《数字图像处理（第4版）》课件 第03章 图像的数字化与显示

Slide1第3章图像的数字化与显示Slide2内容提要

主要介绍图像的数学描述和图像数字化的方法。详细讲解图像量化中的标量量化和向量量化方法。介绍常用的数字化图像输入/输出设备。Slide3知识要点灰度图像和彩色图像的描述方法。重点讨论灰度静止图像。数字图像的获取方法，重点讲解图像的采样与量化。量化方法分标量量化和向量量化。图像的输入/输出设备。Slide43.1图像数字化的基本过程3.1.1图像的取样和量化数字化包括取样和量化两个过程：取样：对空间连续坐标(x,y)的离散化量化：幅值f(x,y)的离散化数字化图像所需的主要硬件：采样孔、图像扫描机构、光传感器、量化器、输出存储体Slide5图3.1图像数字化硬件示意图Slide6图3.2图像的数字化结果Slide7取样和量化的结果是一个矩阵一幅连续图像f(x,y)被取样，则产生的数字图像有M行和N列。坐标(x,y)的值变成离散值，通常对这些离散坐标采用整数表示。

图3.3图像的坐标约定例如：4行5列－》Slide8图像的矩阵形式：一幅行数为M、列数为N的图像大小为M×N的矩阵形式为：其中矩阵中的每个元素代表一个像素Slide9【例3.1】用MATLAB程序说明实际数字图像的量化特点。

采用cameraman测试图像，计算图像的大小，取中央窗口的16×16子图像，显示其量化值。对测试图像进行适当裁剪并显示处理后的图像。【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数字图像的数据量假定图像尺寸为M、N，每个像素所具有的离散灰度级数为G这些量分别取为2的整数幂m，n，k，即M=2m，N=2n，G=2k存储这幅图像所需的位数是：b=M·N·G=

2m+n+k

（2.2a）

如果图像是正方形？图像尺寸的增加，所需的存储空间？Slide123.1.4二维采样定理图像在取样时，必须满足二维采样定理，确保无失真或有限失真地恢复原图像。定义二维图像信号f(x,y)的傅里叶频谱为F(u,v)。二维傅里叶正反变换：（3.3）（3.4）Slide13二维采样定理：如果2D信号f(x,y)的傅里叶频谱F(u,v)满足

其中Uc和Vc对应于空间位移变量x和y的最高截止频率。Slide14Slide15（a）原图像的频谱（b）采样信号的频谱图3.7采样信号的频谱Slide163.2图像的量化方法量化：使连续信号的幅度用有限级的数码表示的过程。量化的准则不同，会导致不同的量化效果。从不同的角度将量化方法分成4类：（1）按量化级步长均匀性均匀量化和非均匀量化。（2）按量化对称性对称量化和非对称量化Slide17

均匀对称量化（a）中央上升型（b）中央平稳型Slide18（a）中央上升型（b）中央平稳型非均匀对称量化Slide19（3）按量化时采样点相互间的相关性分无记忆和有记忆量化。（4）按量化时处理的采样点数分标量量化和矢量量化。Slide203.2.2标量量化标量量化：将数值逐个量化量化器设计的任务：

划分子区间和设定量化值，使量化造成的失真最小。当概率分布为p(z)，量化值为qi时，总误差平方为最小时失真最小。

Slide211.均匀量化（线性量化）均匀量化将[z0,zk)均分成个k子区间后，每个区间的长度（3.10）

各子区间以它的中心位置作为量化值（3.11）Slide22当待量化值在区间内均匀分布时（3.12）（3.13）最小：Slide232.Max量化器Max量化器是一种非均匀量化器主要思想：p(z)

不等于常数，使最小。说明样本值在某个取值范围内较频繁出现，而在另外一些范围内出现不多。可对样本值较频繁出现的取值范围采用较小的量化区间，而在其它地方用较大的量化区间。这样就可在不增加量化级数的条件下，降低平均误差，减少量化噪声。Slide24Max量化器在总误差平方和最小的意义上是最优的。但一般而言，图像在0附近出现的概率较高，因此Max量化器在0附近必然量化间隔很密，量化较精细。实际中，人眼在0附近的分辨率并不灵敏，所以用Max量化器量化得太细是没有意义的。Slide253.2.3向量量化定义：将一组采样的信号幅度向量在容许的误差范围内用更少的离散向量代替。与标量量化相比，向量量化提供较低的失真，但运算量比标量量化大得多。原理：一次量化2个以上采样点，量化过程需要用到一个码书。实质就是在码书中找到输入矢量X的最近码字，其衡量标准就是误差测度，通常采用平方误差测度。Slide261．向量量化的原理图3.8一维向量量化Slide27例题：原始图像块是一个4灰度级的16维矢量。矢量的每个分量就是一个像素的灰度值，其灰度有四个等级，0最黑，3最亮。假设码书含4个16维码字。经计算可以发现码字y1离x最近，故用索引01进行编码。图3.9原始图像和灰度级图3.10码书C＝{

