設為首頁 | 添加收藏 |sitemap |百度地圖 |
貨真價實 坦誠無欺
新聞資訊

奧林巴斯顯微鏡,數字圖像的基本屬性

2013-12-09  發布者:admin 

 帶著相機,望遠鏡,顯微鏡,或其他類型的光學儀器顯示的色調和色調的連續變化的陣列捕獲自然圖像。用膜製成的照片,或者通過一個光導攝象管攝象管產生的視頻圖像,是所有可能的圖像的一個子集,並包含一個寬強度的光譜,從暗到亮,並且顏色的光譜,可以包括幾乎任何可以想象的色調和飽和電平。這種類型的圖像被稱為連續色調,因為不同色調的陰影和色調融合在一起,而不會中斷產生一個忠實再現原始場景。

連續色調的圖像是由模擬的光學和電子器件,它由數種方法,如電信號的波動或變動是連續變化的圖象的所有尺寸的膜乳劑的化學性質的序列準確地記錄圖像數據。產生 為了使待加工或由計算機顯示的連續色調或模擬圖像,它必須首先被轉換成計算機可讀的形式或數字格式。此過程適用於所有圖像,無論出身和複雜性,以及它們是否存在,黑白(灰階)或全彩。因為灰度圖像是比較容易解釋,他們將作為在許多下麵討論的主要模式。

轉換一個連續色調圖像轉換成數字格式,模擬圖像通過被稱為2的操作流程分成單個的亮度值取樣量化,如圖1所示。一個微型年輕海星成像的光學顯微鏡的模擬表示是在圖1(a)所示。采樣中的二維陣列(圖1(b))後,亮度水平在模擬圖像的特定位置被記錄並隨後量化的過程中(圖1(c))中轉換成整數。靶目標是將圖像轉換為每個包含大約亮度或色調範圍的特定信息,並且可以通過一個特定的數字數據值中的精確位置來描述離散的點的陣列。采樣過程測量的強度在圖像中的連續位置,並形成一個包含亮度信息的小矩形塊的二維陣列。取樣結束後,所得到的數據被量化成一特定數字亮度值分配到每個采樣的數據點,從黑色的,通過所有的中間灰度級,為白色。結果是強度,這就是通常被稱為的數字表示圖像元素像素,對於陣列中的每個采樣數據點。

因為圖像是大致正方形或矩形的尺寸,每個像素的結果,從圖像的數字化是由一個坐標對與特定的表示xÝ值設置一個典型的笛卡爾坐標係中。的x坐標指定的水平位置或像素的列位置,而ý坐標表示的行數或垂直位置。按照慣例,在坐標位置(0,0)的像素是位於陣列的上左角,同時位於(158,350)的像素將被定位在第158列,第350列相交。在許多情況下,x位置被稱為像素數,並且ý位置被稱為行號。因此,數字圖像是由一個矩形(或方形)像素陣列代表了一係列強度值中的,並通過一個有組織的(有序的xÝ)坐標係。在現實中,圖像隻存在號碼(或數據值)的一個大的串聯陣列,能夠通過計算機來解釋,以產生原始場景的數字表示。

寬高比

數字圖像的水平至垂直尺寸比率稱為縱橫比的圖像,並且可以通過將水平方向的寬度由垂直高度來計算。推薦的NTSC(美國國家電視係統委員會)的商業廣播標準寬高比為電視和視頻設備是1.33,它轉換為4:3的比例,其中所述圖像的水平尺寸比垂直尺寸更寬的1.33倍。與此相反,以1:1的縱橫比(通常在閉路電視或利用圖像CCTV)是完美的正方形。通過遵守標準的寬高比為數字圖像,該圖像的總失真,如圓顯示為一個橢圓形的顯示中,當圖像被顯示在遠程平台上得以避免。

