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第三章数字图象的表征
图象的表征
采样
量化
图象的数据结构
数字图象转换与输入设备
数字图象输出设备
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3.1图象的表征
1.图象表示为了对图象施以有效的处理,就要了解图象的内在特性 。 同时,为了方便地处理图象,用适当的数字模型去表征图象的特性也是十分必要的 。 在图象处理中常用的数字表征法有两种,一种是确定性的,一种是统计性的 。
用确定性的图象表征法可方便地研究图象的点的性质,
而用统计表征法可用统计平均参数反映图象的特性 。
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不可见物理图象光学图象绘画图形照片图片可见图象离散图象连续图象数学函数图象物体 →
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当用数学方法描述一幅图象时,常着重考虑它的点的性质 。 例如,一幅图象可以被看成是空间各个座标点上强度的集合 。 它的最普遍的数学表达式为
I=f(x,y,z,?,t)
其中,x,y,z是空间坐标,
是波长,
t是时间,
I是图象点的光强度 。
对静态图象,t为常数 。
对单色图象,?为常数 。
对平面图象,z为常数 。
例如,对于静态平面单色图象,其数学表达式可以简化为：
I=f(x,y)
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上面式子所表示的图象是多种多样的,要想对图象信息进行明确地分类也并非容易 。 只能就图象处理中常见的图象信息加以简单地分类 。
在数字图象处理中所涉及到的是一些最普通类型的图象 。
它们的突出特点是都具有特殊的统计特性,并且有专门的应用 。 从这个基点出发可做如下比较明快的分类,TV型的自然风景,这是一种常见的图象；空间摄影照片和地球资源探测图片,这类图象构图不明显；电子显微镜照片和标准显微镜照片,这是一类在冶金学,医学及石油探测等都很感兴趣的一类照片；文本,这是指一些打印,印刷或手写的记号图象；图样,它们通常就是简单地由线段和图形构成的单色二值图象；专用图象,这一类图象大多是用特殊技术得到的图象,例如,X射线照片,红外热象,超声波图象等等 。
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2.图象数字表示一般的图象 （ 即模拟图象 ） 是不能直接用数字计算机来处理的 。 为使图象能在数字计算机内进行处理,首先必须将各类图象 （ 如照片,图形,X光照片等等 ） 转化为数字图象 。
所谓将图象转化为数字图象或图象数字化,就是把图象分割成如图所示的称为象素的小区域,每个象素的亮度或灰度值用一个整数来表示 。
把图象分割成象素的方法可以是多种多样的,如图所示 。 即每个象素所占小区域可以是正方形的,六角形的或三角形的 。 与之相对应的象素所构成的点阵则分别为正方形网格点阵,正三角形网格与正六角形点阵 。 上述各象素分割方案中,正方形网格点阵是实际常用的 。
对一个正方形点阵,若任一象素沿水平与垂直方向上与相邻象素间距为 1,则该象素沿斜线方向上的间距为
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3.2 采样采样就是把在时间上和空间上连续的图象转换成为离散的采样点 （ 即象素 ） 集的一种操作 。 由于图象是一种二维分布的信息,为要对它完成抽样操作,就需要先将二维信号变为一维信号,再对一维信号完成采样 。 具体做法是,先沿垂直方向,按一定间隔以上到下顺序地沿水平方向直线扫描的方式,取出各水平行上浓淡 （ 灰度 ）
值的一维扫描线 。 而后再对该一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号 。 即先沿垂直方向抽样,再沿水平方向抽样两步完成采样操作 。 对于运动图象 （ 即时间域的连续图象 ）,还需先在时间轴上采样,即先在时间轴上采样,再沿画面垂直方向采样,最后再沿画面水平方向上抽样这样三步完成采样操作 。
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若采样结果每行 （ 即横向 ） 象素为 M个,每列 （ 即纵向 ）
象素为 N个,则整幅图象大小为 M× N个象素 。
在进行采样时,采样点间隔的选取是一个非常重要的问题 。 它决定了采样后的图象忠实地反映原图象的程度 。
或者说,采样间隔大小的选取要根据原图象中包含何种程度的细微浓淡变化来确定 。 一般来说,图象中细节越多,则抽样间隔应越小 。 根据一维采样定理,若一维信号 g(t)最大频率为 ω,若用 T≤1/2ω为间隔进行抽样后,则根据抽样结果 g(i,T） i=… -1,0,1… 能完全恢复 g(t)。
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3.3 量化经过抽样,模拟图象已在时间,空间上离散化为象素 。 但抽样结果所得的象素的值 （ 即浓淡值或灰度值 ）
仍是连续量 。 把抽样后所得的这些连续量表示的象素值离散化为整激值的操作叫量化 。 即若连续浓淡 （ 灰度 ）
值用 z来表示,则对于满足 zi<z<zi+1的 z值都量化为整数值
zi,,zi称为象素的灰度值 。 z与 zi的差称为量化误差 。 一般每个象素的灰度值量化后用一个字节 （ 8位二是制码或 8
比特 ） 来表示,如把由白一灰一黑的连续变化的灰度值,
量化为 0～ 255共 256个灰度级 。 量化后的灰度值,代表了相应的浓淡程度 。
灰度值与浓淡程度的关系有两种表示方法,一种是由
0～ 255对应于由黑一白,另一种是由 0～ 255对应于由白一黑 。 在图象处理时,应注意是采用那种表示方法 。 对只有黑白二值的二值图象,一般用 0表示白,1表示黑 。
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一幅数字化后的图象其总数据量是：
每行象素数 （ M） × 每列象素数 （ N） × 灰度量所占用位数 (Bits)。 下面举例给出若干常用的 M,N值 。 几种常用的图象大小如下：
汉字：取决于字的大小,每个字可以从 16× 16到
256× 256象素；
显微镜图象,256× 256或 512× 512象素；