Y1,Y2,

Y3,Y4}Slide28目的：对任一输入矢量X，在码书中寻找最佳匹配码矢Xi。常用的最佳匹配原则：寻求最小误差。若码书尺寸为M，矢量X对应码矢Xi，信号矢量X的概率密度函数为p(X)，则总的量化误差可表示为Slide29矢量误差j可取1,2,…,p;p属于正整数。常用的误差有：均方绝对值误差（MAE）均方误差（MSE）Slide303.3图像输入输出设备3.3.1图像输入设备数字化器是将模拟图像转换成数字图像的数字化输入装置。常用的数字化器数码电视摄像机数码相机智能手机扫描仪等Slide311．数码电视摄像机光电转换器件主要有光电摄像管（vidicon）、光电倍增管、视像管等。目前摄像管摄像机正逐渐被固体光电转换器件摄像机取代。固态摄像机的传感器类型有电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）和光电二极管阵列。特别是CCD摄像机采用CCD器件替代摄像管实行光电转换、电荷存储与电荷转移。Slide32CCD摄像机VLSI产品，由于体积小、重量轻、寿命长、成像速度快、成本低、灵敏度高、图像无几何失真，已成为视频信号的常用输入设备。拍摄的图像质量与CCD的数量、CCD的感光面积、CCD的工作方式有很大关系。按CCD的数量可分为：单片、三片式摄像机，三片式摄像机的质量最好。Slide33灵敏度、分辨率、信噪比是三大指标灵敏度：最低环境照度黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux，彩色摄像机多在1Lux以上。分辨率：成像后可以分辨的水平黑白线对的数目。黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。信噪比：主要取决于ADC的位数。采用12bitADC和大于20bit的高精度数字处理技术使信噪比大于63dB。Slide34典型的CCD摄像机主要参数图像传感器1/3"CCD540线水平清晰度540线(TVLines)，带OSD菜单有效像素PAL：752H×582VNTSC：768H×494V快门速度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日夜切换自动同步系统内同步视频输出1.0Vp-p,75Ω电源供给DC12V视频接口BNCSlide352．数码照相机图3.13数码相机原理结构图3．智能手机Slide36（1）处理器架构底层一般基于ARM。与PC机采用X86处理器架构不同。智能手机支持多任务处理，这需要一颗功能强大、低功耗、具有多媒体处理能力的多核（如8核）芯片。智能手机处理器采用高速度、高精度和低功耗的处理芯片，包括CPU（数据处理芯片）、GPU（图形处理芯片）和NPU（神经网络处理单元）其他功能芯片。Slide37（2）大存储芯片和存储扩展能力。手机运行内存的大小直接影响着手机CPU的效率如Android系统升级到7.0后，它对运存的占用就达到了2GB，这是保证系统稳定运行的最低内存标准。如果达到流畅效果，6GB或8GB的运行内存（RAM）是更好的选择。众多的App和大量的图像、视频、音频等数据需要保存在机身内部存储器（机身内存，ROM），往往达到128GB以上的存储。Slide38（3）强大的手机拍照功能。由于手机镜头可用的空间很小，所以镜头实现变焦很难。用多个摄像头、每个摄像头采用不同的焦距，则可以拍摄不同效果的景物。手机拍照的前置摄像头具有自拍和视频通话等功能，后置摄像头已由基本的单摄发展为双摄（如景深双摄，“彩色+黑白”双摄和“广角+长焦”双焦距等）三摄（如“彩色+黑白+长焦”等）四摄（如“主摄+长焦+广角+景深”等）。Slide39手机摄像头采集到的多摄像头图像数据还要通过软件算法进行一系列的合成得出高画质照片。手机摄像头根据机型不同具有以下一些高性能：高分辨率图像传感器（1200万像素以上甚至4800万超清）大光圈自动对焦（深度对焦、相位对焦、反差对焦）支持固定焦距/变焦功能。Slide40（4）智能手机具有丰富的图像处理软件覆盖到以下功能：拍照（高端手机支持HDR（高动态范围）模式）修图人脸检测与识别美颜指纹解锁文字识别滤镜、拼图、贴图几何失真校正等。Slide41（5）高端手机具有高质量显示屏。大面积、高分辨率、真彩色、低功耗、可触摸。大屏（如6.4英寸）才能让用户充分享受各种手机应用。视网膜屏已经超过人眼的空间分辨率。可现实色彩总数和色彩饱和度均达到真彩色的要求。在手机使用中，屏幕有可能达到一半以上功耗，成为耗电量最大的部件。Slide42LCD和OLED屏按屏幕的材质来分，目前手机屏幕可分为两类，需要通过背光板照射才能显示的LCD（液晶显示器）和有机电激发光二极管自发光、不需背光源OLED（OrganicLight-EmittingDiode，有机发光二极管）。OLED显示屏对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、驱动电压低、能耗低、可用于挠曲性面板等优异特性，是下一代平面显示器技术。Slide43Slide443．扫描仪图3.14CCD扫描仪原理结构Slide45表3.1图像数字化器的性能评价性能含义空间分辨率单位尺寸能够采样的像素数。由采样孔径与间距的大小和可变范围决定灰（色）度分辨率量化的等级数（位深度）、颜色数（色深度）图像大小仪器允许扫描的最大图幅量测特征数字化器所测量和量化的实际物理参数及精度扫描速度采样数据的传输速度噪声数字化器的噪声水平（应当使噪声小于图像内的反差）其