4:3寬高比標準,廣泛用於電視和計算機顯示器,產生一個顯示是4個單位寬由3個單位高。例如,一台32英寸的電視(對角線從下左角測量到右上角角)25.6英寸寬19.2英寸高。該標準顯示寬高比數字高清晰度電視(HDTV)為16:9(1.78:1或),這將導致一個更矩形屏幕。有時也稱為寬銀幕格式(見圖2),縱橫比為16:9的標準廣播格式,並且通常用於電影之間的妥協。這個比例已經確定,以提供消除或減少黑邊的大小的最佳平衡信箱格式的視頻,同時盡量減少,以適應傳統4:3播送到使用更廣泛的格式屏幕所需酒吧的大小。

高清晰度電視的寬高比已成為與數字電視廣播使用的新標準,並努力創造更廣泛的電視屏幕,也有動態影像格式有用的結果。最近,一個更廣泛的格式(2.35:1)已經出現了與潘那維申寬屏幕鏡頭製作的視頻。也稱為寬銀幕,這種格式是常見於已轉移到數字視盤(電影DVD)軟件(電影或錄像),用於家庭觀看。另外,“DVD”一詞也指數字多功能盤在參考時使用的DVD-ROM用於存儲數據的格式。

當一個連續色調的圖像進行采樣和量化,由此產生的數字圖像的像素尺寸獲得原始模擬圖像的縱橫比。在這方麵,重要的是,每個單獨的像素具有1:1的縱橫比(簡稱為正方形像素),以確保兼容性與通用數字圖象處理算法,並盡量減少失真。如果模擬圖像具有4:3的縱橫比,更必須采集在水平方向比垂直方向(4水平樣本的每個縱3個樣品)。有其他的寬高比模擬圖像需要被數字化時,類似的考慮。

空間分辨率

數字圖像,通常被稱為質量的圖像分辨率,是由像素的數目和可用於在圖像中使用的各像素的亮度值的範圍來確定。圖像的分辨率被視為數字圖像的能力來重現細節已存在於原始模擬圖像或場景。一般而言,術語空間分辨率被保留以描述在構建和渲染的數字圖像利用像素的數量。這個數量取決於如何精細的圖像被采集或數字化采樣過程中,與具有相同的物理尺寸範圍內有較大數量的像素更高的空間分辨率的圖像。因此,作為數字圖像增大采樣和量化期間所獲得的像素的數量,圖像的空間分辨率也隨之增加。

采樣頻率,或者用來構造一個數字圖像中的像素的數目,是通過匹配成像設備(通常是CCD或CMOS圖像傳感器)和用於可視化的圖像的計算機係統的光學和電子的分辨率來確定。應通過采樣和量化來產生象素的足夠數量,以忠實地代表原始掃描或光學上獲取的圖像。當模擬圖像被充分采樣,一個顯著量的細節可能會丟失或模糊,如圖所示通過圖3中的圖表。在圖3中呈現的原始模擬信號(a)可以表示從照片得到的掃描圖像,或通過照相機或顯微鏡產生的光學圖像。注意由原始圖像的采樣和數字化之前,當作為樣品位置的函數繪製顯示連續強度分布。在此示例中,當32個數字樣本被獲取的(圖3(b)),將所得圖像保留了大多數的特征的強度和存在於原來的模擬圖像的空間頻率。

然而,當取樣頻率被降低(圖3(c)和圖3(d)),一些信息(頻率)存在於原來的模擬圖像被錯過的翻譯從模擬到數字,而且這種現象通常被稱為走樣開始發展。如在圖3(d),即具有最低數量的樣本的數字圖像可知,混疊產生了高空間頻率數據的丟失,同時引入,實際上並不存在的雜散頻率較低的數據。這種效果是通過在區域之間的位置0和16中的原始模擬圖像的波峰和波穀的損失相比,在圖3(d)將數字圖像表現。此外,該峰存在於在模擬圖像位置3,成為在圖3(d)一個山穀,而穀位置12被解釋為一個峰的斜率在更低的分辨率的數字圖像。