电视图象,500～ 700× 480象素；
卫星图象,（ 单波殷 ） 3240× 2340象素；
SAR（ 合成孔径雷达 ） 8000× 8000象素；
CRT 显示器：一般 640× 480 或 1024× 1024 象素,
2048× 2048象素等
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3.4 图象的数据结构
1,图象数据数字图象在计算机内以位图 (bitmap)的形式存在 。 位图是一个矩形点阵,上面的每一点称为象素 (pixel)。 象素是数字图象中的基本单位,一幅 N× M大小的基本图象,
是由 N× M个明暗不等的象素组成 。 在数字图象中各个象素所具有的明暗程度是由灰度值 (gray level)的数字所标识的,一般需要 8位 （ 一个字节 ） 来描述一个象素 。 在彩色图象中,一般每个象素用三个字节分别描述 RGB三基色 。
在计算机内部,可以用二维数组表示的图象数据 。 将浓淡图象各象素的灰度值以二维数组型式存储 。 对应于彩色图象,则需采用三个二维数组,分别存储红,绿,
蓝三个波段的图象数据 。
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2,图象 的数据格式图象是由排成矩形点阵的象素组成,因此把一幅图象记录进文件时需要同时记录下各象素在点阵中的位置及象素的灰度值 。 但是实际上可以利用象素数据在文件中的顺序位置来代表其在图象点阵中的位置,这样就可以省去象素位置坐标的数据,只记录灰度值数据 。
图象文件一般包括两部分数据,一部分称为文件头,
内含的信息主要有：
1） 图象格式识别符
2） 图象的纵横象素数
3） 背景颜色
4） 颜色图 （ 调色板数据 ）
5） 编码方式
6） 象素位数另一部分数据为图象灰度值数据 （ 可以是压缩的或非压缩的 ）
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目前,流行的几种图象格式简解如下：
（ 1） BMP图象文件格式它是 Windows系统环境下使用的位图文件格式 。 由
Microsoft和 IBM公司创建 。
1） 文件头用四位和八位格式包括调色板 。 高位和 24位 BMP文件不包括调色板,因为每个像素能标明它自己的 RGB彩色 。
位图文件依次由文件描述数据 （ BitmapFileHeader）,
图象描述数据 （ BitmapInfoHeader）,调色板数据
（ RGBQuad ） 和 图 象 点 阵 数 据 组 成 。 其中
BitmapInfoHeader 和 RGBQuad 合 在 一 起 又 称 为
BitmapInfo（ 图象信息 ） 。
BMP文件中的图像是颠倒存储的,从一个 BMP文件中读取的第一图像行是图像的最低行 。
BMP文件的图像行总是填满为偶数字结束 。
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Windows使用的 BitmapInfoHeader,结构如下定义：
typedef struct{
char id [2]； //位图标志,字符串 BM（ 表现 424D）
long filesize； //BMP文件的总字节数
int reserved1[2]； //保留
long headersize； //头标大小,标明了文件中位图的实际偏移地址
long infoSize； //头标类型,头标剩余部分字节数 。
BmpHead-40,BmpCoreHead-12
long width； //定义图像象素尺寸
long depth； //
int biPlanes； //总是 1
int bits； //定义了图像中位数,1,4,8,或 24
long biCompression； //压缩类型,总是 0
long biSizeImage； //定义了图像本身的字节数
long biXPelsPerMeter； //位图在单位每米像素上水平分辩率
long biYPelsPerMeter； //位图在单位每米像素上垂直分辩率
long biClrUsed； //定义了实际使用中图像解码用的彩色调色板的色彩数,如果为 0,认为调色板中所有值都被用
long biClrImportant; //标明有多少调色板是重要的,设为 0,所有颜色都被当作重要
} BMPHEAD;
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BMP 调色板结构也随使用的头标的不同而不同,对
Windows位图,它每条有四字节,对图像管理位图,它每条有 3字节,数据顺序也是特殊的,它以蓝,绿,红顺序而不是其它的方式 。
2） 编码形式
BMP图象文件格式一般不编码,如果编码使用行程编码方式 。
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（ 2） PCX图象文件格式为 Zsoft公司的 PaintBrush绘图软件使用格式 。
1） 其头文件由 128个字节组成,主要内容有标识符
(0xa0),象素位数,象素尺寸,调色板等 。
2） 编码形式图象数据以压缩的方式存放,采用扫描线行程压缩编码 。 以重复数据为压缩对象 。 具体编码是,由字节的高两位作标志,当最高两位同时置位,则低 6位为索引,
其值为后一字节数据的重复次数 。 重复次数的最大值为
2=64,当超过此值时,需要另打一个包 。 当最高两位不同时置位时,则为象素数据 。 当一个象素值要用到最高两位时 （ 最高两位为 11）,则必须另打一包,占用两个字节 。
PCX的编码方式简单,但个别图象文件经压缩后,
文件仍会较长,甚至比实际图象数据的字节数还要多,
最多可达两倍 。
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（ 3） TIFF图象文件格式
TIFF（ Tagged Image File Format)（ 加标记的图象文件形式 ） 是目前流行的图象文件交换标准之一 。 特别是大部分扫描仪产生的图象都使用此格式 。 其优点是可以支持任意大小的图象,支持从单色直至 24位彩色图象 。 它的编码简单,但它的组织是复杂的 。
1） 头文件由三部分组成：
·标记
·版号
·指向另一个图象文件标记地址 。
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2） 图象标记在文件头中可以包含任意多个图象标记,对图象的参数进行说明,标记的格式是固定的,总是 12个字节 。 具体是：
