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1、3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型一、图像获取技术一、图像获取技术1 图像采集系统图像采集系统图像采集系统原理框图它可以分成照明系统、同步系统、扫描系统、光电转换系统、AD转换系统五个部分。图1图像采集系统原理框架3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型1 图像采集系统图像采集系统照明系统提供光源照射被采集对象(景物)，为光/电转换系统提供足够亮够的光强度信号。同步系统提供整个图像采集系统的时钟同步信号，以使系统中的所有部件同步动作。扫描系统是图像采集系统中固有部分，它通过对整幅图像的扫描实现被采集图像空间坐标的离散化，以获得每个采
2、样点的光强度值。扫描可以采用机械手段、电子束或者集成电路来完成。光/电转换系统负责把扫描系统输出的与采样点属性对应的光信号转换为电信号，并提供必要的放大处理以，以与A/D转换系统相匹配。从光/电转换系统输出的电信号进入A/D转换系统，经过采样/保持，A/D转换后，转换成数字信号输出，供存储、显示和其他处理。(1)光光/电转换特性电转换特性图像传感器通过光/电器件将光信号转换为电信号。在照明系统的照射下，如果光信号的能量(光强度)低于光/电器件的感应阈值，光/电器件对该强度的光信号没有反应，称为无感应区域；当光强度达到一定的强度以后，再增加输入的光信号强度，光/电器件产生的电信号强度也不会变化，
3、称为饱和区域；介于无感应区域和饱和区域之间的光强度区域，称为动态区域。光电器件应该正常工作在动态区域。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型图2输入/输出变换特性曲线(2)图图像像传传感器感器图像传感器主要完成光电转换功能。图像传感器按照结构可以分为两类：CCD型和CMOS型图像传感器，前者采用光电耦合器件构成，后者采用金属氧化物器件构成，两者都采用光/电二极管结构感受入射光并转换为电信号，区别在于输出电信号所用方式不同。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型2 图像输入设备图像输入设备 (1)图像采集卡图像采集卡 通常图像输入卡安装
4、于计算机主板扩展槽中，主要包括图像存储器单元、显示查找表(LUT)单元、CCD摄像头接口(AD)、监视器接口(DA)和PC机总线接口单元。工作过程如下：摄像头实时或准时采集数据，经AD变换后将图像存放在图像存储单元的一个或三个通道中，DA变换电路自动将图像显示在监视器上。通过主机发出指令，将某一帧图像静止在存储通道中，即采集或捕获一帧图像，然后可对图像进行处理或存盘。高档卡还包括卷积滤波、FFT(快速傅立叶变换)等图像处理专用的快速部件。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(2)扫描仪扫描仪 扫描仪主要用于对照片、平板画和幻灯片作数字化处理。目前扫描仪的价格并不
5、昂贵，而且种类繁多，但不同的扫描仪提供不同的图像质量，这正如不同类型的照相机照出不同质量的相片一样。在开始扫描之前，必须知道自己最终图像的大小并计算出正确的扫描分辨率，同监视器分辨率一样，扫描分辨率也是以每英寸有多少像素来衡量的，单位为dpi。一个图像所包含的像素越多，表明它所容纳的信息也就越多。因此，通常往一个图像填塞的像素越多，图像也就会越清晰。如果以低分辨率进行扫描，则图像就可能会模糊不清，或者可能会看见图像中单个的像素元素。常用的扫描仪主要有平板扫描仪、幻灯片扫描仪、旋转鼓形扫描仪。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(3)数码照相机数码照相机 数码照相
6、机又称数字照相机，是二十世纪末开发出的新型照相机。在拍摄和处理图像方面有着得天独厚的优势。随着电脑的普及，以及对电脑图像处理技术的认同，数码照相机在视觉检测方面得到了广泛的应用。数码照相机主要由光学镜头、感光传感器(CCD或CMOS)、A/D转换器、图像处理器(DSP)、图像存储器(Memory)、液晶显示器(LCD)、端口、电源和闪光灯等组成。其组成框图如图3所示。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型图3数码照相机组成框图(4)数码摄像机数码摄像机数码摄像机进行工作的基本原理简单的说就是光-电-数字信号的转变与传输。即通过感光元件将光信号转变成电流，再将模拟电
7、信号转变成数字信号，由专门的芯片进行处理和过滤后得到的信息还原出来就是我们看到的动态画面了。数码的感光元件能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，主要有两种：一种是广泛使用的CCD元件；另一种是CMOS器件。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型二二、图像的文件格式及类型、图像的文件格式及类型1常用的图像文件格式常用的图像文件格式数字图像有多种存储格式，每种格式一般由不同的开发商支持。随着信息技术的发展和图像应用领域的不断拓宽，还会出现新的图像格式。(1)BMP文件格式文件格式BMP
8、文件又称位图文件(bitmap,BMP)，是一种与文件无关的图像文件格式，是一种位映射的存储形式。是Windows软件推荐使用的一种格式。应用广泛。BMP文件被分成几个域：位图文件参数头域、位图参数头域、调色板域(颜色定义表)和位图数据域等。(2)GIF文件格式文件格式图形交换格式(GraphicsInterchangeFormat，GIF)是由CompuServe公司开发的图形文件格式，非常适合于较简单的图像，可利用于小动画或低分辨率电影剪辑等。GIF图像文件是以数据块为单位来存储图像的相关信息。一个GIF文件由表示图形/图像的数据块、数据子块以及显示图形/图像的控制信息块组成，称为GIF数
