[科普中国]-数字影像

简介

像元空间坐标和灰度值均已离散化，且灰度值随其点位坐标而异。数字影像可直接在航天或航空遥感的扫描式传感器成像时产生，并记录在磁带上；也可利用影像数字化装置对模拟像片进行数字化，也记录在数字磁带上。数字影像像元数及像元灰度的量化级数，通常取2的整数幂。数字影像表达方式可通过傅里叶变换由“空间域”形式转变为“频率域”形式，且可进行各种数字图像处理，如数据压缩、影像增强、自动分类等。

表达方式数字影像一般总是表达为空间的灰度函数，构成为矩阵形式的阵列。这种表达方式是与其真实影像相似的。其优点在于能应用矩阵理论对图像进行分析处理。但在表示数字图像的能量、相关等特性时，采用图像的矢量（向量）表示比用矩阵表示方便。若按行的顺序排列像素，使该图像后一行第一个像素紧接前一行最后一个像素。优势在于对图像进行处理时，可以直接利用向量分析的有关理论和方法。构成向量时，既可以按行的顺序，也可以按列的顺序。选定一种顺序后，后面的处理都要与之保持一致。

另外，也可以通过变换，用另一种方式来表达，例如通过傅立叶变换，把影像的表达由“空间域”变换到“频率域”中。在空间域内表达像点不同位置处的灰度值，再频率域内则表达在不同频率中的振幅谱。变换后矩阵中元素的数目与原像中的相同，但其中许多是零值或数值很小，通过变换，数据信息可以被压缩，使其更有效的存储和传递；其次影像分解力的分析以及许多影像处理过程，在频域内更有利于进行。

发展史在航天遥感蓬勃发展的同时，航空遥感因其机动性好，时效性高，目的性强，携带仪器多，相对投入较低等优点仍是获取地球信息的主要途径之一。进入九十年代，迅速发展的航空数字相机向传统的航空胶片摄影发出了挑战，它建立在当代多项高技术成果基础上并具有一系列优点，在各种遥感应用领域己表现出巨大的应用潜力。

在国内，为了满足不断发展的经济建设需要以及“建立数字中国”、数字省、数字城市等的热潮的兴起，数字影像在测绘、气象、医疗、环境、地质、水利、电力、农业、交通以及城市规划等领域得到了广泛的应用，在测绘领域，伴随着全数字摄影测量工作站的推广，数字影像地图由于其成图速度快，直观易用，信息丰富(例如彩色多波段合成影像)，而受到普遍欢迎。1近年来我国沿海一些经济发达地区，已普遍测制了大比例尺影像地图，有些省份还建立起了地区影像库，例如广东省国土厅已经建立起广东省的1:25万、1:5万和1:1万比例尺的数字影像库。

基本特点与类型（1） 便于计算机进行处理

数字影像是数字电影特技，计算机影像修复以及计算机辅助设计的基础。数字影像较传统影像而言，便于计算机对影像进行修改，可以完成传统影像难以完成甚至无法完成的效果。

利用数字影像技术我们还可以修复那些已经损坏的文本或声像档案资料。英国科学家首次利用数字影像技术，复原了古埃及法老图坦卡蒙的面部图像，让人们有机会一睹这位“男孩法老”的真容。

（2） 便于高密度存储，管理，提高资料的存取速度

数字影像便于存储，很多发达国家已经以数字影像技术作为保存影像的手段，他们认为这种做法不仅存储密度高，而且移植速度快，可以节省大量资金。另外随着科技的进步，时代的发展，各行各业都有大量的文本、影像以及声像资料需要保存，而传统的保存方式的存储密度都不及数字方式。一盘16mm缩微卷片可以容纳2400页A4幅面的文件，而一张CD-ROM 光盘则可以存储1.8 万页A4幅面的文本文件或者70分钟以MPEGII标准压缩的活动影像，而现今DVD平均存储容量则是VCD 的3 倍。

数字影像技术很容易和先进的数据库技术相结合，从而对数字化的影像进行非常高效的管理，不易随时间的变化而使资料损失。另外，用户可以在浩瀚的影像资源中仅花数秒即可调阅所需资料，达到资源共享。