·标记类型 2字节
·标记号 2字节
·长度 4字节
·偏移量 4字节 。
3） 标记的内容主要标记图象宽度,图象长度,每个象素的位数,图象数据的第一个字节相对于文件首部的位置等 。
4） 编码形式
TIFF的编码形式也由一标记给出,TIFF不是一种采用固定压缩方法的图象存储方式,用这种方式存储的图象可能根本没有压缩,或采用了某种压缩方法 。 因此很难为
TIFF图象文件编制一个通用的解码程序 。 不过 TIFF文件大部分游程编码或使用哈夫曼编码及其变种或不压缩 。
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（ 4） GIF图象文件格式
GIF(Graphics Interchange Format)是作为一个公共域图象交换形式设计的,它不是某个特定软件的副产品 。
实际上所有流行的 GIF图象都属于公用领域 。
1)文件头主要内容有：
·标记
·使用屏幕长宽度
·图象所用颜色数
·背景颜色
·调色板
·局部数据 （ 图象左边宽,图象右边宽,图象宽度,图象长度,局部标记：标明使用全局调色板,还是使用局部调色板 ） 。
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(2） 编码方式
GIF使用 LZW (Lempel - Ziv and Welch)压缩原理进行编码,这种压缩方法也被 ARC,RKARC及 PKZIP所采用 。 基本压缩理论认为具有排序预测性的数据可以进行压缩,方法是把可预测的部分用某些排序的符号来表示 。 LZW压缩原理同此不同,它处理可预测性较小的数据,且通常得到的文件格式是最小的 。 商业压缩软件中,PKZIP,ARC等都使用了此技术 。 LZW是由 Lempel,Ziv,Welch三个人的名字命名的 。 LZW压缩区别于其它压缩技术的是设计符号的能力,
在它对数据编码中建立一个符号的,表,,这样如果在记下一个数据块之后又读到了该数据块,则使用第一次得到的符号来代表该数据块 。
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（ 5） JPG图象文件格式
JPG(JPEG)
(ISO标准 )
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3.5数字图象转换与输入设备数字图像处理系统基本的三个部件是：处理图像的计算机,图像数字化仪和图像输出设备 。
主要图像数字化设备,扫描仪,数码象机,数码摄象机,
摄象机 +数据采集卡,遥感仪,其它专用设备 。
扫描仪种类举例,
光学分辨率,1200× 2400dpi(dot per inch)
最大分辨率,9600 dpi
色彩位数,42位真彩色扫描幅面,8.5× 14”(A4加长 )
光学分辨率,600× 2400dpi(dot per inch)
最大分辨率,9600 dpi
色彩位数,42位真彩色扫描幅面,8.5× 14”(A4加长 )
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光学分辨率,1400× 2800dpi(dot per inch)
最大分辨率,9800 dpi
色彩位数,36位真彩色扫描幅面,11.4× 17”(A3)
光学分辨率,2000× 2000dpi(dot per inch)
色彩位数,36位真彩色扫描幅面,11.4× 17”(A3)
数码象机：
24bit 640× 480
150万象素,6倍变焦,
130万象素,2倍变焦,
230万象素,7.5倍变焦,
230万象素,1800× 1200,8MB内存,6倍变焦,
数码摄象机：一幀接一幀的数码映象 。
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摄象机 +数据采集卡：连续信号摄取 +A/D转换遥感仪：一般用于航天拍摄,使用红外线感光获得的数字信息 。
其它专用设备,CT,核磁共震仪,无损探伤仪等 。
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3.6数字图象输出设备
3.6.1 显示器
1,光栅扫描显示器
20世纪 70年代中期,出现了基于电视技术的光栅扫描图形显示器 。 随机扫描显示器和存贮管显示器都是画线设备,CRT可直接地从任一可寻址点到另一可寻址点画直线 。
光栅 CRT图形显示器则与此不同,光栅 CRT图形显示器可看作是由离散单元组成的矩阵,每一个单元均可发亮,因此这是一种点画设备 。
光栅扫描显示器的 CRT屏面可分为横向和纵向双向扫描线,每一行又可分为 N个小点 。 这样,整个屏面就被分成
M× N个小点,称为象素 （ Pixel,Picture Element的简写 ） 。
图形定义存于称为刷新缓冲器 （ Refresh Buffer） 或帧缓冲器 （ Frame Buffer） 的存储器中 。 显示屏上的每个象素都对应帧缓冲存储器中的若干位,最简单的黑白图象每个象素只需要一位 。 若该位为 0,表示该象素为暗,若该位为 1，
表示该象素为亮 。
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这样的图象称为二值图象。如果每个象素用 i 位表示它的灰度，也即有 i个位平面的帧缓存，那么就能产生 2i级灰度等级或颜色种类。在每个象素一位的黑白系统中，帧缓冲器通常叫做位图（ Bitmap）。对于每个象素要求多位的系统，帧缓冲器常常视为象素图（ Pixmap）。
计算机将要显示的图形、图象转化为位图，经过接口电路送人帧缓存，而图形控制器控制电子束横向扫描屏幕，
一次一行，从顶到底顺次进行。与此同时，把一帧画面中每个象素的值从帧缓存中读出。读出时，帧缓存的地址码的生成要与光栅扫描同步，每读出一个单元，电子束恰好扫过一个象素。读出的值可控制电子束的能量大小，并决定象素的亮度。每当扫描完一帧图象时，显示控制器向计算机申请中断，使计算机能利用帧回扫的时间去修改帧缓存中的内容，以实现显示画面的修改。
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象素位置的亮度范围依赖于光栅系统的能力。在简单的黑白系统中，每个屏幕点或亮或暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置亮度。作为二值系统，位值 1指示该位置的电子束开通，而值 O表明电子束关闭，要能显示彩色并且强度可变，就需附加位。光珊扫描系统对屏幕每一象素都有存储强度信息的能力，使之较好地适用于包含细微阴影和彩色模式的场景的逼真显示。
