） 来表示。
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f (0,0) f (0,1) f (0, n 1)
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2.3 图像感知和获取
2.3.1 用单个传感器获取图像
最熟悉的是光二极 管，输出电压波形
与光成正比。单个
传感器为了产生二
维图像，在传感器
和成像区之间，还
必须在x和y方向有
相对位移（例：滚
筒扫描）。
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2.3.2 用带状传感器获取图像
例： • 平板扫描仪 • 航空成像 • 计算机断层扫描。
当M=N时，
b NNk
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• k一定时
采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的 块状效应就逐渐明显。
• N2一定时
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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改变N和k如何影响图像
胡昂[1965]实验： –实验方法
• 选取一组细节多少不同的、不同N、k的图象 • 让观察者根据他们的主观质量感觉给这些图象排序
–实验结论
• 随着采样分辨率和灰度级的提高，主观质量也提高 • 对有大量细节的图象，质量对灰度级需求相应降低
第二章 数字图像处理基础
• 曲线1：
k
– 细节较少的人脸图象
– 等同偏爱曲线按主观
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4） 扫描仪分辨率
单位长度上采样的像素个数。台式扫描仪的分辨率可以 分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率是扫描仪硬件所
真正扫描到的图像分辨率，可达800～1200 dpi以上。输出分
辨率是通过软件强化以及内插补点之后产生的分辨率，大约
为光学分辨率的3～4倍（4800－6400dip）。
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2. 图像数字化设备的性能 (1) 像素大小 采样孔的大小和相邻像素的间距是两个重要的性能指标。 如果数字化设备是在一个放大率可变的光学系统上，那么对应 于输入图像平面上的采样点大小和采样间距也是可变的。 (2) 图像大小 图像大小即数字化设备所允许的最大输入图像的尺寸。
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第二章 数字图像处理基础 2.4.3 采样与量化参数的选择
采样时行、列的采样点与量化时每个像素量化的级数，既
影响数字图像的质量，也影响该数字图像数据量的大小。假定
图像取M×N个样点，每个像素量化后的灰度二进制位数为k，
一般k总是取为2的整数幂，则存储一幅数字图像所需的二进制
位数b为
b M Nk
原稿
1000DPI
1600DPI
1英寸
1000象素
1600象素
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2.6 图像文件格式
要进行图像处理，必须了解图像文件的格式， 即图像文件的 数据构成。每一种图像文件均有一个文件头， 在文件头之后才是 图像数据。文件头的内容由制作该图像文件的公司决定，一般包 括文件类型、文件制作者、制作时间、版本号、 文件大小等内容。 各种图像文件的制作还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。
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g(i,
j)


g(1,0)
f (1,1)
f (1, n 1)





f (m 1,0) f (m 1,1) f (m 1, n 1)
矩阵中的每一个元素称为像元、像素或图像元素。而g (i, j)代
表(i, j)点的灰度值，即亮度值。以上数字化有以下几点说明：
(3) 线性度
对光强进行数字化时，灰度正比于图像亮度的实际精确程 度是一个重要的指标。非线性的数字化设备会影响后续过程的 有效性。
(4) 噪声
数字化设备的噪声水平也是一个重要的性能参数，数字化 设备中固有的噪声却会使图像的灰度发生变化。因此数字化设 备所产生的噪声是图像质量下降的根源之一，应当使噪声小于 图像内的反差点(即对比度)。
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2.5 数字图像类型
静态图像可分为矢量(Vector)图和位图（Bitmap），位图也 称为栅格图像。
矢量图是用一系列绘图指令来表示一幅图，其本质是用数学 (更准确地说是几何学)公式描述一幅图像。图像中每一个形状都 是一个完整的公式，称为一个对象。对象是一个封闭的整体，所 以定义图像上对象的变化和对象与其他对象的关系对计算机来说 是简单的， 所有这些变化都不会影响到图像中的其他对象。