数字图像处理：第二章 图象获取、显示、表示与处理
第二章?圖象獲取、顯示、表示與處理
圖象獲取是圖象的數(shù)字化過(guò)程，顯示則是將數(shù)字圖象轉(zhuǎn)化為適合人們使用的形式，而處理是通過(guò)軟件對(duì)圖象進(jìn)行變換操作的過(guò)程。
目錄
參考文獻(xiàn)
作業(yè)
1.圖象獲取
圖象獲取也就是圖象的數(shù)字化過(guò)程，即將圖象采集到計(jì)算機(jī)中的過(guò)程，主要涉及成像及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D Converter）技術(shù)，曾經(jīng)是很昂貴的，一直是擋在普通用戶面前的難以逾越的主要障礙之一，隨著計(jì)算機(jī)與微電子特別是固體成像設(shè)備（電耦合設(shè)備CCD(Charge Coupled Devices) ）的快速發(fā)展，使得圖象獲取設(shè)備的成本顯著降低，因而越來(lái)越普及，不久的將來(lái)將成為高檔微機(jī)的內(nèi)置設(shè)備。
以CCD技術(shù)為核心，目前圖象獲取設(shè)備有黑白攝象機(jī)、彩色攝象機(jī)、掃描儀、數(shù)字相機(jī)等，性能與價(jià)格主要取決于CCD的規(guī)格，如尺寸等。除了這些常見(jiàn)的類型外，目前有許多廠商提供各種其它的專用設(shè)備，如顯微攝象設(shè)備、紅外攝象機(jī)、高速攝象機(jī)、膠片掃描器等等。此外，遙感衛(wèi)星、激光雷達(dá)等設(shè)備提供其它類型的數(shù)字圖象。
目前，圖象的數(shù)字化設(shè)備可分為兩類，一類是基于圖象采集卡或圖象卡將模擬制式的視頻信號(hào)（RS170/CCIR黑白電視信號(hào)，PAL/NTSC彩色電視信號(hào)，S-Video視頻信號(hào)等）采集到計(jì)算機(jī)，另一類是攝象機(jī)本身帶有數(shù)字化部件可以直接將數(shù)字圖象通過(guò)計(jì)算機(jī)端口（如并口、USB接口）或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器）傳送進(jìn)計(jì)算機(jī)。
圖象卡仍是目前專業(yè)中常用的圖象數(shù)字化設(shè)備，目前低端的圖象采集卡一般不具有圖象幀存體而是直接將圖象采集到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中以供處理，如加拿大Matrox公司的Metero-II采集卡，高端的圖象卡是集采集和處理于一身的昂貴的非標(biāo)準(zhǔn)配件，如Matrox公司的Genesis圖象卡，具有幀存體和數(shù)字信號(hào)處理器DSP及鄰域處理加速器NOA，用于開(kāi)發(fā)高速或?qū)崟r(shí)處理應(yīng)用。此外，還有一類普及型的多媒體視頻采集卡，如寶獅Boser602，主要用于視頻會(huì)議、視頻郵件等應(yīng)用。最后，還應(yīng)提到的是一類多媒體應(yīng)用中使用的壓縮卡，如AV8 MPEG壓縮卡，可以將視頻壓縮成MPEG-I格式，主要用于VCD制作和視覺(jué)保安系統(tǒng)中，當(dāng)然也具有圖象采集功能。后兩種都支持微軟的VFW（Video For Windows）標(biāo)準(zhǔn)。此外，高檔的壓縮卡，如RT2000壓縮卡可以將視頻壓縮成MPEG-II格式等，影視制作行業(yè)還有各種高性能的圖象及視頻編輯設(shè)備等。
近年來(lái)，數(shù)字相機(jī)及數(shù)字?jǐn)z象機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，由于不需要其它數(shù)字化設(shè)備的支持，且具有更高的分辨率及編輯、使用方便等特點(diǎn)，有望逐步取代目前模擬攝象機(jī)的地位。但目前價(jià)格對(duì)普通用戶而言還相對(duì)過(guò)高。應(yīng)該指出的是傳統(tǒng)的膠片相機(jī)和攝象機(jī)仍有其優(yōu)勢(shì)，特別是在分辨率上目前的數(shù)碼影象采集設(shè)備還有相當(dāng)?shù)牟罹?#xff0c;例如傳統(tǒng)的35mm膠卷數(shù)字化需要至少4000′4000分辨率以保持原有的信息，目前這種層次的專業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)還十分昂貴，難以普及，更不用說(shuō)如此巨大的數(shù)據(jù)量在存儲(chǔ)和處理上的所面臨的挑戰(zhàn)是艱巨的。
?
