第二章 圖象及圖象采集系統(tǒng)

第二章圖象及圖象采集系統(tǒng)§2.1圖象及其數(shù)字化

一、圖象的概念 中文：相------相貌、相片 象------形狀、樣子、景象 像------畫像、塑像、攝制的與原物相似的圖景 英文：picture------手工描繪的一類“畫” image------用技術(shù)手段原封不動(dòng)地再現(xiàn)的圖象 pattern------圖案、曲線、圖形 圖象和圖形的概念有時(shí)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，我們主要是指照片、復(fù)印圖、電視、傳真、計(jì)算機(jī)顯示的一類圖象。 當(dāng)用數(shù)學(xué)方法描述圖象信息時(shí)，著重考慮它的點(diǎn)的性質(zhì)。一幅圖象可以被看成是空間各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上強(qiáng)度的集合。其一般的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 其中 是空間坐標(biāo)，λ是波長(zhǎng)，t是時(shí)間，I是圖象的強(qiáng)度。這樣一個(gè)表達(dá)式可以表示一幅活動(dòng)的、彩色的、立體圖象。 當(dāng)我們研究的是靜止圖象時(shí)，則上式與t無關(guān)；當(dāng)研究單色圖象時(shí)，I與λ無關(guān)；對(duì)于平面圖象，I與z無關(guān)。因此對(duì)于靜止的、平面的、單色圖象來說上式可簡(jiǎn)化為：

上式說明，一幅圖象可以用二維亮度函數(shù)來表示。因?yàn)楣庖彩悄芰康囊环N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(gè)分量組成，一個(gè)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。小結(jié)： 圖像是什么？圖像是一個(gè)二維亮度函數(shù)f(x,y)（灰度圖像）。彩色圖像是三個(gè)二維亮度函數(shù)（RGB,YUV）組成。(x,y)定義了空間坐標(biāo)，f(x,y)定義該點(diǎn)的亮度（或灰度）。

數(shù)字圖像是指圖像f(x,y)在空間坐標(biāo)和亮度的數(shù)字化。一個(gè)數(shù)字圖像可以看成一個(gè)矩陣，或一個(gè)二維數(shù)組。其基本元素稱為象素（Pixel）。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(hào)信息、景物信息和情緒信息。 1、符號(hào)圖象信息（二值圖象） 在這類信息中，一般是用文字、符號(hào)、圖形等表示具體的或抽象的事物。因?yàn)榉?hào)信息是以某一規(guī)則排列的記號(hào)，因此，在傳送及處理中只要能表達(dá)清楚就可以了，它允許有較大的壓縮。（可以用庫的方式存儲(chǔ)，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(chǎng)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(fù)雜，在傳輸和處理中做到較大的壓縮比較困難。在人機(jī)識(shí)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。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(dòng)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(shí)此刻的情緒有密切關(guān)系。也即，對(duì)同一幅圖象來說，它對(duì)受信者產(chǎn)生的效果是有差異的。因此對(duì)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。

以上是從圖象所攜帶信息的種類出發(fā)進(jìn)行分類的。當(dāng)然還可以從其它角度出發(fā)進(jìn)行分類。如：把圖象分成靜止圖象和活動(dòng)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(diǎn)是都具有特殊的統(tǒng)計(jì)特性，并且有專門的應(yīng)用。從這個(gè)基點(diǎn)出發(fā)可做如下分類。 （1）TV型的自然風(fēng)景這是常見的圖片，如：肖像、風(fēng)景畫、街道、建筑物照片等。 （2）空間攝影照片和地球資源探測(cè)圖片這類圖片的特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡照片這是一類在冶金學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及石油探測(cè)等都很感興趣的一類照片。

（4）文本指一類打印或手寫的記號(hào)圖象。 （5）圖樣通常就是簡(jiǎn)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(diǎn)，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(duì)這么多的圖象進(jìn)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(shí)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(duì)方便處理和深入研究來說無疑都是十分有益的。三、圖象的統(tǒng)計(jì)特性

在圖象的統(tǒng)計(jì)特性表示中，認(rèn)為圖象信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)。對(duì)一個(gè)隨機(jī)信號(hào)的數(shù)學(xué)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(xué)模型，以便對(duì)圖象信息進(jìn)行有效的分析與處理。

1、圖象的振幅分布特性 2、差值信號(hào)的振幅分布特性（差值信號(hào)對(duì)預(yù)測(cè)編碼有重要意義） 3、圖象的自相關(guān)函數(shù)和空域功率譜§2.2數(shù)字圖象的采集與表達(dá)

圖象信號(hào)的采集（或數(shù)字化）與用適當(dāng)?shù)姆椒▉肀硎荆ɑ虼鎯?chǔ)）圖象是數(shù)字圖象處理中非常關(guān)鍵的步驟。 自然場(chǎng)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(duì)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

連續(xù)的圖象一般為光強(qiáng)度（或亮度）對(duì)空間坐標(biāo)的函數(shù)。在用計(jì)算機(jī)對(duì)其處理之前，必須用圖象傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成表示亮度的電信號(hào)，再通過A/D量化成離散信號(hào)以便于數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jì)算機(jī)圖象處理中一個(gè)重要組成部分。 數(shù)字圖象采集系統(tǒng)主要包括三個(gè)基本單元： （1）用于檢測(cè)射線強(qiáng)度的圖象傳感器； （2）對(duì)整個(gè)景物檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描采集的掃描驅(qū)動(dòng)硬件； （3）將連續(xù)信號(hào)進(jìn)行量化，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 如下圖。

成象過程可表示為： 其中，h（x，y）為成象系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。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?xùn)鸥?，采樣圖象僅在整數(shù)坐標(biāo)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(duì)其進(jìn)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

量化為一點(diǎn)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(shí)際上是一個(gè)空間量化過程，而量化是對(duì)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(gè)與采樣點(diǎn)數(shù)相同的M×N矩陣表示： 每一個(gè)采樣點(diǎn)稱為一個(gè)象素?！?.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(chǔ)系統(tǒng)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(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)數(shù)字相機(jī)平板掃描儀基于光電倍增管的輸入設(shè)備滾筒掃描儀掃描儀分辨率與掃描圖象的大小分辨率：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上采樣的像素個(gè)數(shù)：DPI(dot/inch)原稿1英寸1000DPI1000象素1600DPI1600象素二、圖象的數(shù)字化： 1、統(tǒng)一的采樣和量化

為了計(jì)算機(jī)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(biāo)(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(gè)數(shù)N、MMN圖像的量化取值的數(shù)字化被稱為圖像灰度級(jí)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(jí)數(shù)G=2m，如256圖像的采樣與數(shù)字圖象的質(zhì)量（空間）265x180133x9066x4533x22灰度圖像(128x128)及其對(duì)應(yīng)的數(shù)值矩陣（僅列出一部分(26x31)）

彩色圖像可以用紅、綠、藍(lán)三元組的二維矩陣來表示。通常，三元組的每個(gè)數(shù)值也是在0到255之間，0表示相應(yīng)的基色在該像素中沒有，而255