9、据流。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(3)TIFF 图像文件格式图像文件格式标签图像文件格式（TagImageFileFormat,TIFF）是一种灵活的位图格式，主要用来存储包括照片和艺术图在内的图像，最初由Aldus公司与微软公司一起为PostScript打印开发。它是现存图像文件格式中最复杂的一种，它提供存储各种信息的完备的手段，可以存储专门的信息而不违反格式宗旨，是目前流行的图像文件交换标准之一。TIFF文件以.tif为扩展名。其数据格式是一种3级体系结构，内部结构可以分成三个部分，分别是：文件头信息区、标识信息区和图像数据区。其中所有的标签都是以
10、升序排列，这些标签信息是用来处理文件中的图像信息的。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(4)JPEG图像格式图像格式JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)即联合图像专家组，是用于连续色调静态图像压缩的一种标准，文件后缀名为.jpg或.jpeg，是最常用的图像文件格式。其主要是采用预测编码(DPCM)、离散余弦变换(DCT)以及熵编码的联合编码方式，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩格式，它能够将图像压缩在很小的储存空间，一定程度上会造成图像数据的损伤。主要是为了解决专业摄影师所遇到的图像信息过于庞大的问题。由于JPEG的高
11、压缩比和良好的图像质量，使得它广泛应用于多媒体和网络程序中。JPEG和GIF成为HTML语法选用的图像格式。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型2数字图像类型数字图像类型计算机中描述和表示数字图像和计算机生成图形图像有两种常用的方法：矢量图法和位图法。矢量图法是用数学(更准确地说是几何学)公式描述一幅图像。位图是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。位图有多种表示的描述的模式，但从大的方面来说，主要可以分为黑白图像、灰度图像和彩色图像。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图
12、像获取技术与图像文件格式及类型(1)黑白图像黑白图像(二值图像二值图像)一幅二值图像的二维矩阵仅由0、1两个值构成，“0”代表黑色，“1”代白色。由于每一像素（矩阵中每一元素）取值仅有0、1两种可能，所以计算机中二值图像的数据类型通常为1个二进制位。二值图像通常用于文字、线条图的扫描识别（OCR）和掩膜图像的存储。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(2)灰度图像灰度图像灰度图像矩阵元素的取值范围通常为0，255。因此其数据类型一般为8位无符号整数的（int8），这就是人们经常提到的256灰度图像。“0”表示纯黑色，“255”表示纯白色，中间的数字从小到大表示由
13、黑到白的过渡色。在某些软件中，灰度图像也可以用双精度数据类型（double）表示，像素的值域为0，1，0代表黑色，1代表白色，0到1之间的小数表示不同的灰度等级。二值图像可以看成是灰度图像的一个特例。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(3)彩色图像彩色图像(索引图像索引图像)索引图像的文件结构比较复杂，除了存放图像的二维矩阵外，还包括一个称之为颜色索引矩阵MAP的二维数组。MAP的大小由存放图像的矩阵元素值域决定，如矩阵元素值域为0，255，则MAP矩阵的大小为256*3，用MAP=RGB表示。MAP中每一行的三个元素分别指定该行对应颜色的红、绿、蓝单色值，M
14、AP中每一行对应图像矩阵像素的一个灰度值，如某一像素的灰度值为64，则该像素就与MAP中的第64行建立了映射关系，该像素在屏幕上的实际颜色由第64行的RGB组合决定。也就是说，图像在屏幕上显示时，每一像素的颜色由存放在矩阵中该像素的灰度值作为索引通过检索颜色索引矩阵MAP得到。索引图像的数据类型一般为8位无符号整形（int8），相应索引矩阵MAP的大小为2563，因此一般索引图像只能同时显示256种颜色，但通过改变索引矩阵，颜色的类型可以调整(通常每一个索引对应的RGB值相同，如果不同则为伪彩色图像)。索引图像的数据类型也可采用双精度浮点型（double）。索引图像一般用于存放色彩要求比较简单
15、的图像，如Windows中色彩构成比较简单的壁纸多采用索引图像存放，如果图像的色彩比较复杂，就要用到RGB真彩色图像。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型(3)彩彩色色图图像像(真真彩彩色色RGB图图像像)(每每个个像像素素占占24位位，而而伪伪彩彩色图片每个像素占色图片每个像素占8位位)RGB图像与索引图像一样都可以用来表示彩色图像。与索引图像一样，它分别用红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的组合来表示每个像素的颜色。但与索引图像不同的是，RGB图像每一个像素的颜色值（由RGB三原色表示）直接存放在图像矩阵中，由于每一像素的颜色需由R、G、B三个分量来表示，M、N分别表示图像的行列数，三个MxN的二维矩阵分别表示各个像素的R、G、B三个颜色分量。RGB图像的数据类型一般为8位无符号整形，通常用于表示和存放真彩色图像，当然也可以存放灰度图像。3 图像获取技术与图像文件格式及类型图像获取技术与图像文件格式及类型注注意：意：图像通道图像通道理解理解1.1.灰度图像按行列存储，每列仅含一个通道灰度图像按行列存储，每列仅含一个通道 2.2.RGBRGB图像存像存储方式如下，每列含有三个通道（注意：通道的方式如下，每列含有三个通道（注意：通道的顺序是序是 BGR BGR 而不是而不是 RGBRGB）