为了得到稳定的画面，光栅扫描显示器要不断地刷新屏幕，也即要定时地把一帧画面的每个象素的值从帧缓存中取出，不管多简单的图形，每次都要扫遍全帧。目前，光栅扫描显示器的刷新是按每秒 60到 80帧的速率进行的，比早先的每秒 30帧提高了许多，使显示画面更稳定，有些系统设计成更高的刷新速率。刷新速率也以每秒多少周期或 Hz为单位来描述的，称每秒 60帧的刷新速率为 60Hz。
在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端，称电子束的水平回扫（ Horizontal Retrace）。而在每帧的终了，电子束返回到屏幕的左上角,即垂直回扫（ Vertical Retrace），开始下一帧。
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很多光栅扫描显示器还采用电视系统的隔行扫描方式。
隔行扫描把一帧完整的画面分为两场显示，第一场含偶数扫描线，第二场含奇数扫描线。刷新周期也分为两部分，
若每一场用 1/60秒，则显示一帧画面为 1／ 30秒。这样，
计算机在每一场回扫期间都可以利用中断修改帧缓存的内容，而画面的信息量并没有减少，因为两场合为一帧显示，
从而保证了图象的质量。由于画面的更新仍为 60Hz，因此降低了闪烁效应。同时，因为在每一场的 1/60秒内，从帧缓存中读出的信息量比逐行扫描降低一半，因而可降低对帧缓存存取速度及设备线路通信频带的要求，从而使设备的复杂程度及成本都大大降低。
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2,彩色光栅扫描显示器彩色光栅扫描显示器之所以能显示不同颜色的图形是由于使用了能发出不同颜色的荧光粉的结果 。 产生彩色显示的基本方法有两种：一是射线穿透法,二是荫罩板法 射线穿透法显示彩色图形已经用于随机扫描显示器中,它是在屏幕上涂有两层荧光粉,一般是红色和绿色,
所显示的颜色取决于射线穿透荧光层的深浅 。 速度低的电子只能激励外层的红色荧光粉,高速电子可以穿透红色层而激励内层的绿色荧光粉,中速电子则可以使所激发出的红光和绿光组合而产生两种附加的颜色,即橙色和黄色 。 因此,电子的速度决定了屏幕上某点的颜色,
这可以由射线的加速电压来控制 。 射线穿透法是一种廉价的产生颜色的方法,但它只能产生四种颜色,而且图形的质量也不及其它方法好 。
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荫罩板法广泛用于光栅扫描系统中，它能产生比射线穿透法范围宽得多的色彩。这种 CRT屏幕的内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。这种类型的 CRT有三个电子枪，分别与三基色相对应。紧挨屏幕后面放有影孔板栅网，上面有很多小孔，与屏幕上的三元组一一对应。三束电子经偏转聚焦成一组射线，穿过影孔板上的孔，激活屏幕上的一个三元组，出现一个彩色亮点。荧光点以三角形排列，并使每支电子束，通过荫罩时，只能激活与之对应的彩色点。每一电子束的电子数目就控制着三元组所产生的红、绿、蓝三种光的亮度。改变三支电子束的强度等级，可改变荫罩 CRT的显示彩色。比如关掉红枪和绿枪，只能得到来自蓝荧光点的颜色。在每个象素位置的电子束强度的组合，产生一个不同的小亮点，因为人们的眼睛趋于使三个颜色合并为一个组合色，所见到的彩色，取决于红、绿、蓝荧光层激活的总量。
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在廉价的彩色显示器中,电子束只有发射和关闭两种状态,因此,只能有八种颜色 。 而比较复杂的系统,则可以发射中间等级强度的电子束,红,绿,蓝三原色按不同的比例合成各种色彩,每种原色也有不同的灰度 。 高质量
CRT的每个象素点对应 24位,每支电子枪允许 256级电压设置,因而每个象素有近 17兆种彩色选择 。 每个象素具有 24
个存储位的 RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统 。
光栅扫描显示器的缺点是,由于使用离散的相素表示图元,在显示斜线时,还存在线条边缘的阶梯效应,解决起来比较麻烦 。
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3,液晶显示器液晶显示器 （ Liquid－ Crystal Display,LCD） 生成图形的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料,传递来自周围的或内部光源的偏振光 。 液晶显示器由六层组成,各层被压在一起,形成薄板 。
第一层为垂直偏振器,光通过时产生垂直偏振 。 第三层是一层液晶溶液,液晶材料由长晶体分子组成,通常这些单个分子呈螺旋形,
因此通过它的偏振光被转了 90° 。 进入前层的光经过垂直偏振器后是垂直偏振方向,当光线通过液晶后,偏振方向转了 90°,成为水平偏振方向,此时可通过后面的水平偏振器 。 第五层为水平偏振器,
它限制只有水平偏振方向的光能通过 。 通过的水平偏振方向的光经第六层反射,又通过此两偏振器及晶体后,为观察者所见 。 当晶体处在电场中时,其上所有分子均呈同一方向,这样就无偏振效应 。
因此,在电场中的晶体并不改变发射光的偏振方向,所以光线保持其垂直偏振方向,也就无法通过后面的水平偏振器,此光被吸收,
所以观察者看到的是一暗点 。
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第二层和第四层分别是垂直网线和水平网线,两种网线交叉处定义一个象素位置 。 通过网线施加电压,可以使一象素位置处的晶体处于电场中,阻止光线通过 。
这类液晶显示设备视为无源矩阵 （ Passive－ Matrix） 。 图形的定义存储在刷新缓冲器中,以每秒 60帧的速率刷新屏幕 。 用固态电子设备时,通常也利用背光,因而,系统不完全依赖于外部光源 。 彩色显示可用不同材料或染料,并在每个像素上放置三个薄膜晶体管 。 晶体管用来控制象素位置的电压,并阻止液晶单元慢性漏电 。 这些设备称为有源矩阵 （ Active－ Matrix） 显示器 。
LCD的优点是重量轻,尺寸小且消耗功率低 。 其缺点是视角小 。
