《數(shù)字圖像處理（第4版）》課件 第03章 圖像的數(shù)字化與顯示

Slide1第3章圖像的數(shù)字化與顯示Slide2內(nèi)容提要

主要介紹圖像的數(shù)學(xué)描述和圖像數(shù)字化的方法。詳細(xì)講解圖像量化中的標(biāo)量量化和向量量化方法。介紹常用的數(shù)字化圖像輸入/輸出設(shè)備。Slide3知識(shí)要點(diǎn)灰度圖像和彩色圖像的描述方法。重點(diǎn)討論灰度靜止圖像。數(shù)字圖像的獲取方法，重點(diǎn)講解圖像的采樣與量化。量化方法分標(biāo)量量化和向量量化。圖像的輸入/輸出設(shè)備。Slide43.1圖像數(shù)字化的基本過程3.1.1圖像的取樣和量化數(shù)字化包括取樣和量化兩個(gè)過程：取樣：對(duì)空間連續(xù)坐標(biāo)(x,y)的離散化量化：幅值f(x,y)的離散化數(shù)字化圖像所需的主要硬件：采樣孔、圖像掃描機(jī)構(gòu)、光傳感器、量化器、輸出存儲(chǔ)體Slide5圖3.1圖像數(shù)字化硬件示意圖Slide6圖3.2圖像的數(shù)字化結(jié)果Slide7取樣和量化的結(jié)果是一個(gè)矩陣一幅連續(xù)圖像f(x,y)被取樣，則產(chǎn)生的數(shù)字圖像有M行和N列。坐標(biāo)(x,y)的值變成離散值，通常對(duì)這些離散坐標(biāo)采用整數(shù)表示。

圖3.3圖像的坐標(biāo)約定例如：4行5列－》Slide8圖像的矩陣形式：一幅行數(shù)為M、列數(shù)為N的圖像大小為M×N的矩陣形式為：其中矩陣中的每個(gè)元素代表一個(gè)像素Slide9【例3.1】用MATLAB程序說明實(shí)際數(shù)字圖像的量化特點(diǎn)。

采用cameraman測(cè)試圖像，計(jì)算圖像的大小，取中央窗口的16×16子圖像，顯示其量化值。對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行適當(dāng)裁剪并顯示處理后的圖像。【解】W=16;I=imread('cameraman.tif');S=size(I);J=I(S(1)/2-W/2:S(1)/2+W/2-1,S(2)/2-W/2:S(2)/2+W/2-1)imshow(J);K=I(2*W:S(1)-W,2*W:S(2)-5*W);imshow(K);Slide10Slide113.1.2數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量假定圖像尺寸為M、N，每個(gè)像素所具有的離散灰度級(jí)數(shù)為G這些量分別取為2的整數(shù)冪m，n，k，即M=2m，N=2n，G=2k存儲(chǔ)這幅圖像所需的位數(shù)是：b=M·N·G=

2m+n+k

（2.2a）

如果圖像是正方形？圖像尺寸的增加，所需的存儲(chǔ)空間？Slide123.1.4二維采樣定理圖像在取樣時(shí)，必須滿足二維采樣定理，確保無失真或有限失真地恢復(fù)原圖像。定義二維圖像信號(hào)f(x,y)的傅里葉頻譜為F(u,v)。二維傅里葉正反變換：（3.3）（3.4）Slide13二維采樣定理：如果2D信號(hào)f(x,y)的傅里葉頻譜F(u,v)滿足

其中Uc和Vc對(duì)應(yīng)于空間位移變量x和y的最高截止頻率。Slide14Slide15（a）原圖像的頻譜（b）采樣信號(hào)的頻譜圖3.7采樣信號(hào)的頻譜Slide163.2圖像的量化方法量化：使連續(xù)信號(hào)的幅度用有限級(jí)的數(shù)碼表示的過程。量化的準(zhǔn)則不同，會(huì)導(dǎo)致不同的量化效果。從不同的角度將量化方法分成4類：（1）按量化級(jí)步長(zhǎng)均勻性均勻量化和非均勻量化。（2）按量化對(duì)稱性對(duì)稱量化和非對(duì)稱量化Slide17

均勻?qū)ΨQ量化（a）中央上升型（b）中央平穩(wěn)型Slide18（a）中央上升型（b）中央平穩(wěn)型非均勻?qū)ΨQ量化Slide19（3）按量化時(shí)采樣點(diǎn)相互間的相關(guān)性分無記憶和有記憶量化。（4）按量化時(shí)處理的采樣點(diǎn)數(shù)分標(biāo)量量化和矢量量化。Slide203.2.2標(biāo)量量化標(biāo)量量化：將數(shù)值逐個(gè)量化量化器設(shè)計(jì)的任務(wù)：

劃分子區(qū)間和設(shè)定量化值，使量化造成的失真最小。當(dāng)概率分布為p(z)，量化值為qi時(shí)，總誤差平方為最小時(shí)失真最小。