數字圖像的空間分辨率是相關的空間密度的圖像和所述光學分辨率的顯微鏡或用來捕獲圖像的其他光學元件的。包含在每個像素(被稱為之間的數字圖象和距離的像素的數目的采樣間隔)的數字化設備的精度的函數。光學分辨率的光學透鏡係統(顯微鏡或照相機)的能力來解決存在於原來的場景中的細節的量度,並且是相關的光學器件的質量,圖像傳感器和電子設備。在與空間密度(像素中的數字圖像的數量)的同時,在光學分辨率決定了圖像的整體空間分辨率。在情況下,該光學成像係統的光學分辨率優於空間密度,然後將得到的數字圖像的空間分辨率僅受空間密度的限製。

包含在數字圖像中的所有細節,從非常粗到極其精細,是由亮度轉換,不同層次光明與黑暗之間的循環。亮度轉換之間的循環速率是被稱為空間頻率的圖像,與對應於較高的空間頻率更高的速率。亮度在通過顯微鏡觀察分鍾試樣不同水平是常見的,與背景通常包括一個均勻的強度和樣品表現出的亮度水平的光譜。的地區,該強度是相對恒定的(如背景),空間頻率僅略有變化橫跨視場。另外,許多標本的細節往往表現出光明與黑暗與強度的之間的廣色域的極端。

每個像素的數字圖像中的數值表示平均超過采樣間隔的光學圖象的強度。因此,背景強度將包括像素的相對均勻的混合物,而試樣通常會包含像素值範圍從非常暗到非常亮。一種數字照相機係統的準確捕捉所有這些細節的能力取決於采樣間隔。看到的,比數字采樣間隔小(具有較高的空間頻率)的顯微鏡功能將不會在數字圖像準確地表示。在奈奎斯特準則規定的采樣間隔等於最高樣本空間頻率的兩倍,以精確地保持空間分辨率在所得到的數字圖像。等效的措施是香農的抽樣定理,其中指出,在數字化設備必須使用一個采樣間隔不大於所述光學圖像的最小可分辨特征的二分之一的尺寸更大。因此,捕捉細節的最小程度存在於試樣,取樣頻率必須足夠,以便兩個樣品收集每個功能,以保證這兩個光與空間周期的黑暗部分由成像裝置采集。

如果發生在下麵,通過任一奈奎斯特準則或香農定理所需的間隔試樣的取樣,具有高空間頻率的信息將不會被精確地表示在最 ​​後的數字圖像。在光學顯微鏡下,對光學圖像的分辨率的阿貝極限是0.22微米,這意味著一個數字轉換器必須能夠取樣在對應於試樣空間到0.11微米或更小的間隔。該樣品的樣品在每個水平掃描線512的點(或像素)將產生的視圖的大約56微米(512×0.11微米)的水平方向的最大字段一種數字轉換器。如果過少的象素被用在樣品采集,那麽所有的包含試樣的空間細節將不存在於最終的圖像。相反,如果過多的像素是由所述成像裝置(通常為過量的光學倍率的結果)聚集,不需要額外的空間信息被得到,並且該圖像被認為是已被過采樣。額外的像素不理論上向空間分辨率,但往往可以幫助改善從數字圖像拍攝功能的測量的準確度。為了確保有足夠的采樣高分辨率成像,2.5〜3個樣品的最小可分辨特征的間隔建議。

大多數數碼相機連接到現代顯微鏡等光學儀器有一個固定的最小采樣間隔,不能調整,以符合試樣的空間頻率。選擇的攝像機和數字化儀的組合,能夠滿足顯微鏡放大倍數和標本特征的最小空間分辨率的要求是很重要的。如果采樣間隔超過所必需的特定樣品,所得到的數字圖像將包含更多的數據比是必要的,但沒有空間信息將會丟失。

上采樣的以不同的空間分辨率的數字圖像的影響示於圖4為成象用光學顯微鏡年輕海星標本。在最高空間分辨率(圖4(a),175×175像素,共計30625個像素)時,試樣的特性是不同的並且清楚地分辨。由於空間分辨率被降低(圖4的(b)-4(f)項),像素尺寸變得越來越大。采樣,在依次降低的空間頻率標本細節導致丟失的圖像細節。在最低采樣頻率(圖4(e)和4(F)),像素阻塞發生時(通常被稱為像素化)和口罩大部分的圖像特征。

