第二章 图像数字化

2.1 概述

由于计算机只能处理数字图像，而自然界提供的图像却是其他形式的，所以数字图像的一个先决条件就是将数字图像转化为数字形式。一般来说，给普通的计算机设备一套专用的图像数字化设备就可以使之成为一台图像工作站。

2.0.1 图像数字化器的组成

一个图像数字化器必须能够把图像划分为若干个图像元素（像素）并给出它们的地址，能够度量每一像素的灰度，并把连续的量化结果量化为整数，以及能够将这些整数结果写入存储设备。为完成这些功能，图像数字化器必须包含一下五个组成部分：

1.采样孔（Samplig aperture）：使数字化设备能够单独观测特定的图像元素而不受图像其他部分的影响；

2.图像扫描机构：使采样孔按照预先确定的方式在图像上移动，从而按顺序观测每一像素。

3.光传感器：通过采样孔测量图像的每一像素的亮度。它通常是一个将光强转化为电压或电流的变换器。

4.量化器：将传感器输出的连续量转化为整数值。典型的量化器是一种被称为“模数转换器”的电路，它产生一个与输入电流或电压成比例的数值。

5.输出存储体：将量化器产生的灰度值按适当格式储存起来，以用于后续的计算机处理，它可以是固态存储器，也可以是磁盘或其他合适的设备。

2.2 图像数字化器的性能

 像素大小 采样孔的大小和相邻两像素的间距是两个重要的性能指标。如果数字化器装在一个放大率可变的光学系统上，那么对应于输入图像平面上的采样孔大小和采样间距也将是可变的。

 图像大小 另一个重要的参数是仪器允许输入的图像的大小，对胶片扫描仪而言，最大的输入尺寸可能是35mm或11 x 14 英寸的X光胶片。对于输出而言，图像大小是由最大行数和每行最大像素数决定的。

 被测的局部特征 为图像数字化器所测量和量化的实际物理参数是其第三个重要特性。

 线性度 数字化的线性程度也是一个重要的方面。例如，对光强进行数字化时，应当知道灰度正比于图像亮度的实际精确度是多少。

 噪声 数字化设备引入的噪声是图像质量下降的根源之一，应当使噪声小于图像内的反差。

2.3 图像数字化器的类型

2.3.1 扫入与扫出数字化

在“扫出”系统中，整个物体或胶片图像被照亮，采样孔每次仅允许光传感器“看”到一个像素、

在“扫入”系统中，物体每次只有一小点被照亮，并且所有传过来的光线都被传感器收集；在这种情况下，是物体被照明光线扫描，而传感器则“看到”整个场景。

还有一种做法是将上述两种方法组合。在“扫入/扫出”系统中，物体被一个运动的点照亮并由一个跟随该点运动的采样孔所采样，但由于系统的复杂性，使得这类系统的使用被限制。

2.4 图像数字化器的组成元件

2.4.1 光源

白炽灯 最普通的人造光源。

激光器 激光器可以产生高度集中的光线。适用于“扫入”数字化器。

荧光物质 荧光物质收到电子照射会发光。

发光二极管（LED） 固态发光二极管也可构成小型、方便的光源。适合“扫入”数字化系统。

2.4.2 光传感器

光传感器根据照射其上的光的强度，按比例产生一个电信号。分别利用五种不同的物理现象得到五种光传感器：光电发射器件、光电池、光敏电阻、硅传感器和结器件。光电发射器件收到光照射时发射电子。光电池材料（太阳能电池）暴露在光线中时产生电势。光敏电阻受光照射时电阻会降低。硅器件利用了纯晶体形式的硅的光敏特性。光电二极管和光电三极管在入射光的情况下改变其结特性。

2.4.3 扫描机制

机械扫描装置 滚筒和丝杠，其工作速度受到限制，但用于大幅图像时，能以相对较低的成本提供良好的几何稳定性。

电子束扫描 一些用于数字化和图像显示的电子装置采用电子束扫描图像。