Slide211.均勻量化（線性量化）均勻量化將[z0,zk)均分成個(gè)k子區(qū)間后，每個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度（3.10）

各子區(qū)間以它的中心位置作為量化值（3.11）Slide22當(dāng)待量化值在區(qū)間內(nèi)均勻分布時(shí)（3.12）（3.13）最?。篠lide232.Max量化器Max量化器是一種非均勻量化器主要思想：p(z)

不等于常數(shù)，使最小。說明樣本值在某個(gè)取值范圍內(nèi)較頻繁出現(xiàn)，而在另外一些范圍內(nèi)出現(xiàn)不多。可對(duì)樣本值較頻繁出現(xiàn)的取值范圍采用較小的量化區(qū)間，而在其它地方用較大的量化區(qū)間。這樣就可在不增加量化級(jí)數(shù)的條件下，降低平均誤差，減少量化噪聲。Slide24Max量化器在總誤差平方和最小的意義上是最優(yōu)的。但一般而言，圖像在0附近出現(xiàn)的概率較高，因此Max量化器在0附近必然量化間隔很密，量化較精細(xì)。實(shí)際中，人眼在0附近的分辨率并不靈敏，所以用Max量化器量化得太細(xì)是沒有意義的。Slide253.2.3向量量化定義：將一組采樣的信號(hào)幅度向量在容許的誤差范圍內(nèi)用更少的離散向量代替。與標(biāo)量量化相比，向量量化提供較低的失真，但運(yùn)算量比標(biāo)量量化大得多。原理：一次量化2個(gè)以上采樣點(diǎn)，量化過程需要用到一個(gè)碼書。實(shí)質(zhì)就是在碼書中找到輸入矢量X的最近碼字，其衡量標(biāo)準(zhǔn)就是誤差測(cè)度，通常采用平方誤差測(cè)度。Slide261．向量量化的原理圖3.8一維向量量化Slide27例題：原始圖像塊是一個(gè)4灰度級(jí)的16維矢量。矢量的每個(gè)分量就是一個(gè)像素的灰度值，其灰度有四個(gè)等級(jí)，0最黑，3最亮。假設(shè)碼書含4個(gè)16維碼字。經(jīng)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)碼字y1離x最近，故用索引01進(jìn)行編碼。圖3.9原始圖像和灰度級(jí)圖3.10碼書C＝{

