python数字图像处理笔记02 图像的采集

采样和量化

一幅图像必须要在空间和灰度上都离散化才能被计算机处理。
空间坐标的离散化叫做空间采样（简称采样），它确定了图像的空间分辨率。灰度值的离散化叫做灰度量化（简称量化），它确定了图像的幅度分辨率。
采样过程可看作将图像平面划分成规则网格，每个网格中心点的位置由一对笛卡尔坐标(x,y)决定，x和y均取整数。量化过程是给点(x,y)赋予灰度值f，f取整数。采样和量化示意图如图所示。

分辨率与数据量

如果一幅图像的尺寸(空间分辨率)为M×N,表明在成像时采集了MN个样本,或者说图像包含MN个像素。如果对每个像素都用G个灰度值中的一个来赋值,表明在成像时量化成了G个灰度级(幅度分辨率)。在图像处理中，一般将这些量均取为2的整数次幂，即(m、n、k均为正整数)

M×N的图像的存储示意图如

存储一幅图像所需的数据量由图像的空间分辨率和幅度分辨率决定。存储一幅图像所需的位数b(单位是比特, bit)

b=M×N×k

在数字图像处理中，一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素（pixel）组成的，每个像素的灰度级至少要6bit（单色图像）来表示，一般采用8bit（彩色图像），高精度的可用12bit或16bit。

256×256像素的图像：256×256×1=64Kbytes
512×512像素的图像：512×512×1=256Kbytes
1024×1024像素的图像：1024×1024×1=1Mbytes
2048×2048像素的图像：2048×2048×1=4Mbytes

X光照片一般有64Kb～256Kb的数据量，一幅遥感图像达3240×2340×4=30Mbits。

例试求一段采用PAL制式、分辨率为1024×768、长度为1分钟的高清彩色视频所占用的存储空间的大小。

PAL制式为25帧/秒，即每秒播放25副图像，因此，1分钟的视频共需存储25×60=1500副图像；由彩色图像每个像素需要用3个字节（Byte）存储，因此，一副分辨率为1024×768的图像需要占用1024×768×3(Bytes)=2359296(Bytes)=2303(KBytes)=2.25(MBytes)；因此，该段视频所占用的存储空间为：1500×2.25(MBytes)=3375(MBytes)=3.30(GBytes)。

图像的质量

图像的质量是一个相当主观的问题，质量的好坏很难有一个统一的评价标准，它不仅与图像质量本身的特性有关，还与观察者的个人鉴赏能力和特定应用的需求有关。总的来说，影响图像质量的主要因素是图像的空间分辨率和幅度分辨率。

空间分辨率变化-幅度分辨率不变

(a)1024×1024分辨率，256级灰度 (b)512×512分辨率，256级灰度
©256×256分辨率，256级灰度 (d)128×128分辨率，256级灰度
(e)64×64分辨率，256级灰度 (f)32×32分辨率，256级灰度
采样方法：后一幅图像从前一幅图像中每隔一行或一列删除一行或一列。

上中的每一幅图像的差别很难被看出，为了比较图像之间的差别，首先对图像的尺寸进行归一化处理，方法是分别对每一幅图像进行复制行和复制列的操作，这样可以得到大小相同的图像，如图所示。

空间分辨率减小、幅度分辨率不变时，图像质量由精细变得粗糙。图(d)中的景物已几乎不能分辨。因此，图像空间分辨率的变化对图像质量有较大影响。

空间分辨率不变-幅度分辨率变化

空间分辨率变化、同时幅度分辨率变化

图(a)为一副256×256，256级灰度的图像，图(b)至图(d)分辨率依次减半，同时灰度级依次减少。
由图可知，空间分辨率减小、同时幅度分辨率减小时，图像质量由精细变得粗糙，且变化的速度加快。图©中的景物就已经不能分辨，图(d)中的景物更是没有意义。

图像类型

图像类型指图像的颜色深度与像素颜色之间的关系。
颜色深度的概念：
数字图像的颜色深度表示每一个像素的颜色值所占的二进制位数。
例如：颜色深度为8，表示每一个像素的颜色值占8个二进制位，即1个字节。
颜色数的概念：
数字图像的颜色数表示每一个像素所有可能的颜色值的个数，即图像颜色表的表项数。
例如：颜色深度为8的图像的颜色数为28=256。
二值图像也称单色图像或1位图像，即颜色深度为1的图像。
颜色深度为1表示每个像素点仅占1位。
一般地，0表示黑，1表示白。
一幅二值图像如图2-18(a)所示，其对应的图像数据如图2-18(b)所示。

灰度图像是包含灰度级（亮度）的图像。
灰度图像的特点包括：
（1）灰度图像的存储文件包含图像颜色表，该颜色表有256项，每一项由红、绿、蓝颜色分量组成，且红、绿、蓝颜色分量的值都相等。
fG(x,y)=fR(x,y)=fB(x,y)
（2）每个像素由8位组成，其值范围从0~255，表示256种不同的灰度级。
（3）像素的像素值f(x,y)是图像颜色表的表项入口地址。

伪彩色图像的特点包括：
（1）其存储文件包含图像颜色表，该颜色表有256项，每一项由红、绿、蓝颜色分量组成，且红、绿、蓝颜色分量的值不全相等。
fG(x,y)≠ fR(x,y)≠ fB(x,y)
（2）像素的像素值f(x,y)是图像颜色表的表项入口地址。
伪彩色图像的分类：
256色彩色图像: 每个像素由8位组成，其值范围从0~255，表示256种不同的颜色。256色图像有照片效果，比较真实。
16色彩色图像: 每个像素由4位组成，其值范围从0~15，表示16种不同的颜色。

真彩色图像的特点包括：
（1）真彩色图像的图像文件中不包含图像颜色表。
（2）每个像素由R、G、B三个分量组成，每个分量各占8位，每个像素共占24位。
（3）每个分量fG(x,y)、 fR(x,y)、 fB(x,y)的取值范围从0~255。
图2-20(a)或图2-20(a) 都是真彩色图像。
一幅真彩色图像如图所示。