圖像數(shù)字化與顯示

1、教學網(wǎng)址：http:/ 本節(jié)內(nèi)容：圖像輸入輸出設備人類視覺系統(tǒng)圖像數(shù)字化常見圖像格式BMP圖像的讀取和顯示3of36圖像輸入輸出設備重要參數(shù)：分辨率輸入設備：掃描儀攝像機數(shù)碼相機 輸出設備：顯示器打印機繪圖儀圖像輸入圖像輸出4of36圖像輸入輸出設備5of36人類視覺系統(tǒng)我們擁有最好的視覺模型，理解人眼中圖像的形成過程可以幫助我們處理數(shù)字圖像。我們來快速的了解一下人類視覺系統(tǒng)。6of36人眼的結構鏡頭將光線聚焦，并將物體成像到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜上有許多光感應器叫做圓錐細胞（67百萬）和桿細胞（75150百萬），圓錐細胞集中在中央凹周圍并對顏色很敏感，而桿細胞比較分散，對低照度比較敏感。7of36

2、盲點試驗在紙上繪制類似于如下的圖像（點和十字之間的距離為510厘米）然后閉上右眼，用你的左眼盯著“十字”，將圖像放置在你前方約1635厘米遠，并慢慢的靠近你，你會發(fā)現(xiàn)“點”會消失（注視“十字”）。8of36人眼的成像人眼中的肌肉可以用來改變鏡頭的形狀，并允許我們對遠近不同的物體進行聚焦。而聚焦到視網(wǎng)膜上圖像會刺激桿細胞和圓錐細胞，最終將信號發(fā)送到大腦。9of36物理圖像我們所感知到的顏色是由光的特性被物體反射而決定的，比如，白光照在綠色物體上，大部分被吸收，而只有綠光被物體反射一般地，圖像是由光照作用于場景并被部分的吸收，同時被場景中的物體反射形成的白光被吸收的顏色綠光10of36圖像的數(shù)學描

3、述一幅圖像可以被看成是空間各個座標點上強度的集合。它的最普遍的數(shù)學表達式為：I=f(x,y,z,t) ，其中，x、y、z是空間坐標， 是波長， t是時間，I是圖像點的光強度。對靜態(tài)圖像，t為常數(shù)。對單色圖像，為常數(shù)。對平面圖像, z為常數(shù)。例如，對于靜態(tài)平面單色圖像，其數(shù)學表達式可以簡化為：I=f(x,y)11of36圖像數(shù)字化物理圖像（模擬圖像）是不能直接用數(shù)字計算機來處理的。首先必須將各類圖像（如照片，圖形，X光照片等）轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。圖像數(shù)字化即將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，就是把圖像分割成稱為像素的小區(qū)域，每個圖像的亮度或灰度值用一個整數(shù)來表示。物理圖像數(shù)字圖像12of36圖像數(shù)字化最終，數(shù)字

4、圖像由M行N列的像素（每個像素存儲一個值）組成的。像素值通常為灰度級別（黑白圖01，灰度圖一般0255 ）。我們需要確定水平和垂直方向上的像素個數(shù)N 和M，并給出每個點處的值f(row,col)colrowf (row, col)13of36圖像數(shù)字化數(shù)字化后的圖像可以用矩陣表示NNNjNNiNijiiNjNjNNffffffffffffffffF.2121222221111211ji14of36圖像數(shù)字化可以采用C/C+語言中的二維數(shù)組表示unsigned char A256,256;int i, j, N=256;for (j=1,jN,j+) for (i=1,iN,i+)對A(i,j)