Y1,Y2,

Y3,Y4}Slide28目的：對(duì)任一輸入矢量X，在碼書中尋找最佳匹配碼矢Xi。常用的最佳匹配原則：尋求最小誤差。若碼書尺寸為M，矢量X對(duì)應(yīng)碼矢Xi，信號(hào)矢量X的概率密度函數(shù)為p(X)，則總的量化誤差可表示為Slide29矢量誤差j可取1,2,…,p;p屬于正整數(shù)。常用的誤差有：均方絕對(duì)值誤差（MAE）均方誤差（MSE）Slide303.3圖像輸入輸出設(shè)備3.3.1圖像輸入設(shè)備數(shù)字化器是將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像的數(shù)字化輸入裝置。常用的數(shù)字化器數(shù)碼電視攝像機(jī)數(shù)碼相機(jī)智能手機(jī)掃描儀等Slide311．?dāng)?shù)碼電視攝像機(jī)光電轉(zhuǎn)換器件主要有光電攝像管（vidicon）、光電倍增管、視像管等。目前攝像管攝像機(jī)正逐漸被固體光電轉(zhuǎn)換器件攝像機(jī)取代。固態(tài)攝像機(jī)的傳感器類型有電荷耦合器件（CCD）、電荷注入器件（CID）和光電二極管陣列。特別是CCD攝像機(jī)采用CCD器件替代攝像管實(shí)行光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)與電荷轉(zhuǎn)移。Slide32CCD攝像機(jī)VLSI產(chǎn)品，由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、成像速度快、成本低、靈敏度高、圖像無幾何失真，已成為視頻信號(hào)的常用輸入設(shè)備。拍攝的圖像質(zhì)量與CCD的數(shù)量、CCD的感光面積、CCD的工作方式有很大關(guān)系。按CCD的數(shù)量可分為：?jiǎn)纹?、三片式攝像機(jī)，三片式攝像機(jī)的質(zhì)量最好。Slide33靈敏度、分辨率、信噪比是三大指標(biāo)靈敏度：最低環(huán)境照度黑白攝像機(jī)的靈敏度大約是0.02-0.5Lux，彩色攝像機(jī)多在1Lux以上。分辨率：成像后可以分辨的水平黑白線對(duì)的數(shù)目。黑白攝像機(jī)的分辨率一般為380-600，彩色為380-480，其數(shù)值越大成像越清晰。信噪比：主要取決于ADC的位數(shù)。采用12bitADC和大于20bit的高精度數(shù)字處理技術(shù)使信噪比大于63dB。Slide34典型的CCD攝像機(jī)主要參數(shù)圖像傳感器1/3"CCD540線水平清晰度540線(TVLines)，帶OSD菜單有效像素PAL：752H×582VNTSC：768H×494V快門速度PAL：1/50秒～1/100,000秒；NTSC：1/60～1/100,000/秒最底照度小于0.1Lux/F1.2信噪比>52db日夜切換自動(dòng)同步系統(tǒng)內(nèi)同步視頻輸出1.0Vp-p,75Ω電源供給DC12V視頻接口BNCSlide352．?dāng)?shù)碼照相機(jī)圖3.13數(shù)碼相機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖3．智能手機(jī)Slide36（1）處理器架構(gòu)底層一般基于ARM。與PC機(jī)采用X86處理器架構(gòu)不同。智能手機(jī)支持多任務(wù)處理，這需要一顆功能強(qiáng)大、低功耗、具有多媒體處理能力的多核（如8核）芯片。智能手機(jī)處理器采用高速度、高精度和低功耗的處理芯片，包括CPU（數(shù)據(jù)處理芯片）、GPU（圖形處理芯片）和NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元）其他功能芯片。Slide37（2）大存儲(chǔ)芯片和存儲(chǔ)擴(kuò)展能力。手機(jī)運(yùn)行內(nèi)存的大小直接影響著手機(jī)CPU的效率如Android系統(tǒng)升級(jí)到7.0后，它對(duì)運(yùn)存的占用就達(dá)到了2GB，這是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的最低內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)。如果達(dá)到流暢效果，6GB或8GB的運(yùn)行內(nèi)存（RAM）是更好的選擇。眾多的App和大量的圖像、視頻、音頻等數(shù)據(jù)需要保存在機(jī)身內(nèi)部存儲(chǔ)器（機(jī)身內(nèi)存，ROM），往往達(dá)到128GB以上的存儲(chǔ)。Slide38（3）強(qiáng)大的手機(jī)拍照功能。由于手機(jī)鏡頭可用的空間很小，所以鏡頭實(shí)現(xiàn)變焦很難。用多個(gè)攝像頭、每個(gè)攝像頭采用不同的焦距，則可以拍攝不同效果的景物。手機(jī)拍照的前置攝像頭具有自拍和視頻通話等功能，后置攝像頭已由基本的單攝發(fā)展為雙攝（如景深雙攝，“彩色+黑白”雙攝和“廣角+長(zhǎng)焦”雙焦距等）三攝（如“彩色+黑白+長(zhǎng)焦”等）四攝（如“主攝+長(zhǎng)焦+廣角+景深”等）。Slide39手機(jī)攝像頭采集到的多攝像頭圖像數(shù)據(jù)還要通過軟件算法進(jìn)行一系列的合成得出高畫質(zhì)照片。手機(jī)攝像頭根據(jù)機(jī)型不同具有以下一些高性能：高分辨率圖像傳感器（1200萬像素以上甚至4800萬超清）大光圈自動(dòng)對(duì)焦（深度對(duì)焦、相位對(duì)焦、反差對(duì)焦）支持固定焦距/變焦功能。Slide40（4）智能手機(jī)具有豐富的圖像處理軟件覆蓋到以下功能：拍照（高端手機(jī)支持HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）模式）修圖人臉檢測(cè)與識(shí)別美顏指紋解鎖文字識(shí)別濾鏡、拼圖、貼圖幾何失真校正等。Slide41（5）高端手機(jī)具有高質(zhì)量顯示屏。大面積、高分辨率、真彩色、低功耗、可觸摸。大屏（如6.4英寸）才能讓用戶充分享受各種手機(jī)應(yīng)用。視網(wǎng)膜屏已經(jīng)超過人眼的空間分辨率?？涩F(xiàn)實(shí)色彩總數(shù)和色彩飽和度均達(dá)到真彩色的要求。在手機(jī)使用中，屏幕有可能達(dá)到一半以上功耗，成為耗電量最大的部件。Slide42LCD和OLED屏按屏幕的材質(zhì)來分，目前手機(jī)屏幕可分為兩類，需要通過背光板照射才能顯示的LCD（液晶顯示器）和有機(jī)電激發(fā)光二極管自發(fā)光、不需背光源OLED（OrganicLight-EmittingDiode，有機(jī)發(fā)光二極管）。OLED顯示屏對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低、能耗低、可用于撓曲性面板等優(yōu)異特性，是下一代平面顯示器技術(shù)。Slide43Slide443．掃描儀圖3.14CCD掃描儀原理結(jié)構(gòu)Slide45表3.1圖像數(shù)字化器的性能評(píng)價(jià)性能含義空間分辨率單位尺寸能夠采樣的像素?cái)?shù)。由采樣孔徑與間距的大小和可變范圍決定灰（色）度分辨率量化的等級(jí)數(shù)（位深度）、顏色數(shù)（色深度）圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅量測(cè)特征數(shù)字化器所測(cè)量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度掃描速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度噪聲數(shù)字化器的噪聲水平（應(yīng)當(dāng)使噪聲小于圖像內(nèi)的反差）其