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第三章数字图象的表征
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3.1图象的表征
1.图象表示为了对图象施以有效的处理,就要了解图象的内在特性 。 同时,为了方便地处理图象,用适当的数字模型去表征图象的特性也是十分必要的 。 在图象处理中常用的数字表征法有两种,一种是确定性的,一种是统计性的 。
用确定性的图象表征法可方便地研究图象的点的性质,
而用统计表征法可用统计平均参数反映图象的特性 。
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不可见物理图象光学图象绘画图形照片图片可见图象离散图象连续图象数学函数图象物体 →
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当用数学方法描述一幅图象时,常着重考虑它的点的性质 。 例如,一幅图象可以被看成是空间各个座标点上强度的集合 。 它的最普遍的数学表达式为
I=f(x,y,z,?,t)
其中,x,y,z是空间坐标,
是波长,
t是时间,
I是图象点的光强度 。
对静态图象,t为常数 。
对单色图象,?为常数 。
对平面图象,z为常数 。
例如,对于静态平面单色图象,其数学表达式可以简化为：
I=f(x,y)
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上面式子所表示的图象是多种多样的,要想对图象信息进行明确地分类也并非容易 。 只能就图象处理中常见的图象信息加以简单地分类 。
在数字图象处理中所涉及到的是一些最普通类型的图象 。
它们的突出特点是都具有特殊的统计特性,并且有专门的应用 。 从这个基点出发可做如下比较明快的分类,TV型的自然风景,这是一种常见的图象；空间摄影照片和地球资源探测图片,这类图象构图不明显；电子显微镜照片和标准显微镜照片,这是一类在冶金学,医学及石油探测等都很感兴趣的一类照片；文本,这是指一些打印,印刷或手写的记号图象；图样,它们通常就是简单地由线段和图形构成的单色二值图象；专用图象,这一类图象大多是用特殊技术得到的图象,例如,X射线照片,红外热象,超声波图象等等 。
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2.图象数字表示一般的图象 （ 即模拟图象 ） 是不能直接用数字计算机来处理的 。 为使图象能在数字计算机内进行处理,首先必须将各类图象 （ 如照片,图形,X光照片等等 ） 转化为数字图象 。
所谓将图象转化为数字图象或图象数字化,就是把图象分割成如图所示的称为象素的小区域,每个象素的亮度或灰度值用一个整数来表示 。
把图象分割成象素的方法可以是多种多样的,如图所示 。 即每个象素所占小区域可以是正方形的,六角形的或三角形的 。 与之相对应的象素所构成的点阵则分别为正方形网格点阵,正三角形网格与正六角形点阵 。 上述各象素分割方案中,正方形网格点阵是实际常用的 。
对一个正方形点阵,若任一象素沿水平与垂直方向上与相邻象素间距为 1,则该象素沿斜线方向上的间距为
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3.2 采样采样就是把在时间上和空间上连续的图象转换成为离散的采样点 （ 即象素 ） 集的一种操作 。 由于图象是一种二维分布的信息,为要对它完成抽样操作,就需要先将二维信号变为一维信号,再对一维信号完成采样 。 具体做法是,先沿垂直方向,按一定间隔以上到下顺序地沿水平方向直线扫描的方式,取出各水平行上浓淡 （ 灰度 ）
值的一维扫描线 。 而后再对该一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号 。 即先沿垂直方向抽样,再沿水平方向抽样两步完成采样操作 。 对于运动图象 （ 即时间域的连续图象 ）,还需先在时间轴上采样,即先在时间轴上采样,再沿画面垂直方向采样,最后再沿画面水平方向上抽样这样三步完成采样操作 。
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若采样结果每行 （ 即横向 ） 象素为 M个,每列 （ 即纵向 ）
象素为 N个,则整幅图象大小为 M× N个象素 。
在进行采样时,采样点间隔的选取是一个非常重要的问题 。 它决定了采样后的图象忠实地反映原图象的程度 。
或者说,采样间隔大小的选取要根据原图象中包含何种程度的细微浓淡变化来确定 。 一般来说,图象中细节越多,则抽样间隔应越小 。 根据一维采样定理,若一维信号 g(t)最大频率为 ω,若用 T≤1/2ω为间隔进行抽样后,则根据抽样结果 g(i,T） i=… -1,0,1… 能完全恢复 g(t)。
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3.3 量化经过抽样,模拟图象已在时间,空间上离散化为象素 。 但抽样结果所得的象素的值 （ 即浓淡值或灰度值 ）
仍是连续量 。 把抽样后所得的这些连续量表示的象素值离散化为整激值的操作叫量化 。 即若连续浓淡 （ 灰度 ）
值用 z来表示,则对于满足 zi<z<zi+1的 z值都量化为整数值
zi,,zi称为象素的灰度值 。 z与 zi的差称为量化误差 。 一般每个象素的灰度值量化后用一个字节 （ 8位二是制码或 8
比特 ） 来表示,如把由白一灰一黑的连续变化的灰度值,
量化为 0～ 255共 256个灰度级 。 量化后的灰度值,代表了相应的浓淡程度 。
灰度值与浓淡程度的关系有两种表示方法,一种是由
0～ 255对应于由黑一白,另一种是由 0～ 255对应于由白一黑 。 在图象处理时,应注意是采用那种表示方法 。 对只有黑白二值的二值图象,一般用 0表示白,1表示黑 。
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一幅数字化后的图象其总数据量是：
每行象素数 （ M） × 每列象素数 （ N） × 灰度量所占用位数 (Bits)。 下面举例给出若干常用的 M,N值 。 几种常用的图象大小如下：
汉字：取决于字的大小,每个字可以从 16× 16到
256× 256象素；
显微镜图象,256× 256或 512× 512象素；
电视图象,500～ 700× 480象素；
卫星图象,（ 单波殷 ） 3240× 2340象素；
