[科普中国]-图像数字化-

简介图像数字化的对象

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。1

图像数字化的意义图像数字化是将模拟图像转换为数字图像。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。1

图像数字化的方法将图像信息采集技术，运用的主要方法是扫描技术，该技术已非常成熟。另外的方法是直接运用数字摄影技术。1

概念1.图像的模拟/数字转换：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)。

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，表示公式见图所示。

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。1

图像数字化过程要在计算机中处理图像，必须先把真实的图像（照片、画报、图书、图纸等）通过数字化转变成计算机能够接受的显示和存储格式，然后再用计算机进行分析处理。图像的数字化过程主要分采样、量化与编码三个步骤。2

采样采样的实质就是要用多少点来描述一幅图像，采样结果质量的高低就是用前面所说的图像分辨率来衡量。简单来讲，对二维空间上连续的图像在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，所形成的微小方格称为像素点。一副图像就被采样成有限个像素点构成的集合。例如：一副640*480分辨率的图像，表示这幅图像是由640*480=307200个像素点组成。

如图“图像采样”所示，左图是要采样的物体，右图是采样后的图像，每个小格即为一个像素点。

采样频率是指一秒钟内采样的次数，它反映了采样点之间的间隔大小。采样频率越高，得到的图像样本越逼真，图像的质量越高，但要求的存储量也越大。

在进行采样时，采样点间隔大小的选取很重要，它决定了采样后的图像能真实地反映原图像的程度。一般来说，原图像中的画面越复杂，色彩越丰富，则采样间隔应越小。由于二维图像的采样是一维的推广，根据信号的采样定理，要从取样样本中精确地复原图像，可得到图像采样的奈奎斯特（Nyquist）定理：图像采样的频率必须大于或等于源图像最高频率分量的两倍。2

常用的几种分辨率如下：

(1)屏幕分辨率。屏幕分辨率也称光栅分辨率，用于确定计算机屏幕上显示多少信息，以水平和垂直像素来衡量。屏幕分辨率低时(例如640×480)，在屏幕上显示的项目少，但尺寸比较大；屏幕分辨率高时(例如1600×1200)，在屏幕上显示的项目多，但尺寸比较小。

(2)显示分辨率。显示分辨率是指计算机显示控制器所能提供的显示模式。显示分辨率就是屏幕上显示的像素个数，分辨率160×128的意思是水平方向含有像素数160个。垂直方向含有像素数128个。在屏幕尺寸一样的情况下，分辨率越高，显示效果越精细、细腻。

(3)图像分辨率。图像分辨率指图像中存储的信息量，是每英寸图像内有多少个像素点，分辨率的单位为PPI(Pixels Per Inch)，通常读作像素每英寸。图像分辨率的表达方式也是“水平像素数×垂直像素数”。需要注意的是，在不同的书籍中，甚至在同一本书中的不同地方，对图像分辨率的叫法不同。除图像分辨率这种叫法外，它也可以叫图像大小、图像尺寸、像素尺寸和记录分辨率。在这里，“大小”和“尺寸”一词的含义具有双重性，它们既可以指像素的多少(数量大小)，又可以指画面的尺寸(边长或面积的大小)，因此很容易引起误解。由于在同一显示分辨率的情况下，分辨率越高的图像像素点越多，图像的尺寸和面积越大，所以往往有人会用图像大小和图像尺寸来表示图像的分辨率。

(4)位分辨率。位分辨率又叫位深，用来衡量每个像素存储的信息位元数，该分辨率决定图像的每个像素中存放的颜色信息。例如一个24位的RGB图像．表示该图像的原色R、G、B各用了8b，三者共用了24b。而在RGB图像中，每个像素都要记录R、G、B三原色的信息，所以，每个像素所存储的位元数是24。