5、進行處理、運算;),(.),(.)2 ,() 1 ,(.),(.),(.)2 ,() 1 ,(.), 2(.), 2(.)2 , 2() 1 , 2(), 1 (.), 1 (.)2 , 1 () 1 , 1 (NNAjNANANANiAjiAiAiANAjAAANAjAAAji15of36圖像數(shù)字化當從現(xiàn)實世界的物體采集圖像（即圖像數(shù)字化）時，會涉及到以下幾個相關問題：圖像感知和表示采樣和量化分辨率16of36圖像感知輸入的能量進入傳感材料，傳感材料對這種能量產(chǎn)生響應并產(chǎn)生電壓。捕獲一張圖片需要一系列的傳感器。數(shù)字傳感器只可以用來測量有限的樣點（一個離散的能量級集合）圖片傳感器一行圖片傳感器

6、圖片傳感器矩陣17of36圖像采樣圖像是一種二維信號，需要變?yōu)橐痪S信號后采樣先沿垂直方向，按一定間隔從上往下順序地沿水平方向直線掃描的方式，取出各水平行上濃淡（灰度）值的一維掃描線。再對該一維掃描線信號按一定間隔采樣得到離散信號對于運動圖像（即時間域的連續(xù)圖像），先在時間軸上采樣，再按靜止圖像處理xy平面平面( (a,b)a,b)采樣列采樣行18of36圖像量化經(jīng)過采樣，模擬圖像已在時間、空間上離散化為像素。但所得的像素值（即濃淡值或灰度值）仍是連續(xù)量。把取樣后所得的這些連續(xù)量表示的像素值離散化為整數(shù)值的過程叫量化f f19of36圖像量化比如：連續(xù)濃淡（灰度）值用Z來表示，則對于滿足Z(i)

7、ZZ(i+1)的Z值都量化為整數(shù)值 Z(i), Z(i)稱為像素的灰度值。Z與Z(i)的差稱為量化誤差數(shù)字圖像僅僅是真實場景的一個近似采樣量化20of36圖像量化一般的灰度圖，其灰度值被量化為0255之間的整數(shù)，代表了相應的濃淡程度一幅數(shù)字化后的圖像其總數(shù)據(jù)量是：每行像素數(shù)（N）每列像素數(shù)（M）像素值占用位數(shù)(Bits)信息量大，以一張512512個像素的灰度圖像為例，以25幀/秒的速度播放1小時，總數(shù)據(jù)量22500M，約22G，而彩色圖像需要其3倍以上這樣大的數(shù)據(jù)量必須進行壓縮，視頻壓縮一直研究和開發(fā)的熱點，而其中包括了圖像層面的壓縮21of36圖像采樣與圖像質(zhì)量圖像的采樣影響圖像的質(zhì)量26

8、5x180133x9066x4533x2222of36圖像量化與圖像質(zhì)量圖像的量化影響圖像的質(zhì)量256灰度級灰度級16灰度級灰度級8灰度級灰度級4灰度級灰度級23of36空間分辨率空間分辨率是由取樣過程決定的。簡單地，空間分辨率是指圖像的最小可辨別細節(jié)。視覺專家經(jīng)常在像素級進行討論圖形設計師討論點每英寸（dots per inch，DPI）1億億6千萬像千萬像素素24of36空間分辨率(續(xù))1024 * 1024512 * 512256 * 256128 * 12864 * 6432 * 3225of36亮度級分辨率亮度級分辨率是指表示圖像時所用到的亮度級別。亮度級別越多，最終的圖像細節(jié)越分明

9、。亮度級分辨率通常由存儲每個亮度級別時用到的比特數(shù)來給定。比特數(shù)比特數(shù)亮度級別數(shù)亮度級別數(shù)舉例舉例120, 12400, 01, 10, 114160000, 0101, 1111825600110011, 010101011665,536101010101010101026of36亮度級分辨率（續(xù)）128 灰度級灰度級64 灰度級灰度級32 灰度級灰度級16 灰度級灰度級8 灰度級灰度級4 灰度級灰度級2 灰度級灰度級256 灰度級灰度級27of36分辨率：需要多大？分辨率中一個經(jīng)常出現(xiàn)的問題是到底需要多大才足夠？往往依賴于什么樣的圖像，以及圖像的用處關鍵問題： 從美學上看，圖像是否美觀？