SAR（ 合成孔径雷达 ） 8000× 8000象素；
CRT 显示器：一般 640× 480 或 1024× 1024 象素,
2048× 2048象素等
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3.4 图象的数据结构
1,图象数据数字图象在计算机内以位图 (bitmap)的形式存在 。 位图是一个矩形点阵,上面的每一点称为象素 (pixel)。 象素是数字图象中的基本单位,一幅 N× M大小的基本图象,
是由 N× M个明暗不等的象素组成 。 在数字图象中各个象素所具有的明暗程度是由灰度值 (gray level)的数字所标识的,一般需要 8位 （ 一个字节 ） 来描述一个象素 。 在彩色图象中,一般每个象素用三个字节分别描述 RGB三基色 。
在计算机内部,可以用二维数组表示的图象数据 。 将浓淡图象各象素的灰度值以二维数组型式存储 。 对应于彩色图象,则需采用三个二维数组,分别存储红,绿,
蓝三个波段的图象数据 。
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2,图象 的数据格式图象是由排成矩形点阵的象素组成,因此把一幅图象记录进文件时需要同时记录下各象素在点阵中的位置及象素的灰度值 。 但是实际上可以利用象素数据在文件中的顺序位置来代表其在图象点阵中的位置,这样就可以省去象素位置坐标的数据,只记录灰度值数据 。
图象文件一般包括两部分数据,一部分称为文件头,
内含的信息主要有：
1） 图象格式识别符
2） 图象的纵横象素数
3） 背景颜色
4） 颜色图 （ 调色板数据 ）
5） 编码方式
6） 象素位数另一部分数据为图象灰度值数据 （ 可以是压缩的或非压缩的 ）
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目前,流行的几种图象格式简解如下：
（ 1） BMP图象文件格式它是 Windows系统环境下使用的位图文件格式 。 由
Microsoft和 IBM公司创建 。
1） 文件头用四位和八位格式包括调色板 。 高位和 24位 BMP文件不包括调色板,因为每个像素能标明它自己的 RGB彩色 。
位图文件依次由文件描述数据 （ BitmapFileHeader）,
图象描述数据 （ BitmapInfoHeader）,调色板数据
（ RGBQuad ） 和 图 象 点 阵 数 据 组 成 。 其中
BitmapInfoHeader 和 RGBQuad 合 在 一 起 又 称 为
BitmapInfo（ 图象信息 ） 。
BMP文件中的图像是颠倒存储的,从一个 BMP文件中读取的第一图像行是图像的最低行 。
BMP文件的图像行总是填满为偶数字结束 。
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Windows使用的 BitmapInfoHeader,结构如下定义：
typedef struct{
char id [2]； //位图标志,字符串 BM（ 表现 424D）
long filesize； //BMP文件的总字节数
int reserved1[2]； //保留
long headersize； //头标大小,标明了文件中位图的实际偏移地址
long infoSize； //头标类型,头标剩余部分字节数 。
BmpHead-40,BmpCoreHead-12
long width； //定义图像象素尺寸
long depth； //
int biPlanes； //总是 1
int bits； //定义了图像中位数,1,4,8,或 24
long biCompression； //压缩类型,总是 0
long biSizeImage； //定义了图像本身的字节数
long biXPelsPerMeter； //位图在单位每米像素上水平分辩率
long biYPelsPerMeter； //位图在单位每米像素上垂直分辩率
long biClrUsed； //定义了实际使用中图像解码用的彩色调色板的色彩数,如果为 0,认为调色板中所有值都被用
long biClrImportant; //标明有多少调色板是重要的,设为 0,所有颜色都被当作重要
} BMPHEAD;
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BMP 调色板结构也随使用的头标的不同而不同,对
Windows位图,它每条有四字节,对图像管理位图,它每条有 3字节,数据顺序也是特殊的,它以蓝,绿,红顺序而不是其它的方式 。
2） 编码形式
BMP图象文件格式一般不编码,如果编码使用行程编码方式 。
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（ 2） PCX图象文件格式为 Zsoft公司的 PaintBrush绘图软件使用格式 。
1） 其头文件由 128个字节组成,主要内容有标识符
(0xa0),象素位数,象素尺寸,调色板等 。
2） 编码形式图象数据以压缩的方式存放,采用扫描线行程压缩编码 。 以重复数据为压缩对象 。 具体编码是,由字节的高两位作标志,当最高两位同时置位,则低 6位为索引,
其值为后一字节数据的重复次数 。 重复次数的最大值为
2=64,当超过此值时,需要另打一个包 。 当最高两位不同时置位时,则为象素数据 。 当一个象素值要用到最高两位时 （ 最高两位为 11）,则必须另打一包,占用两个字节 。
PCX的编码方式简单,但个别图象文件经压缩后,
文件仍会较长,甚至比实际图象数据的字节数还要多,
最多可达两倍 。
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（ 3） TIFF图象文件格式
TIFF（ Tagged Image File Format)（ 加标记的图象文件形式 ） 是目前流行的图象文件交换标准之一 。 特别是大部分扫描仪产生的图象都使用此格式 。 其优点是可以支持任意大小的图象,支持从单色直至 24位彩色图象 。 它的编码简单,但它的组织是复杂的 。
1） 头文件由三部分组成：
·标记
·版号
·指向另一个图象文件标记地址 。
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2） 图象标记在文件头中可以包含任意多个图象标记,对图象的参数进行说明,标记的格式是固定的,总是 12个字节 。 具体是：
·标记类型 2字节
·标记号 2字节