(5)输出分辨率。输出分辨率又称打印机分辨率，是指打印机等输出设备每英寸所产生的点数(dpi)。输出分辨率决定了输出图像的质量，输出分辨率越高，可以减少打印的锯齿边缘，在灰度的色调表现上也会较平滑。打印机的分辨率可以达到300dpi，甚至720dpi(需要用特殊纸张)；而较老机型的激光打印机的分辨率通常为300～360dpi，由于超微细碳粉技术的成熟，新的激光打印机的分辨率可达600～1200dpi，用作专业排版输出已经绰绰有余了。

(6)扫描仪分辨率。扫描仪分辨率的表示方法与打印机类似，一般也用dpi表示，不过这里的点是样点，与打印机的输出点是不同的。一般扫描仪提供的方式是水平分辨率要比垂直分辨率高。台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨率和输出分辨率。光学分辨率是指扫描仪硬件真正扫描到的图像分辨率，目前市场上的产品其光学分辨率可到800～1200dpi。输出分辨率是通过软件强化以及内插补点之后产生的分辨率，大约为光学分辨率的3～4倍。所以当你见到号称分辨率高达4800dpi或6400dpi的扫描仪时．这一定指的是输出分辨率。

在进行采样时，采样点间隔大小的选取很重要，它决定了采样后的图像能真实地反映原图像的程度。一般来说，原图像中的画面越复杂，色彩越丰富，则采样间隔应越小。由于二维图像的采样是一维的推广，根据信号的采样原理，要从取样样本中精确地复原图像，可得到图像采样的奈奎斯特(Nyquist)定理：图像采样的频率必须大于或等于源图像最高频率分量的两倍。3

量化量化是指要使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点。量化的结果是图像能够容纳的颜色总数，它反映了采样的质量。

例如：如果以4位存储一个点，就表示图像只能有16种颜色；若采用16位存储一个点，则有216=65536种颜色。所以，量化位数越来越大，表示图像可以拥有更多的颜色，自然可以产生更为细致的图像效果。但是，也会占用更大的存储空间。两者的基本问题都是视觉效果和存储空间的取舍。

假设有一幅黑白灰度的照片，因为它在水平于垂直方向上的灰度变化都是连续的，都可认为有无数个像素，而且任一点上灰度的取值都是从黑到白可以有无限个可能值。通过沿水平和垂直方向的等间隔采样可将这幅模拟图像分解为近似的有限个像素，每个像素的取值代表该像素的灰度（亮度）。对灰度进行量化，使其取值变为有限个可能值。

经过这样采样和量化得到的一幅空间上表现为离散分布的有限个像素，灰度取值上表现为有限个离散的可能值的图像称为数字图像。只要水平和垂直方向采样点数足够多，量化比特数足够大，数字图像的质量就比原始模拟图像毫不逊色。

在量化时所确定的离散取值个数称为量化级数。为表示量化的色彩值（或亮度值）所需的二进制位数称为量化字长，一般可用8位、16位、24位或更高的量化字长来表示图像的颜色；量化字长越大，则越能真实第反映原有的图像的颜色，但得到的数字图像的容量也越大。

例如：图“线段AB（量化）”，沿线段AB（左图）的连续图像灰度值的曲线（右图），取白色值最大，黑色值最小。

先采样：沿线段AB等间隔进行采样，取样值在灰度值上是连续分布的，如图“线段的采样和量化”左图；

再量化：连续的灰度值再进行数字化（8个级别的灰度级标尺），如图“线段的采样和量化”右图。2

压缩编码数字化后得到的图像数据量十分巨大，必须采用编码技术来压缩其信息量。在一定意义上讲，编码压缩技术是实现图像传输与储存的关键。已有许多成熟的编码算法应用于图像压缩。常见的有图像的预测编码、变换编码、分形编码、小波变换图像压缩编码等。

当需要对所传输或存储的图像信息进行高比率压缩时，必须采取复杂的图像编码技术。但是，如果没有一个共同的标准做基础，不同系统间不能兼容，除非每一编码方法的各个细节完全相同，否则各系统间的连接十分困难。

为了使图像压缩标准化，20世纪90年代后，国际电信联盟(ITU)、国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC已经制定并继续制定一系列静止和活动图像编码的国际标准，已批准的标准主要有JPEG标准、MPEG标准、H.261等。2