10、你能看到圖像中你想要看到的細節(jié)嗎？28of36分辨率：需要多大？(續(xù))右邊的圖片如果用來看一下汽車有幾量分辨率已經(jīng)足夠，而如果要讀取牌照就不行了。29of36常見的圖像格式常見的圖像格式有：BMP圖像：Windows下，由Microsoft和IBM公司創(chuàng)建PCX圖像： Zsoft公司的PaintBrush繪圖軟件中使用TIFF圖像：圖像質(zhì)量好，可移植性高，但存儲量大GIF圖像：不能超過256色，但存儲量小JPEG圖像：高質(zhì)量，高壓縮，ISO標準這些圖像中經(jīng)常用到一個叫做調(diào)色板（或者稱為顏色查找表）的概念30of36顏色查找表以一幅256256像素的16色圖像（彩色圖）為例：原始的存儲方法需要1

11、92K字節(jié)采用調(diào)色板 給出一張顏色表存儲16種顏色，而圖像中存儲顏色索引，通過索引從顏色表中查找真實的顏色。 舉個例子，如果表的第0行為255，0，0(紅色)，那么當某個象素為紅色時，只需要標明0即可 重新計算圖像的存儲量（圖像數(shù)據(jù)顏色表數(shù)據(jù)）約為：(2562564/8+316)/1024（共16個不同索引值需要4種狀態(tài)）,約32K調(diào)色板不適合真彩色圖（224種顏色），因為存儲量反而增加，你能算算看嗎？31of36BMP文件格式由四部分組成：BMP文件頭BITMAPFILEHEADERBMP信息頭BITMAPINFOHEADER調(diào)色板Palette實際的位圖數(shù)據(jù)ImageData在編寫程序進行

12、BMP文件讀取時，我們需要將文件中的數(shù)據(jù)一一讀取，并填充上述結構32of36文件頭BITMAPFILEHEADER它是一個結構體，首先需要判斷是否為BMP類型才能進行后續(xù)的讀取typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /BMP文件類型標志，值為文件類型標志，值為/0X4D42，即即19978DWORD bfSize; /整個位圖文件大小整個位圖文件大小WORD bfReserved1; WORD bfReserved2; DWORD bfOffBits; /到實際的位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)到實際的位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù) BITMAPFILEHEA

13、DER;33of36信息頭BITMAPINFOHEADER它包含了圖像的寬度和高度、圖像的顏色位數(shù)、圖象實際用到的顏色數(shù)等重要信息，對于后續(xù)的數(shù)據(jù)讀取有很大的影響結構中的數(shù)據(jù)具體代表什么意義，請參考書籍數(shù)字圖像編程入門做一個自己的Photoshop，其電子版可以從教學網(wǎng)下載，同時提供了源代碼同時我們感謝清華大學計算機系提供ViewDib程序以及源代碼，系統(tǒng)采用MFC類庫以及面向?qū)ο髽嫿?，其中的CDib類封裝了Load函數(shù)用于加載BMP和DIB文件34of36調(diào)色板Palette對于需要調(diào)色板的圖像，要想正確地顯示，必須根據(jù)BMP文件，產(chǎn)生邏輯調(diào)色板為邏輯調(diào)色板LOGPALETTE分配空間從BMP文件中讀取顏色數(shù)、RGB值進行填充最后創(chuàng)建并產(chǎn)生一個邏輯調(diào)色板上述步驟的代碼請參考數(shù)字圖像編程入門ViewDib中的BuildPalette成員函數(shù)完成了這個步驟，不過系統(tǒng)函數(shù)CreateDIBPalette才是真正完成調(diào)色板創(chuàng)建的功臣35of36實際的位圖數(shù)據(jù)ImageData位圖數(shù)據(jù)最后被讀取并產(chǎn)生真正的圖像通過CreateDIBitmap產(chǎn)生Windows設備無關的位圖如果需要調(diào)色板