图像的数字化
图像的数字化
图像数字化是进行数字图像处理的前
提。 图像数字化必须以图像的电子化作为基础,把模拟图像转变成电子信号, 随后才将其转换成数字图像信号。
作为图像信息采集技术,扫描技术已非
常成熟,而数字摄影技术的迅速发展,使其成为日益重要的数字图像采集手段。
数字图像和数字图像:
1. 模拟图像:空间上连续/不分割、信号值不分等级的图像。
2. 数字图像:空间上被分割成离散像素,信号值分为有限个等级、用数码0和1表示的图像。
图像的模拟/数字转换:
1. 含义:将模拟图像信号转换为数字图像信号的过程和技术。
2. 过程:模拟/数字转换(A/D)分为三步,模拟信号采样、量化、编码。 3. 采样:按照某种时间间隔或空间间隔,采集模拟信号的过程(空间离散化) 。
4. 量化:将采集到的模拟信号归到有限个信号等级上(信号值等级有限化) 。
! 注释
*采样后的信号虽然空间离散化了,但
信号值仍有无限多种; *量化后,信号值归于有限种。 *编码有各种不同方案,尽管数码都是二进制0/1。
*采样频率20次/英寸和200次/英寸的图像细节,如下图1;
*量化位数8位和3位的层次状况,如下图2。
5. 编码:将量化的离散信号转换成用二进制数码0/1表示的形式。
6. 采样频率:单位时间或单位长度内的采样次数,表示为:
单位:赫兹、像素/英寸(或:像素/厘米) 。采样空间频率决定了图像分辨率。 7. 量化位数:模拟信号值划分的等级数。一般按二进制位数衡量。
量化位数决定了图像阶调层次级数的多少。
采样定理:
如果在信号包含的有效频谱成分中, 最高频率为 f MAX ,
则:对信号进行采样时,采样频率必须大于原始信号最高频率2倍,才能用采样获取的离散信号还原原始信号。 (fN = 2f MAX 称为Nyquist 频率)
图1
图2
数字照相机图像采集技术
数字照相机的研制始于二十世纪八十年代中后期。 进入二十一世纪后,数字照相机技术迅速发展, 数字照相机作为一种重要的图像采集手段广泛普及。
数字照相机的类型:
1. 按结构特点:单镜头反光型/紧凑型;
2. 按感光器件:CCD 型/CMOS型; 3. 按等级:入门级/准专业级/专业级。
数字照相机的组成和结构: 1. 组成部件:
照相镜头、光圈、快门、光电成像器件、
信号处理和控制单元: A/D转换、图像分析/处理/压缩、曝光控制、 自动对焦控制、图像数据控制等; 信息存贮单元(存储卡/盘) 。 附件:数据线、软件、电池等。 2. 结构:
左:单镜头反光型, 右:紧凑型
数字照相机的成像工作原理:
被摄体光线->镜头->感光电子器件成像->分光->光电转换 ->A/D转换->数字图像处理->存储。
感光成像器件:
由微透镜层、滤色片层和光电转换器件层组成。 1. 分光/滤色:
大多数器件采用红/绿/蓝三色滤色片,个别器件采用了红/绿/蓝/翠绿四色滤色片;
Foveon 公司的X3器件采用特殊方法,从硅层不同深度上获取红/绿/蓝信号,得到全色彩分辨率的图像。
富士胶片公司则按45度方向排列三色滤色片,配合六边形感光单元,提高了分辨率和动态范围。 2. 成像器件尺寸规格:
一般用芯片对角线尺寸(单位为英寸) 表示,常见:1/2.7、1/2.5、1/1.8等。
一些较大尺寸的芯片则直接标注横纵尺寸(单位为毫米) ,如:“全画幅”的36x24,“APS 画幅”的23 x 15.7等。
3. 像素数:
每次拍摄最多采集的像素数,如:500万、630万、720万、800万、1000万、1200万、3900万等。
数字照相机的“防抖动技术”:
拍摄期间出现的震动/抖动会导致影像模糊。为了消除这种现象,数字照相机采用了不同的技术。常用的有两种:
光学防抖动:利用传感器检测抖动的方向和程度,用补偿信号控制一组镜片的移动,使光路维持正常。
其间方抖动:用补偿信号控制感光芯片的位移,达到清晰成像的目的。
数字照相机用存储器:
常用的有:CF 卡、SD 卡、记忆棒、xD 卡等。
“数码相机伴侣”:带各种读卡接口的活动硬盘,可以转存多种存储卡的图像文件。 数字照相机的基本操作: 1. 充电; 2. 打开总开关;
3. 基本设置:
曝光模式(A/S/P/M)、摄距(正常/微距) 、闪光模式、白平衡(日光/白炽灯/荧光灯/阴天/测量) 、像素数、色彩设置(AdobeRGB/sRGB等) 、存储格式(TIFF/JPEG/RAW)。 4. 对焦;
5. 维持焦点,构图取景; 6. 拍摄。
数字照相机拍摄图像的印刷复制尺寸:
1200万像素的数码相机:4000 x 3000, 印刷复制150Lpi 图像,
按系数2.0:
宽度 = 4000/(2.0x150) = 13.33吋 = 33.86 米 长度 = 3000/(2.0x150) = 10吋 = 25.4 厘米 按系数1.5:宽度=17.78英寸=45.16厘米; 长度= 13.33 英寸= 33.86 厘米