第03章圖像的數(shù)字化與顯示

1、Slide 1第第3 3章章 圖像的數(shù)字化與顯示圖像的數(shù)字化與顯示Slide 2內(nèi)容提要 o 主要介紹圖像的數(shù)學(xué)描述和圖像數(shù)字化的方法。主要介紹圖像的數(shù)學(xué)描述和圖像數(shù)字化的方法。o 詳細(xì)講解圖像量化中的標(biāo)量量化和向量量化方法。詳細(xì)講解圖像量化中的標(biāo)量量化和向量量化方法。o 介紹常用的數(shù)字化圖像輸入介紹常用的數(shù)字化圖像輸入/ /輸出設(shè)備。輸出設(shè)備。Slide 3知識要點(diǎn)o 灰度圖像和彩色圖像的描述方法?；叶葓D像和彩色圖像的描述方法。o 重點(diǎn)討論灰度靜止圖像。重點(diǎn)討論灰度靜止圖像。o 數(shù)字圖像的獲取方法，重點(diǎn)講解圖像的采樣與量化。數(shù)字圖像的獲取方法，重點(diǎn)講解圖像的采樣與量化。o 量化方法分標(biāo)量量化

2、和向量量化。量化方法分標(biāo)量量化和向量量化。o 圖像的輸入圖像的輸入/ /輸出設(shè)備。輸出設(shè)備。Slide 43.1 3.1 圖像數(shù)字化的基本過程圖像數(shù)字化的基本過程3.1.1 3.1.1 圖像的取樣和量化圖像的取樣和量化u 數(shù)字化包括取樣和量化兩個(gè)過程數(shù)字化包括取樣和量化兩個(gè)過程 ：u 取樣取樣 ：對空間連續(xù)坐標(biāo)(x, y)的離散化 u 量化量化 ：幅值 f (x, y)的離散化u 數(shù)字化圖像所需的主要硬件：數(shù)字化圖像所需的主要硬件：u 采樣孔、圖像掃描機(jī)構(gòu) 、光傳感器 、量化器 、輸出存儲體 Slide 5圖圖3.1 圖像數(shù)字化硬件示意圖圖像數(shù)字化硬件示意圖Slide 6圖圖3.2 圖像的數(shù)字

3、化結(jié)果圖像的數(shù)字化結(jié)果 Slide 7取樣和量化的結(jié)果是一個(gè)矩陣取樣和量化的結(jié)果是一個(gè)矩陣o 一幅連續(xù)圖像一幅連續(xù)圖像 f (x, y) 被取被取樣，則產(chǎn)生的數(shù)字圖像有樣，則產(chǎn)生的數(shù)字圖像有M行和行和N列。坐標(biāo)列。坐標(biāo)(x, y)的值變的值變成離散值，通常對這些離散成離散值，通常對這些離散坐標(biāo)采用整數(shù)表示。坐標(biāo)采用整數(shù)表示。 圖圖3.3 圖像的坐標(biāo)約定圖像的坐標(biāo)約定 例如：4行5列Slide 8圖像的矩陣形式：圖像的矩陣形式：p 一幅行數(shù)為一幅行數(shù)為M、列數(shù)為、列數(shù)為N的的圖像大小為圖像大小為MN的矩陣形式為：的矩陣形式為：(0,0)(0,1)(0,1)(1,0)(1,1)(1,1)( , )

4、(1,0)(1,1)(1,1)fffNfffNf x yf Mf Mf MN其中矩陣中的每個(gè)元素代表一個(gè)像素 Slide 9【例例3.1】用用MATLAB程序說明實(shí)際數(shù)字圖像的量化特點(diǎn)。程序說明實(shí)際數(shù)字圖像的量化特點(diǎn)。 o 采用cameraman測試圖像，計(jì)算圖像的大小，取中央窗口的1616子圖像，顯示其量化值。o 對測試圖像進(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

