圖象及圖象采集系統(tǒng)

圖象及圖象采集系統(tǒng)第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四 圖象和圖形的概念有時很難分清楚。通常，圖象（image）表示的是“以某一技術(shù)手段被再現(xiàn)于二維畫面上的視覺信息”。在此，主要是指照片、復印圖、電視、傳真、計算機顯示的一類圖象。 當用數(shù)學方法描述圖象信息時，著重考慮它的點的性質(zhì)。一幅圖象可以被看成是空間各個坐標點上強度的集合。其一般的數(shù)學表達式為： 其中 是空間坐標，λ是波長，t是時間，I是圖象的強度。這樣一個表達式可以表示一幅活動的、彩色的、立體圖象。 當研究的是靜止圖象時，則上式與t無關(guān)；當研究單色圖象時，I與λ無關(guān)；對于平面圖象，I與z無關(guān)。因此對于靜止的、平面的、單色圖象來說上式可簡化為：第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

上式說明，一幅圖象可以用二維亮度函數(shù)來表示。因為光也是能量的一種表現(xiàn)形式，所以，

人們感受到的圖象一般都是由物體反射的光組成的。f（x，y）可以看成由兩個分量組成，一個是景物上的入射分量，另一分量是景物被物體反射的分量，分別稱為照射分量和反射分量。如果用i（x，y）表示照射分量，用r（x，y）表示反射分量，那么，

式中： 這里，i（x，y）由光源的性質(zhì)來確定，而r（x，y）則取決于景物中的物體。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié)： 圖像是什么？圖像是一個二維亮度函數(shù)f(x,y)（灰度圖像）。彩色圖像是三個二維亮度函數(shù)（RGB,YUV）組成。(x,y)定義了空間坐標，f(x,y)定義該點的亮度（或灰度）。數(shù)字圖像是指圖像f(x,y)在空間坐標和亮度的數(shù)字化。一幅數(shù)字圖像可以看成一個矩陣，或一個二維數(shù)組。其基本元素稱為象素（Pixel）。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四二、圖象信息的分類

圖象信息是多種多樣的，概括起來，大致可分成三類，即符號信息、景物信息和情緒信息。

1、符號圖象信息（二值圖象） 在這類信息中，一般是用文字、符號、圖形等表示具體的或抽象的事物。因為符號信息是以某一規(guī)則排列的記號，因此，在傳送及處理中只要能表達清楚就可以了，它允許有較大的壓縮。（可以用庫的方式存儲，如：漢字庫）

2、景物圖象信息 這是一種能給人以主觀感覺但并不取決于人本身的客觀場景信息。一般，它包含豐富的內(nèi)容，所含的信息量較多。情景畫面的內(nèi)容比較復雜，在傳輸和處理中做到較大的壓縮比較困難。在人機識別中需要較大的信息量。但在事先設(shè)定某種條件的情況下，是有可能在任何情況下都保證正確判斷的。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四3、情緒圖象信息 這是一類依賴于受信者的圖象信息，它不僅給人以直觀感覺，而且能以其特殊的藝術(shù)內(nèi)容刺激人的感官，使受信者“觸景生情”引起感情上的波動和情緒上的共鳴。因此它包含更多的信息量。 這類圖象信息不僅取決于圖象本身的內(nèi)容，而且還與受信者的經(jīng)歷、文化修養(yǎng)、年齡、嗜好以及此時此刻的情緒有密切關(guān)系。也即，對同一幅圖象來說，它對受信者產(chǎn)生的效果是有差異的。因此對于這類圖象不僅無法考慮其概率模型，而且用Shannon理論明確其信息量也是極其困難的。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

以上是從圖象所攜帶信息的種類出發(fā)進行分類的。當然還可以從其它角度出發(fā)進行分類。如：把圖象分成靜止圖象和活動圖象、單色圖象和彩色圖象等。 在數(shù)字圖象處理中所涉及到的是一些最普通類型的圖象，它們的突出特點是都具有特殊的統(tǒng)計特性，并且有專門的應用。從這個基點出發(fā)可做如下分類。 （1）TV型的自然風景這是常見的圖片，如：肖像、風景畫、街道、建筑物照片等。 （2）空間攝影照片和地球資源探測圖片這類圖片的特點是往往沒有適宜的方向，構(gòu)圖不十分明顯，除了海岸線外，沒有可區(qū)別的形狀。 （3）電子顯微鏡照片和標準的顯微鏡照片這是一類在冶金學、生物學、醫(yī)學及石油探測等都很感興趣的一類照片。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

（4）文本指一類打印或手寫的記號圖象。 （5）圖樣通常就是簡單地由線段和圖形構(gòu)成的單色二值圖象。 （6）專用圖象如：X射線照片、微波照片、紅外熱象或超聲波圖象等。這些圖象各有特點，與在可見光下得到的圖象有所不同。 客觀世界中存在的圖象是多種多樣的，對這么多的圖象進行分類是十分困難的。以上所提到的只是一些有代表性而又較為實用的圖象。這些圖象經(jīng)過研究大部分可以找到較為近似的模型和規(guī)律，這對方便處理和深入研究來說無疑都是十分有益的。第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四三、圖象的統(tǒng)計特性

在圖象的統(tǒng)計特性表示中，認為圖象信號是一個隨機信號。對一個隨機信號的數(shù)學描述則是振幅或相位的分布函數(shù)、概率密度函數(shù)以及一系列的相關(guān)矩、中心矩、功率譜等。利用這些參數(shù)來表征圖象的特性，建立圖象信息的數(shù)學模型，以便對圖象信息進行有效的分析與處理。