設計為耦合到光學顯微鏡許多入門級的數碼相機包含具有像素尺寸周圍7.6平方微米,其產生的4.86×3.64毫米對應的圖像區域中的光電二極管陣列的傳感器時在操作表麵上的一個圖像傳感器VGA模式。所得到的數字圖像的大小是640×480像素,它等於307,200單獨的傳感器元件。數字圖像傳感器的最終分辨率是光電二極管的數量和它們的大小相對於投影到陣列由顯微鏡光學係統的表麵上的圖像的功能。如果至少有兩個樣品的每個可分辨單元製成隻能實現成像用數碼顯微鏡標本的可接受的分辨率。中低端顯微鏡數值孔徑範圍從約0.05最低光學放大倍數(0.5倍),以約0.95最高放大倍率(100倍無油)。考慮到550納米的平均可見光波長和0.5和7微米(取決於倍率)之間的光學分辨率範圍內,傳感器元件的大小是足夠在中間,以高倍率無顯著犧牲捕獲在大多數試樣的所有細節的本分辨率。

一個嚴重的采樣偽影,被稱為空間混疊時,存在於所述的模擬圖像或實際樣品細節的速率進行采樣小於兩倍的空間頻率,會發生。這種現象,也通常被稱為欠采樣,當在數字化的象素的間距相隔太遠相比高頻細節存在於圖像中,通常會發生。其結果是,為了精確地呈現模擬圖像細節所必需的最高頻率信息可以偽裝成較低的空間頻率特性,並不實際存在於數字圖像。別名通常發生作為突變過渡時的采樣頻率下降到低於一個臨界水平,大約是1.5倍,重複性高頻樣品圖案,或低於奈奎斯特分辨極限的25%左右。含定期間隔,重複模式標本往往表現所造成的混淆引起的欠文物莫爾條紋。

圖像亮度和位深度

亮度(或發光亮度的數字圖像的)是後的圖像已經獲取與數字照相機或數字化的模擬-數字轉換器的整個像素陣列的相對強度值的量度。亮度不應該混淆與強度(更準確地稱為輻射強度),它指的是光能從實際反映或通過被成像通過模擬或數字設備的傳送對象的大小或數量。相反,在數字圖像處理方麵,亮度更正確地描述為包括所有構成該數字圖象的合奏它被捕獲後,數字化,並將其顯示在像素的測得的強度。像素的亮度是在數字圖像的一個重要因素,因為(除了顏色以外)它是一個可以由處理技術被用於定量地調整圖像的唯一變量。

後一個對象被成像並取樣,每個可分辨單元或者由一個數字的整數(所提供的圖像被拍攝的數碼相機係統)或通過在膜(或視頻管)的模擬亮度值來表示。無論捕捉方法,圖像必須被數字化,以試樣中表示的每個連續色調的強度轉換成數字亮度值。該數字值的精度成正比的位深度的數字化的設備。如果兩個位都使用時,圖像隻可以由四個亮度值或電平來表示。同樣,如果3或4位被處理時,對應的圖像具有8和16的亮度水平,分別為(參見圖5)。在所有這些情況下,電平0表示黑色,而上層(3715)表示白色,並且每個中間電平是不同的灰色陰影。

這些黑,白,灰和亮度水平都結合在什麽構成的灰度亮度範圍的圖像。更高的灰度級的數量對應於較大的比特深度和精確地表示一個較大的信號的能力的動態範圍(見表1)。例如,一個12位的數字轉換器可以顯示4096灰度級,對應的72分貝(分貝)的傳感器的動態範圍。當在這個意義上施加的動態範圍是指相對於該CCD傳感器可以傳輸用於圖象顯示噪聲的最大信號電平,並且可以在像素信號的能力和傳感器噪聲特性方麵進行具體限定。類似的術語通常用來描述在生成並顯示數字圖像,這可能是由強度直方圖表示利用灰度級的範圍內。這種用法澄清,如果專稱為intrascene動態範圍。彩色圖象的構造3單獨通道(紅,綠,藍)具有其自己的“灰色”鱗組成的變化的亮度等級的每個顏色。顏色組合的每個像素內代表最終的圖像。