·长度 4字节
·偏移量 4字节 。
3） 标记的内容主要标记图象宽度,图象长度,每个象素的位数,图象数据的第一个字节相对于文件首部的位置等 。
4） 编码形式
TIFF的编码形式也由一标记给出,TIFF不是一种采用固定压缩方法的图象存储方式,用这种方式存储的图象可能根本没有压缩,或采用了某种压缩方法 。 因此很难为
TIFF图象文件编制一个通用的解码程序 。 不过 TIFF文件大部分游程编码或使用哈夫曼编码及其变种或不压缩 。
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（ 4） GIF图象文件格式
GIF(Graphics Interchange Format)是作为一个公共域图象交换形式设计的,它不是某个特定软件的副产品 。
实际上所有流行的 GIF图象都属于公用领域 。
1)文件头主要内容有：
·标记
·使用屏幕长宽度
·图象所用颜色数
·背景颜色
·调色板
·局部数据 （ 图象左边宽,图象右边宽,图象宽度,图象长度,局部标记：标明使用全局调色板,还是使用局部调色板 ） 。
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(2） 编码方式
GIF使用 LZW (Lempel - Ziv and Welch)压缩原理进行编码,这种压缩方法也被 ARC,RKARC及 PKZIP所采用 。 基本压缩理论认为具有排序预测性的数据可以进行压缩,方法是把可预测的部分用某些排序的符号来表示 。 LZW压缩原理同此不同,它处理可预测性较小的数据,且通常得到的文件格式是最小的 。 商业压缩软件中,PKZIP,ARC等都使用了此技术 。 LZW是由 Lempel,Ziv,Welch三个人的名字命名的 。 LZW压缩区别于其它压缩技术的是设计符号的能力,
在它对数据编码中建立一个符号的,表,,这样如果在记下一个数据块之后又读到了该数据块,则使用第一次得到的符号来代表该数据块 。
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（ 5） JPG图象文件格式
JPG(JPEG)
(ISO标准 )
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3.5数字图象转换与输入设备数字图像处理系统基本的三个部件是：处理图像的计算机,图像数字化仪和图像输出设备 。
主要图像数字化设备,扫描仪,数码象机,数码摄象机,
摄象机 +数据采集卡,遥感仪,其它专用设备 。
扫描仪种类举例,
光学分辨率,1200× 2400dpi(dot per inch)
最大分辨率,9600 dpi
色彩位数,42位真彩色扫描幅面,8.5× 14”(A4加长 )
光学分辨率,600× 2400dpi(dot per inch)
最大分辨率,9600 dpi
色彩位数,42位真彩色扫描幅面,8.5× 14”(A4加长 )
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光学分辨率,1400× 2800dpi(dot per inch)
最大分辨率,9800 dpi
色彩位数,36位真彩色扫描幅面,11.4× 17”(A3)
光学分辨率,2000× 2000dpi(dot per inch)
色彩位数,36位真彩色扫描幅面,11.4× 17”(A3)
数码象机：
24bit 640× 480
150万象素,6倍变焦,
130万象素,2倍变焦,
230万象素,7.5倍变焦,
230万象素,1800× 1200,8MB内存,6倍变焦,
数码摄象机：一幀接一幀的数码映象 。
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摄象机 +数据采集卡：连续信号摄取 +A/D转换遥感仪：一般用于航天拍摄,使用红外线感光获得的数字信息 。
其它专用设备,CT,核磁共震仪,无损探伤仪等 。
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3.6数字图象输出设备
3.6.1 显示器
1,光栅扫描显示器
20世纪 70年代中期,出现了基于电视技术的光栅扫描图形显示器 。 随机扫描显示器和存贮管显示器都是画线设备,CRT可直接地从任一可寻址点到另一可寻址点画直线 。
光栅 CRT图形显示器则与此不同,光栅 CRT图形显示器可看作是由离散单元组成的矩阵,每一个单元均可发亮,因此这是一种点画设备 。
光栅扫描显示器的 CRT屏面可分为横向和纵向双向扫描线,每一行又可分为 N个小点 。 这样,整个屏面就被分成
M× N个小点,称为象素 （ Pixel,Picture Element的简写 ） 。
图形定义存于称为刷新缓冲器 （ Refresh Buffer） 或帧缓冲器 （ Frame Buffer） 的存储器中 。 显示屏上的每个象素都对应帧缓冲存储器中的若干位,最简单的黑白图象每个象素只需要一位 。 若该位为 0,表示该象素为暗,若该位为 1，
表示该象素为亮 。
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这样的图象称为二值图象。如果每个象素用 i 位表示它的灰度，也即有 i个位平面的帧缓存，那么就能产生 2i级灰度等级或颜色种类。在每个象素一位的黑白系统中，帧缓冲器通常叫做位图（ Bitmap）。对于每个象素要求多位的系统，帧缓冲器常常视为象素图（ Pixmap）。
计算机将要显示的图形、图象转化为位图，经过接口电路送人帧缓存，而图形控制器控制电子束横向扫描屏幕，
一次一行，从顶到底顺次进行。与此同时，把一帧画面中每个象素的值从帧缓存中读出。读出时，帧缓存的地址码的生成要与光栅扫描同步，每读出一个单元，电子束恰好扫过一个象素。读出的值可控制电子束的能量大小，并决定象素的亮度。每当扫描完一帧图象时，显示控制器向计算机申请中断，使计算机能利用帧回扫的时间去修改帧缓存中的内容，以实现显示画面的修改。
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象素位置的亮度范围依赖于光栅系统的能力。在简单的黑白系统中，每个屏幕点或亮或暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置亮度。作为二值系统，位值 1指示该位置的电子束开通，而值 O表明电子束关闭，要能显示彩色并且强度可变，就需附加位。光珊扫描系统对屏幕每一象素都有存储强度信息的能力，使之较好地适用于包含细微阴影和彩色模式的场景的逼真显示。