若干專業(yè)術(shù)語(yǔ)：
CCD：電荷耦合器件，可看成間隔很小的MOS電容器、單片陣列構(gòu)成移位寄存器，通過(guò)充電積累電荷。
A/D、采樣、量化
Video信號(hào)、同步、信噪比SNR
電視制式、幀、場(chǎng)、隔行（Interlace）掃描、寬高比（aspect ratio）
PAL：25幀/秒，奇數(shù)場(chǎng)、偶數(shù)場(chǎng)（1/50 s/f,625行）
NTSC：30幀/秒，奇數(shù)場(chǎng)、偶數(shù)場(chǎng)（1/60 s/f,525行）
掃描儀：分辨率dpi(dot per inch)
遙感(Remote Sensing)
其它資料：圖象獲取，攝象機(jī)
2.圖象顯示
顯示是將數(shù)字圖象轉(zhuǎn)化為適合人們使用的形式，便于人們觀察和理解。早期的圖象處理設(shè)備一般都有專門(mén)的圖象監(jiān)視器供顯示專用，目前一般直接用計(jì)算機(jī)的圖形終端顯示圖象，圖象窗口只是圖形用戶界面的一個(gè)普通的窗口。為方便處理，通常圖象都表現(xiàn)為一矩形區(qū)域的位圖形式（Bitmap format）。
CRT顯示(Cathode Ray Tube)
方向比 （4:3）1024x768, 800x600
分辨率，象素，調(diào)色板(查找表)
gamma 校正 （常問(wèn)的問(wèn)題?gamma校正?解釋）
打印
分辨率，空間
灰度→區(qū)域上點(diǎn)數(shù)
圖案法
抖動(dòng)法
基本方法：混色
3.圖象表示
基本概念
灰度圖象：也稱單色圖象(Monochrome image)，通常每個(gè)象素用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示。
灰度級(jí)：表示象素的灰度范圍，如1Byte/pixel是256級(jí)灰度。
分辨率：用來(lái)描述數(shù)字圖象所表示的空間細(xì)節(jié)的程度（高或低），如與設(shè)備無(wú)關(guān)的分辨率表示：象素的個(gè)數(shù)MxN，以及與設(shè)備有關(guān)的表示，如dpi(dot per inch)，pixel/mm line.
亮度和對(duì)比度：是人眼感知物體的主觀度量。亮度即明亮程度通常用照度度量，而對(duì)比度與物體相對(duì)于背景的亮度差別有關(guān)，一般用差別與背景的亮度的比值來(lái)衡量。
光譜
彩色圖象：通常真彩色用三字節(jié)的R，G，B來(lái)表示，即8:8:8=24位。另外，彩色有多種不同的表示方式，例如，YUV（PAL制式）,YIQ（NTSC制式）,HSI表示。
R、G、B （三基色波長(zhǎng)（CIE）Blue: 435.8nm, Green: 546.1nm,Red: 700nm）
彩色空間
調(diào)色板（palette）：圖象的色彩索引表。若圖象的色彩數(shù)遠(yuǎn)小于全色彩數(shù)時(shí)，當(dāng)每個(gè)象素的值用色彩索引表的位置表示就可以大大節(jié)約存儲(chǔ)空間。這種技術(shù)常用于各種圖象的存儲(chǔ)格式中，如bmp,tif,gif等。（圖象表示用到調(diào)色板時(shí)，象素值是palette的地址）
HSI模型 基于人類對(duì)顏色的感覺(jué)，HSI模型描述顏色的三個(gè)基本特征(摘自Adobe Photoshop Help)：
- 色相是從物體反射或透過(guò)物體傳播的顏色。在?0 到 360 度的標(biāo)準(zhǔn)色輪上，色相是按位置度量的。在通常的使用中，色相是由顏色名稱標(biāo)識(shí)的，比如紅、橙或綠色。
- 飽和度，有時(shí)也稱彩度，是指顏色的強(qiáng)度或純度。飽和度表示色相中灰成分所占的比例，用從?0%（灰色）到 100%（完全飽和）的百分比來(lái)度量。在標(biāo)準(zhǔn)色輪上，從中心向邊緣飽和度是遞增的。
- 亮度是顏色的相對(duì)明暗程度，通常用從?0%（黑）到 100%（白）的百分比來(lái)度量。
光度學(xué)概念（Photometrics）?輻射及光度學(xué)經(jīng)常問(wèn)到的問(wèn)題（Radiometry and Photometry FAQ）
色彩(Color Information,Color Quantization,Palettes)（http://www.efg2.com/lab/library/color.htm）
表面反射(Shape Reflectance)?色彩與反射（Color and Reflectance）
有關(guān)色彩的經(jīng)常問(wèn)到的問(wèn)題(Poynton's Color FAQ)
有關(guān)不同色彩表示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換（HSV-RGB）和其它
攝像機(jī)成象模型（幾何）
?