在計算機技術(收縮為b適於普通挖)是信息在利用二進製數學係統中的符號的最小單位(僅數字1和0組成的)。一個字節通常構造與8位的線性字符串,並能夠存儲256的整數值(2•E(8))的。以同樣的方式,兩個字節(相當於16位或一台計算機)可以存儲2•(E16)整數,範圍從0到65535。一個千位元組(簡稱千字節)等於1024字節,而一個megabyte(兆字節)等於1024千字節。在大多數計算機電路,其中的位被物理上與在硬盤驅動器盤片的存儲單元或磁疇的晶體管或電容器的狀態相關聯。

術語比特深度指的是由模擬-數字轉換器利用模擬圖像信息轉換成能夠被讀出並通過計算機分析離散的數字值可能的灰度值的二進製範圍。例如,最流行 ​​的8位的數字化轉換器具有2•(E8),或256個可能的值(圖5)的二進製範圍,而一個10位的轉換器具有範圍為2•(E10)(1024值)和一個16位的轉換器具有2•(E16)或65,536個可能的值。的位深度的模擬-數字轉換器的確定灰度增量的大小,與對應於可從照相機更大範圍的有用圖象信息更高的比特深度。

列於表1是一個用來存儲在灰度級的數字信息,數字等效的比特數,和用於傳感器的動態範圍對應的值之間的關係(以分貝為單位; 1位等於大約6 dB)表示。如表中所示,如果一個0.72伏的視頻信號分別由A / D轉換器,1位精度的數字化,信號將通過兩個值,二進製0或1,為0的電壓值和0.72伏來表示。在消費者和低端的科學應用中使用的數碼相機中最為數字化儀采用8位A / D轉換器,其中有256個離散的灰度等級(0到255之間),以代表電壓幅度。0.72伏的最大信號然後將細分為256步,具有2.9毫伏值的每一步。

位深度,灰度級和傳感器動態範圍
位深度 灰度
等級
動態範圍
(分貝)
1 2 6分貝
2 4 12分貝
3 8 18分貝
4 16 24分貝
5 32 30分貝
6 64 36分貝
7 128 42分貝
8 256 48分貝
9 512 54分貝
10 1,024 60分貝
11 2,048 66分貝
12 4,096 72分貝
13 8,192 78分貝
14 16,384 84分貝
16 65,536 96分貝
18 262,144 108分貝
20 1,048,576 120分貝
表1

必須以達到可接受的視覺質量可以產生灰度級的數量應足夠,個別灰度值之間的步驟是無法辨別的人的眼睛。該“隻是明顯的差異”中對於一般人眼的灰度級圖像的強度是理想的觀看條件下兩成左右。至多,眼睛能分辨灰度約50離散色調的視頻監視器的亮度範圍內,這表明最小的位深度的圖像的應在6和7位之間躺下(64和128個灰度級級別,參見圖5)。

數字圖像應該至少有8位至10位分辨率,以避免產生在增強後的圖像在視覺上明顯的灰度步驟時,對比度的圖像處理過程中增加。減少對用光學顯微鏡拍攝的數字圖像的外觀的灰度等級數的影響可以看出,在圖6中,其中顯示了一個共同的跳蚤黑白(最初8位)的圖像。試樣被顯示在各個灰度分辨率從6位(圖6(a)),下降到1位(圖6的(f))與多個級別之間。在較低的分辨率(低於5位),圖像開始,以收購其顯著的細節較少的機械外觀,有許多經曆這種現象稱為樣本區域的灰度輪廓色調分離。灰度輪廓在背景區域的第一變得明顯(參見圖6(c)),其中灰度值往往差異逐漸多了,並且是表示灰度級分辨率不足。在最低分辨率(1位和2位;圖6(e)和6(f)段)一個顯著數量的圖像細節丟失。對於大多數典型應用,如顯示在計算機屏幕上或通過網絡瀏覽器的,6位或7位的分辨率通常是足夠的視覺愉悅的數 ​​字圖像。

