圖像數字化:遙感學研究方法-中文百科頻道

簡介

定義：圖像數字化是利用計算機技術、信息處理技術、光電技術将各種模拟圖像轉換成數字數據的方法。

圖像數字化的對象

1、模拟圖像：空間上連續/不分割、信号值不分等級的圖像。

2、數字圖像：空間上被分割成離散像素，信号值分為有限個等級、用數碼0和1表示的圖像。

圖像數字化的意義

圖像數字化是将模拟圖像轉換為數字圖像。圖像數字化是進行數字圖像處理的前提。圖像數字化必須以圖像的電子化作為基礎，把模拟圖像轉變成電子信号，随後才将其轉換成數字圖像信号。

圖像數字化的方法

将圖像信息采集技術，運用的主要方法是掃描技術，該技術已非常成熟。另外的方法是直接運用數字攝影技術。

概念

1、圖像的模拟/數字轉換：将模拟圖像信号轉換為數字圖像信号的過程和技術。

2、過程：模拟/數字轉換(A/D)分為三步，模拟信号采樣、量化、編碼。

3、采樣：按照某種時間間隔或空間間隔，采集模拟信号的過程(空間離散化)。

4、量化：将采集到的模拟信号歸到有限個信号等級上(信号值等級有限化)。

5、編碼：将量化的離散信号轉換成用二進制數碼0/1表示的形式。

6、采樣頻率：單位時間或單位長度内的采樣次數，表示公式見圖所示。

7、量化位數：模拟信号值劃分的等級數。一般按二進制位數衡量。量化位數決定了圖像階調層次級數的多少。

過程

要在計算機中處理圖像，必須先把真實的圖像（照片、畫報、圖書、圖紙等）通過數字化轉變成計算機能夠接受的顯示和存儲格式，然後再用計算機進行分析處理。圖像的數字化過程主要分采樣、量化與編碼三個步驟。

采樣

采樣的實質就是要用多少點來描述一幅圖像，采樣結果質量的高低就是用前面所說的圖像分辨率來衡量。簡單來講，對二維空間上連續的圖像在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形網狀結構，所形成的微小方格稱為像素點。一副圖像就被采樣成有限個像素點構成的集合。例如：一副640*480分辨率的圖像，表示這幅圖像是由640*480=30 7200個像素點組成。

如圖“圖像采樣”所示，左圖是要采樣的物體，右圖是采樣後的圖像，每個小格即為一個像素點。

采樣頻率是指一秒鐘内采樣的次數，它反映了采樣點之間的間隔大小。采樣頻率越高，得到的圖像樣本越逼真，圖像的質量越高，但要求的存儲量也越大。

在進行采樣時，采樣點間隔大小的選取很重要，它決定了采樣後的圖像能真實地反映原圖像的程度。一般來說，原圖像中的畫面越複雜，色彩越豐富，則采樣間隔應越小。由于二維圖像的采樣是一維的推廣，根據信号的采樣定理，要從取樣樣本中精确地複原圖像，可得到圖像采樣的奈奎斯特（Nyquist）定理：圖像采樣的頻率必須大于或等于源圖像最高頻率分量的兩倍。

量化

量化是指要使用多大範圍的數值來表示圖像采樣之後的每一個點。量化的結果是圖像能夠容納的顔色總數，它反映了采樣的質量。

例如：如果以4位存儲一個點，就表示圖像隻能有16種顔色；若采用16位存儲一個點，則有216=65536種顔色。所以，量化位數越來越大，表示圖像可以擁有更多的顔色，自然可以産生更為細緻的圖像效果。但是，也會占用更大的存儲空間。兩者的基本問題都是視覺效果和存儲空間的取舍。

假設有一幅黑白灰度的照片，因為它在水平于垂直方向上的灰度變化都是連續的，都可認為有無數個像素，而且任一點上灰度的取值都是從黑到白可以有無限個可能值。通過沿水平和垂直方向的等間隔采樣可将這幅模拟圖像分解為近似的有限個像素，每個像素的取值代表該像素的灰度（亮度）。對灰度進行量化，使其取值變為有限個可能值。

經過這樣采樣和量化得到的一幅空間上表現為離散分布的有限個像素，灰度取值上表現為有限個離散的可能值的圖像稱為數字圖像。隻要水平和垂直方向采樣點數足夠多，量化比特數足夠大，數字圖像的質量就比原始模拟圖像毫不遜色。

在量化時所确定的離散取值個數稱為量化級數。為表示量化的色彩值（或亮度值）所需的二進制位數稱為量化字長，一般可用8位、16位、24位或更高的量化字長來表示圖像的顔色；量化字長越大，則越能真實第反映原有的圖像的顔色，但得到的數字圖像的容量也越大。

例如：“線段AB（量化）”，沿線段AB的連續圖像灰度值的曲線，取白色值最大，黑色值最小。

先采樣：沿線段AB等間隔進行采樣，取樣值在灰度值上是連續分布的。

再量化：連續的灰度值再進行數字化（8個級别的灰度級标尺）。