1、圖象的振幅分布特性

2、差值信號的振幅分布特性（差值信號對預測編碼有重要意義）

3、圖象的自相關(guān)函數(shù)和空域功率譜第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四§2.2數(shù)字圖象的采集與表達

圖象信號的采集（或數(shù)字化）與用適當?shù)姆椒▉肀硎荆ɑ虼鎯Γ﹫D象是數(shù)字圖象處理中非常關(guān)鍵的步驟。 自然場景在人眼中呈現(xiàn)的圖象一般都是連續(xù)的模擬圖象，如，對一幅靜止的二維彩色圖象可用下式表示：

RGB彩色模型（三基色）

XYZ YUV HSI模型等 多光譜圖象第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

連續(xù)的圖象一般為光強度（或亮度）對空間坐標的函數(shù)。在用計算機對其處理之前，必須用圖象傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成表示亮度的電信號，再通過A/D量化成離散信號以便于數(shù)字計算機進行各種處理。這部分工作稱為圖象采集，完成圖象采集的系統(tǒng)稱為數(shù)字圖象采集系統(tǒng)，它是計算機圖象處理中一個重要組成部分。 數(shù)字圖象采集系統(tǒng)主要包括三個基本單元： （1）用于檢測射線強度的圖象傳感器； （2）對整個景物檢測數(shù)據(jù)進行掃描采集的掃描驅(qū)動硬件； （3）將連續(xù)信號進行量化，以適應計算機處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 如下圖。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

成象過程可表示為： 其中，h（x，y）為成象系統(tǒng)的脈沖響應。g（x，y）經(jīng)采樣產(chǎn)生采樣圖象： 其中：稱為二維梳狀函數(shù)。

（x，y）為二維單位脈沖函數(shù)。梳狀函數(shù)構(gòu)成了采樣柵格，采樣圖象僅在整數(shù)坐標處有值，但采樣圖象并不是離散的數(shù)字圖象，而是定義在離散空間上的值域連續(xù)圖象。對其進行量化（視頻A/D）即可得到數(shù)字圖象。

成象系統(tǒng)

h(x,y)

采樣系統(tǒng)

S(x,y)

量

化

器

f

(x,y)

景物

g(x,y)

gs(x,y)

gd(x,y)

圖象

采樣

圖象

數(shù)字圖象

第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四

量化為一點處理過程。包括均勻量化方法和非均勻量化方法。這一過程通常是由A/D轉(zhuǎn)換器完成的。

注意：采樣實際上是一個空間量化過程，而量化是對值域離散化的過程。

數(shù)字圖象是連續(xù)圖象的一種近似表示。一般可用一個與采樣點數(shù)相同的M×N矩陣表示： 每一個采樣點稱為一個象素。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四§2.3數(shù)字圖象處理系統(tǒng)基本圖象處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖象輸入系統(tǒng)圖象處理與分析系統(tǒng)圖象輸出系統(tǒng)圖像存儲系統(tǒng)第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四一、圖像的輸入：圖象輸入設(shè)備基于CCD光電耦器件的輸入設(shè)備攝像機、數(shù)字攝像機電腦攝像頭（CMOS較多）數(shù)碼相機、手機平板掃描儀基于光電倍增管的輸入設(shè)備滾筒掃描儀第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四掃描儀分辨率與掃描圖象的大小分辨率：單位長度上采樣的像素個數(shù)：DPI(dot/inch)原稿1英寸1000DPI1000象素1600DPI1600象素第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四二、圖象的數(shù)字化：

1、統(tǒng)一的采樣和量化

為了計算機處理，圖像函數(shù)f(x,y)在空間和取值上必須數(shù)字化。

圖像的采樣空間坐標(x,y)的數(shù)字化被稱為圖像采樣確定水平和垂直方向上的像素個數(shù)N、MMN第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四圖像的量化取值的數(shù)字化被稱為圖像灰度級量化量化處理：將f映射到Z的處理Z的最大取值，確定像素的灰度級數(shù)G=2m，如256第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四圖像的采樣與數(shù)字圖象的質(zhì)量（空間）265x180133x9066x4533x22第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四圖像的量化與數(shù)字圖象的質(zhì)量（值域）256灰度級16灰度級8灰度級4灰度級第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四2、非統(tǒng)一的圖像的采樣在灰度級變化尖銳的區(qū)域，用細膩的采樣，在灰度級比較平滑的區(qū)域，用粗糙的采樣第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四非均勻取樣和量化?在變化大、細節(jié)多的區(qū)域——較精取樣?平坦、變化緩慢區(qū)域——較粗取樣?高頻區(qū)域——量化級多?低頻區(qū)域——量化級少?頻繁出現(xiàn)的灰度級——量化級多?較少出現(xiàn)的灰度級——量化級少

第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)字圖像的計算機表示：數(shù)字圖像是指由被稱作像素的小塊區(qū)域組成的二維矩陣。將物理圖像行列劃分后，每個小塊區(qū)域稱為像素（pixel）。每個像素包括兩個屬性：位置和亮度（或色彩）。對灰度圖像而言，每個像素的亮度用一個數(shù)值（即灰度值）來表示，通常數(shù)值范圍在0到255之間，即可用一個字節(jié)來表示，0表示黑、255表示白，而其它表示灰度級別。像素分割的兩個問題像素數(shù)目灰度值的度量本質(zhì)問題：連續(xù)-》離散第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四物理圖像及對應的數(shù)字圖像第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四灰度級第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四灰度圖像(128x128)及其對應的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(26x31)）

第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四彩色圖像可以用紅、綠、藍三元組的二維矩陣來表示。通常，三元組的每個數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應的基色在該像素中沒有，而255則代表相應的基色在該像素中取得最大值，這種情況下每個像素可用三個字節(jié)