5、*W:S(1)-W,2*W:S(2)-5*W) ;imshow(K);Slide 10Slide 113.1.2 數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量u 假定圖像尺寸為假定圖像尺寸為M、N，每個(gè)像素所具有的離散灰度，每個(gè)像素所具有的離散灰度級數(shù)為級數(shù)為Gu 這些量分別取為這些量分別取為2的整數(shù)冪的整數(shù)冪m，n，k，即，即M=2m，N=2n，G=2ku 存儲這幅圖像所需的位數(shù)是：存儲這幅圖像所需的位數(shù)是： b = MNG = 2m+n+k （2.2a） n 如果圖像是正方形？如果圖像是正方形？n 圖像尺寸的增加，所需的存儲空間？圖像尺寸的增加，所需的存儲空間？Slide 123.1.4 3.1.4

6、二維采樣定理二維采樣定理o 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 。l 定義二維圖像信號f (x, y)的傅里葉頻譜為F(u,v)。二維傅里葉正反變換 ： dxdyeyxfvuFvyuxj)(2),(),( j2() ( , )( , )ed dux vyf x yF u vu v（3.3） （3.4）Slide 13二維采樣定理： 如果2D信號f (x, y) 的傅里葉頻譜F(u,v) 滿足 ccccVvUuVvUuvuFvuF,0,),(),(其中Uc和Vc 對應(yīng)于空間位移變量x和y的最高截止頻率。Slide 14 mnynyyynyyxmxxxmxxynx

7、mfyxf)()(sin)()(sin),(),(j2()p( , )(,)em xu n yvmnF u vx yf m x n y Slide 15（a）原圖像的頻譜）原圖像的頻譜 （b）采樣信號的頻譜）采樣信號的頻譜圖圖3.7 采樣信號的頻譜采樣信號的頻譜Slide 163.2 3.2 圖像的量化方法圖像的量化方法 量化：量化：使連續(xù)信號的幅度用有限級的數(shù)碼表示的過程。 量化的準(zhǔn)則量化的準(zhǔn)則不同，會導(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）按量化級步長均勻性 均勻量化和非均勻量化。 （2）按量化對稱性 對稱量化和非對稱量化Slide 17 均勻?qū)ΨQ量化（a）中央上升型

8、 （b）中央平穩(wěn)型 Slide 18（a）中央上升型 （b）中央平穩(wěn)型 非均勻?qū)ΨQ量化 Slide 19 （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。Slide 203.2.2 標(biāo)量量化p 標(biāo)量量化標(biāo)量量化：將數(shù)值逐個(gè)量化 p 量化器設(shè)計(jì)的任務(wù)： l 劃分子區(qū)間和設(shè)定量化值，使量化造成的失真最小。l 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。 dzzpqzkizziii)()(10221Slide 211.均勻量化（線性量化）均勻量化（線性量化）n 均勻量化n 將z0,zk) 均分成個(gè)k子區(qū)間后，每個(gè)區(qū)

9、間的長度kzzLk/ )(0（3.10） n各子區(qū)間以它的中心位置作為量化值 2/ )(1iiizzq（3.11） Slide 22o 當(dāng)待量化值在區(qū)間內(nèi)均勻分布時(shí)kLzp/1)(（3.12） 22/12L（3.13） 2最?。篠lide 232. Max量化器量化器o Max量化器是一種非均勻量化器o 主要思想：lp(z) 不等于常數(shù)，使 最小。l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。l可對樣本值較頻繁出現(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。l這樣就可在不增加量化級數(shù)的條件下，降低平均誤差，減少量化噪聲。2Slide 24u Max量化器在

10、總誤差平方和最小的意義上是最優(yōu)的。u 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)。u 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。Slide 253.2.3 向量量化向量量化o 定義：將一組采樣的信號幅度向量在容許的誤差范圍內(nèi)用更少的離散向量代替。u 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。u 原理原理：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。u 實(shí)質(zhì)就是在碼書中找到輸入矢量X X 的最近碼字，其衡量標(biāo)準(zhǔn)就是誤差測度，通常采用平方誤差測度 。Slide 261向量量化的原理

11、向量量化的原理圖圖3.8 一維向量量化一維向量量化Slide 27例題：原始圖像塊是一個(gè)4灰度級的16維矢量。l 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，0最黑，3最亮。l 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 圖3.10 碼書C Y1, Y2, Y3, Y4Slide 28o 目的：目的：對任一輸入矢量X，在碼書中尋找最佳匹配碼矢Xi。u 常用的最佳匹配原則：尋求最小誤差。u 若碼書尺寸為M，矢量X對應(yīng)碼矢Xi，信號矢量X的概率密度函數(shù)為p(X)，則總的量化誤差可表示為iiXpXXea)(),(Slide 2