（3） 充分利用网络资源，便于远程传输存取

数字影像远程存取已经在诸多领域得到应用。例如远程医疗系统，可以通过网络将患者X光片或其它检查信息从较小的医院传送给大型医院，以便请有经验的医学专家会诊。虚拟图书馆也是利用这种技术，使读者无需走出家门便可以通过网络“借阅”所需图书资料。甚至足不出户便可进入国外的图书馆。

（4） 实现影像素材的非线性编辑

传统影像技术，例如照相机、摄像机等拍摄后，要等胶片冲洗，以至照片出来后才能看到结果，最快也得几十分钟。数字影像性对于传统影像而言，成像速度快；灰阶动态范围大；密度分辩率相对较高；线性好；层次丰富，影像清晰。

（5） 可以无限次地复制影像资料而不会影响质量

传统的影像复制过程，无论是光化学影像体系，还是电子视频影像体系，都不能很好地避免复制过程中的信号损失。一般认为，胶片在印制过程中，每印制一代，解像力下降一级，即相当于信号质量下降10%。录像带在复制过程中每翻录一代，信噪比大约下降3dB。这样为了保证复制品的品质，只能反复地使用原件进行复制，这样既不利于资料的调用管理，也不利于保存，时间长了肯定在一定程度上会损坏资料原件。而数字影像尽管在数字化过程中会有失真，但一旦数字化完成后便可以无限次地复制而不影响质量，同时还可以多人共享节约时间。

（6） 以比特流方式存储，可以减小污染

传统胶片记录影像是通过胶片中的感光乳剂，在光的作用下发生化学反应，形成潜影的方式记录影像的。而胶片的生产和冲洗，都要使用大量的化工产品，对环境会造成污染。数字影像技术不使用传统胶片，而是用物理的方式记录影像。后期图像处理的工具是计算机，不会对环境造成污染。

存储数字影像具有很多种存储格式，常见的如RAW，BMP，TIFF等等，同时在影像生产和交换过程中一般还需提供和交换许多附加数据，例如在正射影像图的生产中就需要了解传感器类型、检校参数、摄影日期等数据。有关影像格式的说明和除影像外与影像有关的附加数据统称影像的内容，数字影像内容的完整性描述了上述参数和说明的完整程度。

数字图像可以许多不同的输入设备和技术生成，例如数码相机、扫描仪、坐标测量机、seismographic profiling、airborne radar等等，也可以从任意的非图像数据合成得到，例如数学函数或者三维几何模型，三维几何模型是计算机图形学的一个主要分支。数字图像处理领域就是研究它们的变换算法。2

分类二值图像 (Binary Image): 图像中每个像素的亮度值(Intensity)仅可以取自0到1的图像。

灰度图像 (Gray Scale Image)，也称为灰阶图像: 图像中每个像素可以由0(黑)到255(白)的亮度值表示。0-255之间表示不同的灰度级。

彩色图像 (Color Image)：每幅彩色图像是由三幅不同颜色的灰度图像组合而成，一个为红色，一个为绿色，另一个为蓝色。

伪彩色图像（false-color） multi-spectral thematic。

立体图像 (Stereo Image)：立体图像是一物体由不同角度拍摄的一对图像，通常情况下我们可以用立体像计算出图像的深度信息。

三维图像 (3D Image):三维图像是由一组堆栈的二维图像组成。每一幅图像表示该物体的一个横截面。 数字图像也用于表示在一个三维空间分布点的数据，例如计算机断层扫描（en:tomographic，CT）设备生成的图像，在这种情况下，每个数据都称作一个体素。

应用数字影像技术携着它巨大的优势已经渗入了我们生活的方方面面: 数字化电影; 数字化电视; 数字化会议、传真；3D虚拟现实；数字档案和数字化图书馆等。最具代表性的就是数字档案与数字图书馆，其信息量大、媒介物质多样、对原件的保存要求较高。3

数字档案与数字图书馆是利用现代信息技术对传统介质的图像、文字进行数字化处理，使其转化为数字信息，通过计算机技术处理，通过网络通信技术传输。