第二章圖像數字化圖像數字化器圖像數字化器的組成圖像的采樣和量化常用圖像數字化設備圖像的灰度直方圖圖像的文件格式膠片掃描一、圖像數字化器圖像數字化器的功能組件圖像數字化器的性能圖像數字化器的類型采樣孔：使圖像數字化器能不受圖像其他部分的影響，而在整幅圖像中掃描特定的獨立像素單元

；掃描器件：使采樣孔以預先確定的方式在圖像上移動，按照順序依次掃描圖像的每一個像素；光傳感器：測量每一像素的亮度，將光亮度轉化為電流或電壓信號；量化器：將傳感器輸出的連續(xù)值轉化為整數值；輸出介質：將量化的灰度值以適當的格式存儲。圖像數字化器的功能組件

數字化器的性能分辨率：單位尺寸能夠采樣的像素數，由采樣孔的大小和像素間距的大小決定；灰度級：量化為多少等級；圖像大小：允許輸入圖像的大小；掃描速度：采樣數據的傳輸速度；噪聲：數字化器的噪聲水平。線性度：線性度是指對光強進行數字化時，灰度正比于圖像亮度的實際精確程度，圖像數字化設備的線性度是一個重要的性能指標，非線性的數字化器會影響后續(xù)處理的有效性。

圖像數字化器的類型主要包括:數碼相機膠片掃描儀二.圖像數字化器的組成主要包括:人工光源光傳感器掃描裝置三、圖像的采樣和量化圖像數字化：指將模擬圖像經過離散化之后，得到用數字表示的圖像。模擬圖像：照片、電視、錄象、電影。數學表達式：

二維分布函數，t表示時間變量。模擬圖像數字圖像離散化數字圖像：用矩陣來描述的。第一步：空間采樣將在空間上連續(xù)的圖像轉換成離散的采樣點（即像素）集的操作。由于圖像是二維分布的信息，所以采樣是在x軸和y軸兩個方向上進行。數字化過程圖像采樣采樣處理：將xy平面分配到一個網格上。xy平面(a,b)與采樣相關的概念(分辨率)分辨率

傳感器攝像的精確度。通常指要精確測量和再現一定尺寸的圖像所必需的像素個數。單位：像素*像素分辨率320x240分辨率160x120分辨率80x60圖象尺寸：127*176分辨率：(a)127*176(b)63*88(c)31*44(d)15*22256×25664×6432×3216×16第二步：量化將各像素的明暗信息離散化，用數字表示像素點信息稱為圖像的量化。量化值一般用整數來表示。考慮人眼的識別能力，目前非特殊用途的圖像均為8bit量化，即用0~255描述“黑~白”。圖2-3量化示意圖（a）量化；(b)量化為8bit圖像的量化與數字圖象的質量256灰度級64灰度級16灰度級128灰度級對于彩色圖像，是按照顏色成分——紅（R）、綠（G）、藍（B）分別采樣和量化的。若各種顏色成分均按8bit量化，即每種顏色量級別是256，則可以處理256×256×256=16777216種顏色。四.常用圖像數字化設備數字相機掃描儀數字攝像機數碼相機的組成鏡頭CCD（電荷藕合器件

）A/D（模/數轉換器）MPU（微處理器）

內置存儲器LCD（液晶顯示器）PC卡（可移動存儲器）接口（計算機接口、電視機接口）

數字相機前面板數字相機背面板數碼相機的工作原理

(1)鏡頭將光線會聚到感光器件CCD上；

(2)CCD是半導體器件，它代替了普通相機中膠卷的位置；

(3)CCD的功能是光強信號轉變?yōu)椴煌瑥姸鹊碾娦盘枺玫脚臄z景物的圖像信息；

(4)ADC將模擬信號到數字信號的轉換；

(5)MPU(微處理器)對數字信號進行壓縮并轉化為特定的圖像格式，例如JPEG、BMP格式，并將圖像文件被存儲在內置存儲器中；

(6)LCD顯示查看拍攝照片；部分數字相機還提供連接計算機和電視機的接口。

掃描儀結構圖1

掃描儀結構圖21．上蓋：主要是將要掃描的原稿壓緊，以防止掃描燈光線泄露。2．原稿臺：主要是用來放置掃描原稿的地方，其四周設有標尺線以方便原稿放置，并能及時確定原稿掃描尺寸。中間為透明玻璃，稱為稿臺玻璃。3．光學成像部分：它是掃描儀的核心部件，其精度直接影響掃描圖像的還原逼真程度。它包括以下主要部件：燈管、反光鏡、鏡頭以及電荷耦合器件(CCD)。