最終,有多少個像素,灰度級是必要的決定,以充分描述的圖像是由原始場景的物理特性(或樣品在顯微鏡)所決定的。許多低對比度,高分辨率的圖像需要一個顯著數目的灰度級和像素,以產生令人滿意的效果,而其他的高對比度和低清晰度的圖像(例如,線條圖)可以被適當地用顯著較低的像素密度和灰度級表示的範圍。最後,還有一個折衷的計算機性能對比度,分辨率,比特深度之間,和圖像處理算法的速度。具有變量數量較多的圖像將需要更多的電腦“馬力”比那些有較少的像素和灰度級。但是,任何現代計算機是能夠在數字圖像中常見的尺寸執行複雜的計算(640×480至1280×1024),非常快的。更大的圖像,或者那些存儲在專有的文件格式(如Photoshop的文件- PSD)包含多個層,可能會降低性能,但仍然可以在合理的時間量上的大多數個人電腦進行處理。

提高數碼相機的CCD和CMOS,支持10位(或中高端機型甚至12位)分辨率特性圖像傳感器允許圖像有更大的寬容度比有可能為8位圖像的顯示。這是因為相應的軟件可以從一個更大的調色板(1,024或4,09​​6灰階)顯示在電腦螢幕上,在256級灰度的通常存在的圖像呈現灰色的必要色調。與此相反,一個8位的數字圖像被限製在原來由數碼相機拍攝的256個灰度級級別的調色板。作為倍率的圖像處理過程中增加,該軟件可以選擇最準確的灰度再現的放大圖像的部分而不改變原始數據。檢查遮蔽的區域,其中一個10-bit數字圖像的深度允許軟件來呈現微妙的細節,將不存在於一個8位的圖像時,這一點尤其重要。

所需的模擬視頻信號的數字轉換的精確度依賴於一個數字灰度級的步驟和根均方噪聲在攝像機的輸出之間的差值。CCD攝像機與一個內部模擬 - 數字轉換器產生,不需要重采樣和數字化在計算機中的數字數據流。這些攝像機能夠產生的數字數據具有高達16位分辨率(65,536灰度級)的中高端機型。大的數字範圍由更複雜的CCD相機表現的主要優點在於,信號對噪聲的改進中所顯示的8位圖像,並在寬的線性動態範圍的信號可以被數字化。

色彩空間模型

在顏色產生的數字圖像是由采樣,量化,空間分辨率,位深度和動態範圍的相同的概念適用於他們的灰度對應管轄。而不是表示為灰色灰度級或色調的單個亮度值然而,彩色圖像具有使用三個獨立的亮度分量,為每個原色量化像素。當彩色圖像被顯示在計算機監視器上,三個不同的顏色發射器采用,每生產光的獨特的光譜帶,其組合在不同亮度電平在屏幕生成所有可見光譜中的顏色。

采用CCD或CMOS圖像傳感器捕獲的圖像可以呈現的顏色,所提供的傳感器配備裝配在每個光電二極管中的特定圖案的微型紅色,綠色和藍色的吸收濾波器。另外,有些數碼相機有一個旋轉的濾光輪或采用三個獨立的圖像傳感器,每個位置的後麵一個單獨的顏色過濾器,以生成彩色圖像。在一般情況下,那些對灰度圖像執行的所有處理操作,可以通過應用算法以每個顏色通道分開,然後結合信道擴展到彩色圖象。因此,每個顏色分量被量化並以等於該位深度的灰度圖像(通常8位)使用的分辨率進行處理。然後將得到的8位分量合並,以產生24位的像素(被稱為真彩色),雖然有些應用可能需要更大或更小程度的顏色分辨率。