凸透鏡成象公式?,物距u, 像距v, 焦距f
?
一種常用的簡(jiǎn)化模型，稱為針孔模型（也稱針眼模型或小孔模型），其推導(dǎo)如下：
這種簡(jiǎn)化了的攝象機(jī)模型，實(shí)際上是假設(shè)只有光心處有光通過(guò)，圖象聚在像平面上：
可見(jiàn)成像的過(guò)程中，丟失了深度信息。
網(wǎng)上相關(guān)資料：
眼睛成像與攝象機(jī)成像（Image formation in the eye and the camera）http://www.dai.ed.ac.uk/CVonline/LOCAL_COPIES/OWENS/LECT1/node2.html
成像幾何（Imaging geometry）?3x4投影矩陣?眼睛與圖象的成像幾何
運(yùn)動(dòng)序列
攝像機(jī)或物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，空間點(diǎn)P及其像點(diǎn)P皆是時(shí)間的函數(shù)
| ? | |
| ? |
任一點(diǎn)在時(shí)空（Spatial-Temporal space）中劃出一道軌跡，反映了相對(duì)運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
沿X?軸勻速平移：設(shè)?t=0 時(shí)，P點(diǎn)坐標(biāo)為（X,Y,Z）
| ? | |
| ? |
關(guān)于 t?的微分:?
因而，深度（depth），或稱距離（range）：
| ? | |
| ? |
由此可見(jiàn)， 利用運(yùn)動(dòng)信息可以恢復(fù)出深度，這是 運(yùn)動(dòng)視覺(jué)的經(jīng)典問(wèn)題之一。
立體視覺(jué)（stereo vision）
如上圖所示，設(shè)空間一點(diǎn)P(X,Y,Z)在兩個(gè)平行放置的完全相同的攝象機(jī)中像點(diǎn)分別是(x1,y1).(x2,y2),則在知道基線長(zhǎng)B和焦距f的情況下，可以計(jì)算出深度
| ? | |
| ? |
這是雙目立體視覺(jué)的基本原理，即根據(jù)視差來(lái)恢復(fù)立體信息。
成像幾何和圖象處理的關(guān)系
立體視覺(jué)：關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)應(yīng)點(diǎn)問(wèn)題correspondence problem, 也就是尋找匹配的問(wèn)題matching。
運(yùn)動(dòng)視覺(jué)：研究序列圖象間的對(duì)應(yīng)問(wèn)題，主要問(wèn)題是匹配。對(duì)于瞬時(shí)間的圖象，即間隔時(shí)間很短圖象序列，可以通過(guò)求解光流方程的方法尋找對(duì)應(yīng)，其前提假設(shè)是極短時(shí)間內(nèi)像點(diǎn)的灰度保持不變，只存在位置變化。
平面圖象表示（光學(xué)特性）
圖象上象素光的強(qiáng)度（Intensity）是位置(x,y)，時(shí)間t和光的波長(zhǎng)l的函數(shù)。
黑白圖象（灰度圖象）gray level image，grayscale image，
在時(shí)刻t，圖象位置(x,y)上，象素值等于不同光波光強(qiáng)在其上的加權(quán)和，其中權(quán)值為相對(duì)視敏函數(shù)，表示傳感元對(duì)光波入的敏感性，即由光子轉(zhuǎn)為電子的能力。
彩色圖象。（彩色：白光（全光譜）照射在不同反射特性物體上的反射光，三基色原理，只要測(cè)量R，G，B三種波長(zhǎng)的反射光即可。
其中
?
4.圖象處理
圖象輸入輸出（攝象機(jī)、掃描儀、多媒體視頻卡、圖象板、數(shù)字相機(jī)）
圖象表示、轉(zhuǎn)換（文件格式、幾何變形、亮度及對(duì)比度調(diào)整、剪貼）
圖象處理、分析（檢測(cè)、測(cè)量、特征提取、圖象壓縮、幾何校正）
圖象理解、解釋（模式識(shí)別，3D建模）
作業(yè)
參考文獻(xiàn)
//about color
http://www.insteam.com/LauraFunderburk/spectrum.htm
http://eleceng.ukc.ac.uk/~rls3/Frame1.htm
返回主目錄?返回本章目錄
清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系 艾海舟
最近修改時(shí)間：2000年1月10日
http://media.cs.tsinghua.edu.cn/~ahz/digitalimageprocess/chapter02/chapt02_ahz.htm
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的数字图像处理：第二章 图象获取、显示、表示与处理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
- 上一篇： 数字图像处理：第一章 概述
- 下一篇： 数字图像处理：第三章 灰度直方图