掃描儀各部分的功能4．光電轉換部分：是指掃描儀內部的主板，它是一塊安置有各種電子元件的印刷電路板。它是掃描儀的控制系統，在掃描儀掃描過程中，它主要完成CCD信號的輸入處理，以及對步進電機的控制，5．機械傳動裝置：主要包括步進電機、驅動皮帶、滑動導軌和齒輪組。

掃描儀各部分的功能典型數字攝像機五.膠片掃描膠片掃描的概念常用膠片掃描設備膠片掃描儀的性能指標1.膠片掃描的概念膠片掃描在圖像數字化過程中占有重要地位。膠片掃描是對來自膠片上的信息進行數字化的過程，使這些信息能由計算機讀取、處理和應用。膠片是指投影儀、普通相機或膠片記錄儀中使用的包括膠片、幻燈片、底片等在內的各種感光材料，它們能生成圖像或影像。

1)透射率和光密度

左邊物體的透射率為:

左邊物體的光密度:

光密度和透射率示意圖2)

攝影過程膠片顯影膠片對光的響應乳化劑的特性膠片分辨率照相復制2.常用膠片掃描設備膠片掃描儀膠片紀錄儀鼓式掃描儀3.膠片掃描儀的性能指標介質光學分辨率色深度和動態(tài)范圍三、圖像的灰度直方圖定義性質用途圖像灰度直方圖的定義

灰度直方圖是灰度級的函數，描述的是圖像中該灰度級的像素個數。即：橫坐標表示灰度級，縱坐標表示圖像中該灰度級出現的個數。1234565456214123456643221166466345666146623136466灰度直方圖灰度直方圖另一種定義方式在下頁圖示中，有一條灰度級為D1的輪廓線，在更高的灰度級D2處還畫有第二條輪廓線。A1表示第一條輪廓線所包圍區(qū)域的面積，同樣，A2表示第二條輪廓線所包圍的區(qū)域的面積。在一幅連續(xù)圖像中，將具有灰度級D的所有輪廓線所包圍的面積，稱為灰度級D的閾值面積函數，用A(D)表示，則直方圖可定義為：

對于離散函數，固定△D為1，則上述定義變?yōu)椋?/p>

H(D)=A(D)-A(D+1)設r代表圖像中像素灰度級，作歸一化處理后，r將被限定在［0,1］之內。在灰度級中，r=0代表黑，r=1代表白。對于一幅給定的圖像來說，每一個像素取得［0,1］區(qū)間內的灰度級是隨機的，即r是隨機變量。假定對每一瞬間，它們是連續(xù)的隨機變量，則可以用概率密度函數pr(r)來表示原始圖像的灰度分布。若橫軸代表灰度級r，縱軸代表灰度級的概率密度函數pr(r)，這樣就可以針對一幅圖像在該坐標系中作出一條曲線。這條曲線在概率論中就是概率密度曲線，如圖所示。

圖像灰度分布概率密度函數直方圖表明每一個灰度有多少個象素圖像灰度直方圖的性質直方圖是一幅圖像中各像素灰度值出現次數（或頻數）的統計結果，它只反映該圖像中不同灰度值出現的次數（或頻數），而未反映某一灰度值像素所在位置。也就是說，它只包含了該圖像中某一灰度值的像素出現的概率，而丟失了其所在位置的信息。

任一幅圖像，都能唯一地確定出一幅與它對應的直方圖，但不同的圖像，可能有相同的直方圖。也就是說，圖像與直方圖之間是多對一的映射關系。如圖就是一個不同圖像具有相同直方圖的例子。空間信息丟失

圖像與直方圖間的多對一關系

圖像灰度直方圖的用途

用于判斷圖像量化是否恰當

直方圖給出了一個簡單可見的指示，用來判斷一幅圖象是否合理的利用了全部被允許的灰度級范圍。一般一幅圖應該利用全部或幾乎全部可能的灰度級，否則等于增加了量化間隔。丟失的信息將不能恢復。

觀察直方圖可以看出不合適的數字化較暗圖象的直方圖

P(rk)

rk較亮圖象的直方圖

P(rk)

rk對比度較低圖象的直方圖

P(rk)

rk對比度較高圖象的直方圖

P(rk)

rk

邊界閾值選取

假設某圖象的灰度直方圖具有二峰性，則表明這個圖象的較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域可以較好地分離，取這一點為閾值點，可以得到好的二值處理的效果。選取146為閾值的二值化灰度圖具有二峰性具有二峰性的灰度圖的2值化灰度分布效果比較示意圖四、圖像的文件格式數字圖像通常有兩種表示形式:

位圖矢量圖位圖和矢量圖的比較(1)1、點位圖由像素構成，矢量圖由對象構成

點位圖的基本構圖單位是像素，像素包含了色彩信息。包含不同色彩信息的像素的矩陣組合構成了千變萬化的圖像。

矢量圖形指由代數方程定義的線條或曲線構成的圖形。如:表示一個圓形，矢量圖像保存了一個畫圓的命令、圓心的坐標、半徑的長度等等。欲顯示該圓，矢量繪圖軟件則根據圓的坐標、半徑等信息，經過方程式計算，將圓“畫”在屏幕上。矢量圖像由許多矢量圖形元素構成，這些圖形元素稱為“對象”。2、點位圖面向像素繪畫，矢量圖面向對象“構畫”

兩種圖像的構成方式不同，其繪畫方式也存在差別。

點位圖是通過改變像素的色彩實現繪畫和畫面的修改。點位圖軟件提供了模擬手繪習慣的工具實現繪畫。這些手繪工具在圖像上移動，即可改變相應位置上像素的色彩。矢量圖操縱的是基本的圖形（對象），以CorelDraw為例,如圖所示,選擇貝賽爾曲線工具，用鼠標在頁面上定出一些節(jié)點，節(jié)點之間有線段，構成一個封閉圖形。用修改工具把這個圖形調整圓滑。然后選擇色彩，該圖形即可填充上工整的色彩。這個新產生的圖形在矢量圖像中，就是一個基本的矢量圖形對象。

位圖和矢量圖的比較（2）3、點位圖受到像素和分辨率的制約，而矢量圖形不存在這些制約

點位圖是由像素陣列構成的圖像，像素的多少和分辨率決定圖像的質量。在用點繪圖軟件開始一幅新作品時，首先應確定圖像的長寬大小和分辨率，一旦確定下來，以后要改變分辨率，就會影響圖像的質量。另外點位圖的縮放也會影響圖像的質量。

位圖和矢量圖的比較（3）矢量圖形和設備無關，即和分辨率無關。因為矢量圖由數學公式和一些參數決定。圖形的放大縮小以及分辨率的改變，僅僅是參數的相對變化，重新計算后再顯示出來，依然保持精細的圖像質量。當然，這些內部計算，用戶是看不出來的，用戶也不用理會。如圖，一幅矢量圖形無論怎樣放大，邊線依然平滑。而在繪畫過程中，則可以任意放大若干倍（甚至上萬倍），精確細致地描繪任意細節(jié)。如圖

4、點位圖修改麻煩，矢量圖形修改隨心所欲

點位圖的編輯受到限制。點位圖是像素的排列，局部移動或改變會影響到其他部分的像素(包括前面講的對圖像進行放大)。

雖然矢量圖形的作畫方式特別（如前述例子），但是在修改方面卻是比點位圖更勝一籌。在矢量圖形中，一個圖形對象的改變，不會影響其他圖形對象。位圖和矢量圖的比較（4）圖1是一幅點位圖漫畫，這位女孩的腰部畫得太粗了，要修改苗條。在Painter中，可以選擇一種筆工具，再選擇和背景相同的顏色。把腰部多余的部分涂掉，如圖2.

然后再選擇黑色，用鋼筆工具把邊線補上,如圖3;如用鼠標，很難把握精度，修改起來更麻煩。如果一次修改不滿意，還要重復上面的步驟繼續(xù)修改。

基本相同的一幅CorelDraw矢量圖漫畫。同樣是要修改女孩的腰部。很簡單，選擇修改工具，如圖2拖拉一下腰部曲線的節(jié)點就可以把腰部調細了，如圖3.不滿意，再調整一下即可(這種調整修改不會影響到其他圖形對象，可以隨意修改).5、點位圖難以重復使用，矢量圖形可以隨意重復使用

在漫畫創(chuàng)作中，尤其在漫畫故事創(chuàng)作中，若能重復使用一些圖像元素，可以大大提高創(chuàng)作效率。而點位圖的重復使用相對比較困難。因為圖像元素的重復使用必然涉及圖像元素的放大縮小和修改，這些正是點位圖的弱點。

相反，矢量圖形是以圖形對象為基礎，圖形對象相對獨立，而且放大縮小和修改都方便，可以十分隨意地重復使用。例如，可以把人物的頭部作為一個圖形對象。只需要套上不同的身軀，就可以作出不同衣著和動態(tài)的形象了。

位圖和矢量圖的比較（5）6、點位圖效果豐富，矢量圖形效果單調機械

點位圖可以表現任何復雜形象，這是矢量圖形的弱點。像云霧、自然界的樹林花叢、山脈等，矢量圖形很難生動表現。利用Painter等點位圖軟件，卻可以很輕易地制作出來。

在漫畫中，經常要繪畫渲染氣氛的背景。矢量圖形只能勉強表現較機械的放射