該添加劑主要的顏色,紅色,綠色和藍色,可以選擇性地組合,以產生在可見光譜的所有顏色。總之,這些基色構成的彩色空間(通常稱為色域),可以作為基礎的處理和彩色數字圖像的顯示。在某些情況下,一個備用的色彩空間模型更適合於特定的算法或應用程序,這需要紅,綠,藍(僅是簡單的數學變換的RGB)空間到另一個色彩空間。例如,如果數字圖像必須印中,首先獲取並處理為一個RGB圖像,然後轉換成青色,品紅色,黃色(CMY)顏色所必需的三色印刷空間,或者由處理軟件應用,或通過打印機本身。

在一般情況下,將RGB顏色空間是由圖像傳感器使用(盡管一些雇用的CMY濾波器)來檢測,並生成彩色數字圖像,但是其它衍生物的色彩空間通常用於彩色圖像處理的更加有用。這些色空間模型表示定義顏色變量,如色調,飽和度,亮度或強度不同的方法,並且可以任意修改,以適應特定的應用的需要。最流行 ​​的替代色彩空間模型是色相飽和度亮度HSI)色彩空間,它代表的顏色以直觀的方式(中,人類往往認為它的方式)。代替描述個別顏色或它們的混合物的特性,如與RGB顏色空間中,在HSI顏色空間是仿照顏色的直觀的組件。例如,色調分量控製彩色光譜(紅,綠,藍,黃等),而飽和度分量調節顏色的純度,以及如何出現鮮豔的顏色強度分量控製。

無數的HSI顏色空間模型的衍生品已經製訂,包括色調,飽和度,明度(HSL),色調,飽和度,亮度(HSB),和其他一些密切相關的,但不完全相同,型號。條款亮度,明度,價值,和強度往往交替使用,但實際上代表的是如何出現鮮豔的顏色明顯不同的表現形式。每種顏色空間模型提供了一個即是專為特定應用程序的顏色表示方法。

灰度數字圖像可以呈現通過分配特定的灰度級範圍內,以特定的顏色值。因為人眼能優於多種灰度陰影之間深淺不同的顏色來區分這種技術是突出的灰度圖像感興趣的特定區域非常有用。偽彩色成像被廣泛采用在熒光顯微鏡顯示在利用乘法染色標本不同波長獲得合並後的黑白圖像。通常,在一個拚貼組裝分配給單個熒光圖像的顏色接近的顏色是由熒光染料自然散發。

圖像直方圖

包括數字圖像中的像素的強度或亮度可以在一個以圖形方式描繪灰度直方圖,其對應的像素的數量在每個灰度級存在於圖像中。一個典型的灰階數字圖像(用光 ​​學顯微鏡拍攝的)和其相應的直方圖示於圖7(a)和7(b)所示,分別為圖。的灰度值被繪製在水平軸上的8 -比特圖像,並且範圍從0到255(總共256個灰度級)。以類似的方式,其特征在於每個灰度級的像素數繪製在垂直軸上。圖像中的每個像素具有對應於在圖中的值的灰度級,因此像素的直方圖中的每個灰度級的列的數目必須增加,以產生所述圖像中的像素的總數。

直方圖以表示像素在每個亮度電平的相對人口和圖像的一般的整體強度分布提供了一種數字圖像的一個方便的表示。從直方圖的統計數據可以用於比較的圖像,或直方圖可通過圖像處理算法進行修改,以產生所述圖像中的相應變化之間的對比度和亮度。此外,像素的直方圖中的號碼可以用來確定特定的圖像細節區域的測量,或以評估和比較攝像機或數字化儀的性能。