12、9u 矢量誤差 u j可取1,2, p; p屬于正整數(shù)。u 常用的誤差有 ： 均方絕對值誤差（MAE）kmiimxmxkXXe1)()(1),(,)jiiX XXX21)()(1),(kmiimxmxkXXe均方誤差（MSE）Slide 303.3 3.3 圖像輸入輸出設(shè)備圖像輸入輸出設(shè)備o 3.3.1 3.3.1 圖像輸入設(shè)備圖像輸入設(shè)備l 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。l 常用的數(shù)字化器l 數(shù)碼電視攝像機(jī)數(shù)碼電視攝像機(jī)l 數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)l 掃描儀等掃描儀等Slide 311數(shù)碼電視攝像機(jī)o 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。o 目

13、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。n 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。n 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、電荷存儲與電荷轉(zhuǎn)移。Slide 32CCD攝像機(jī)o VLSI產(chǎn)品，由于體積小、重量輕、壽命長、成像速度快、成本低、靈敏度高、圖像無幾何失真，已成為視頻信號的常用輸入設(shè)備。o 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。o 按CCD的數(shù)量可分為：n單片、三片式攝像機(jī)，三片式攝像機(jī)的質(zhì)量最好。Slide 33靈敏度、分辨率、信噪比是三大指標(biāo)o 靈敏度：靈敏度：最低環(huán)境

14、照度n 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。o 分辨率：分辨率：成像后可以分辨的水平黑白線對的數(shù)目。n 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。o 信噪比：信噪比：主要取決于ADC的位數(shù)。n 采用12 bit ADC和大于20 bit的高精度數(shù)字處理技術(shù)使信噪比大于63 dB。Slide 34典型的典型的CCD攝像機(jī)主要參數(shù)攝像機(jī)主要參數(shù)圖像傳感器圖像傳感器1/3 CCD 540線線水平清晰度水平清晰度540線線(TV Lines)，帶，帶OSD菜單菜單有效像素有效像素PAL：752H582V NTSC：768

15、H494V快門速度快門速度PAL ：1/50秒秒1/100,000秒秒 ；NTSC ： 1/601/100,000/秒秒最底照度最底照度小于小于 0.1Lux/F1.2信噪比信噪比52db日夜切換日夜切換自動自動同步系統(tǒng)同步系統(tǒng)內(nèi)同步內(nèi)同步視頻輸出視頻輸出1.0Vp-p,75電源供給電源供給DC12V視頻接口視頻接口BNCSlide 352數(shù)碼照相機(jī)圖圖3.13 數(shù)碼相機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖數(shù)碼相機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖Slide 363掃描儀掃描儀圖3.14 CCD掃描儀原理結(jié)構(gòu)Slide 37表表3.1 圖像數(shù)字化器的性能評價(jià)圖像數(shù)字化器的性能評價(jià)性 能含 義空間分辨率空間分辨率單位尺寸能夠采樣的像素?cái)?shù)。由采樣

16、孔徑與間距的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大小和可變范圍決定灰（色）度分辨率灰（色）度分辨率 量化的等級數(shù)（位深度）、顏色數(shù)（色深度）量化的等級數(shù)（位深度）、顏色數(shù)（色深度）圖像大小圖像大小儀器允許掃描的最大圖幅儀器允許掃描的最大圖幅量測特征量測特征數(shù)字化器所測量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度數(shù)字化器所測量和量化的實(shí)際物理參數(shù)及精度掃描速度掃描速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度噪聲噪聲數(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）差）其他其他黑白黑白/彩色、價(jià)格、操作性能等彩色、價(jià)格、操作性能等Slide 383.3.2 圖像輸出設(shè)備圖像輸出設(shè)備 l 數(shù)字圖像的顯示是圖像數(shù)字化的逆過程（D/A） 。l 在多媒體技術(shù)中，顯示器和其他圖像輸出設(shè)備（如打印機(jī)、膠片紀(jì)錄儀、靜電繪圖儀等）都可以看成為輸出顯示媒體。l 顯示器是典型的暫時(shí)顯示設(shè)備，而打印機(jī)等永