为了得到稳定的画面，光栅扫描显示器要不断地刷新屏幕，也即要定时地把一帧画面的每个象素的值从帧缓存中取出，不管多简单的图形，每次都要扫遍全帧。目前，光栅扫描显示器的刷新是按每秒 60到 80帧的速率进行的，比早先的每秒 30帧提高了许多，使显示画面更稳定，有些系统设计成更高的刷新速率。刷新速率也以每秒多少周期或 Hz为单位来描述的，称每秒 60帧的刷新速率为 60Hz。
在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端，称电子束的水平回扫（ Horizontal Retrace）。而在每帧的终了，电子束返回到屏幕的左上角,即垂直回扫（ Vertical Retrace），开始下一帧。
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很多光栅扫描显示器还采用电视系统的隔行扫描方式。
隔行扫描把一帧完整的画面分为两场显示，第一场含偶数扫描线，第二场含奇数扫描线。刷新周期也分为两部分，
若每一场用 1/60秒，则显示一帧画面为 1／ 30秒。这样，
计算机在每一场回扫期间都可以利用中断修改帧缓存的内容，而画面的信息量并没有减少，因为两场合为一帧显示，
从而保证了图象的质量。由于画面的更新仍为 60Hz，因此降低了闪烁效应。同时，因为在每一场的 1/60秒内，从帧缓存中读出的信息量比逐行扫描降低一半，因而可降低对帧缓存存取速度及设备线路通信频带的要求，从而使设备的复杂程度及成本都大大降低。
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2,彩色光栅扫描显示器彩色光栅扫描显示器之所以能显示不同颜色的图形是由于使用了能发出不同颜色的荧光粉的结果 。 产生彩色显示的基本方法有两种：一是射线穿透法,二是荫罩板法 射线穿透法显示彩色图形已经用于随机扫描显示器中,它是在屏幕上涂有两层荧光粉,一般是红色和绿色,
所显示的颜色取决于射线穿透荧光层的深浅 。 速度低的电子只能激励外层的红色荧光粉,高速电子可以穿透红色层而激励内层的绿色荧光粉,中速电子则可以使所激发出的红光和绿光组合而产生两种附加的颜色,即橙色和黄色 。 因此,电子的速度决定了屏幕上某点的颜色,
这可以由射线的加速电压来控制 。 射线穿透法是一种廉价的产生颜色的方法,但它只能产生四种颜色,而且图形的质量也不及其它方法好 。
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荫罩板法广泛用于光栅扫描系统中，它能产生比射线穿透法范围宽得多的色彩。这种 CRT屏幕的内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。这种类型的 CRT有三个电子枪，分别与三基色相对应。紧挨屏幕后面放有影孔板栅网，上面有很多小孔，与屏幕上的三元组一一对应。三束电子经偏转聚焦成一组射线，穿过影孔板上的孔，激活屏幕上的一个三元组，出现一个彩色亮点。荧光点以三角形排列，并使每支电子束，通过荫罩时，只能激活与之对应的彩色点。每一电子束的电子数目就控制着三元组所产生的红、绿、蓝三种光的亮度。改变三支电子束的强度等级，可改变荫罩 CRT的显示彩色。比如关掉红枪和绿枪，只能得到来自蓝荧光点的颜色。在每个象素位置的电子束强度的组合，产生一个不同的小亮点，因为人们的眼睛趋于使三个颜色合并为一个组合色，所见到的彩色，取决于红、绿、蓝荧光层激活的总量。
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在廉价的彩色显示器中,电子束只有发射和关闭两种状态,因此,只能有八种颜色 。 而比较复杂的系统,则可以发射中间等级强度的电子束,红,绿,蓝三原色按不同的比例合成各种色彩,每种原色也有不同的灰度 。 高质量
CRT的每个象素点对应 24位,每支电子枪允许 256级电压设置,因而每个象素有近 17兆种彩色选择 。 每个象素具有 24
个存储位的 RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统 。
光栅扫描显示器的缺点是,由于使用离散的相素表示图元,在显示斜线时,还存在线条边缘的阶梯效应,解决起来比较麻烦 。
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3,液晶显示器液晶显示器 （ Liquid－ Crystal Display,LCD） 生成图形的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料,传递来自周围的或内部光源的偏振光 。 液晶显示器由六层组成,各层被压在一起,形成薄板 。
第一层为垂直偏振器,光通过时产生垂直偏振 。 第三层是一层液晶溶液,液晶材料由长晶体分子组成,通常这些单个分子呈螺旋形,
因此通过它的偏振光被转了 90° 。 进入前层的光经过垂直偏振器后是垂直偏振方向,当光线通过液晶后,偏振方向转了 90°,成为水平偏振方向,此时可通过后面的水平偏振器 。 第五层为水平偏振器,
它限制只有水平偏振方向的光能通过 。 通过的水平偏振方向的光经第六层反射,又通过此两偏振器及晶体后,为观察者所见 。 当晶体处在电场中时,其上所有分子均呈同一方向,这样就无偏振效应 。
因此,在电场中的晶体并不改变发射光的偏振方向,所以光线保持其垂直偏振方向,也就无法通过后面的水平偏振器,此光被吸收,
所以观察者看到的是一暗点 。
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第二层和第四层分别是垂直网线和水平网线,两种网线交叉处定义一个象素位置 。 通过网线施加电压,可以使一象素位置处的晶体处于电场中,阻止光线通过 。
这类液晶显示设备视为无源矩阵 （ Passive－ Matrix） 。 图形的定义存储在刷新缓冲器中,以每秒 60帧的速率刷新屏幕 。 用固态电子设备时,通常也利用背光,因而,系统不完全依赖于外部光源 。 彩色显示可用不同材料或染料,并在每个像素上放置三个薄膜晶体管 。 晶体管用来控制象素位置的电压,并阻止液晶单元慢性漏电 。 这些设备称为有源矩阵 （ Active－ Matrix） 显示器 。
LCD的优点是重量轻,尺寸小且消耗功率低 。 其缺点是视角小 。
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