其中最流行和實用的用途,用於數字圖像直方圖是調整對比度。灰度直方圖也揭示了正被用於通過一個數字圖像提供的灰度級範圍內的程度。例如,像素落入50至75的亮度級的範圍內,隻用幾個像素的直方圖的其它區域的濃度,指示的強度(亮度)電平範圍有限。與此相反,一個均衡的直方圖(如圖7的(b))是大intrascene動態範圍的良好指標。具有高和低對比度的數字圖像是通過圖7(F)表示在圖7(c)所示。在樣本為人類組織的染色薄切片成像並記​​錄在明場照明(如上麵所討論了圖7(a)和圖7(b))。圖7(c)給出,其中圖像的對比度很低,導致多數被分組在中間的直方圖(圖7(d))的像素中,嚴重地限製了動態範圍(和對比度)的情況。當對比度轉移在相反的方向(圖7(F)),大部分像素的雙峰分組為最高和最低灰度級,而使中心水平相對稀少。這個分布對應於非常高的對比度水平,從而導致具有白色和黑色的像素過剩的數字圖像,但相對很少的中間灰度級(參見圖7(e)條)。從這些例子中,很明顯,該數字圖像的直方圖是圖像保真度的一個有力的指標,並且可以用於確定在圖像複原的必要步驟。

的彩色數字圖像的直方圖是指,計算並顯示每個顏色成分(通常是紅色,綠色和藍色)的3灰度級直方圖的複合物。顏色直方圖可表示RGB色彩空間,HSI模型,或者所需的任何其它顏色空間模型的數字圖像處理算法。這些直方圖可以同時以重疊的方式進行顯示,或分離成單個圖形,以幫助確定亮度分布,對比度和各個顏色成分的動態範圍。

示於圖8是用光學顯微鏡拍攝的典型的全彩色數字圖像。該標本是一個薄的哺乳動物的味蕾沾滿曙紅和蘇木在光照模式下成像部分。出現於所述數字圖像的右邊是RGB直方圖,其中包含三個(紅,綠,藍)顏色通道疊加的像素分布。下方的數字圖像和RGB直方圖是代表紅色,綠色和藍色通道,分別為個人直方圖。請注意,亮度等級的分布是最高的紅色通道,其對應於偏紅色調的數字圖像的相當顯著的主導地位。雙峰綠色通道表示了很大程度的這種顏色通道的對比度,而藍色通道呈現具有相對均勻分布強度範圍的直方圖。

數字圖像顯示

為了重新建立一個數字圖像模擬計算機監視器(或電視機)上,像素強度必須在沒有顯著損失的空間信息進行插值。在理論上,這隻能使用其中的像素元件使用的是提出一種顯示係統來實現的sin(x)/ X的函數(參見圖9),它是具有零強度在所有位置在整個圖像中的複雜的二維波形。這一要求提出了與采用的電子槍的模擬顯示係統的一個問題,因為所需的功能不能充分地與標準計算機顯示器產生的。轉換回模擬信號由一個數字-模擬轉換器之後,在視頻監視器上的掃描點近似於高斯分布函數(圖9)。這兩種功能彼此相似,隻有通過中央最大,而對於數字顯示應用程序可能會導致潛在的嚴重的振幅和波形的改變,在目前的圖像模糊的高分辨率信息。

打擊計算機顯示器顯示的不足之處的解決方案是增加像素的數量在所述數字圖像的同時,采用具有頻率響應(視頻帶寬)超過20兆赫的高清晰度監視器。甚至相對低端現代計算機顯示器滿足這些要求,並且圖像可以總是通過插值技術來增加像素密度(雖然這並不總是可取的)。另一種方法是過采樣的模擬圖像(超過奈奎斯特極限),以確保用於複雜的圖像處理算法和隨後的顯示足夠的像素數據。

視頻顯示器的刷新率也是在觀看和操作數碼影像的一個重要因素。顯示屏閃爍是一種嚴重的工件,可以在一段時間甚至很短的一段疲勞的眼睛。為了避免閃爍文物,電視顯示器采用的隔行掃描技術,刷新奇數和偶數行順序,從而以交錯的效果。交錯呈現的印象是,一個新的幀產生兩倍,經常因為它確實是。本來,隔行已用於電視廣播信號,因為顯示可能會不經常沒有明顯的圖像閃爍刷新。

現代計算機顯示器采用非隔行掃描技術(也稱為逐行掃描),其中在單次掃描中顯示整個視頻緩衝。逐行掃描監視器要求,在隔行掃描設備,以避免閃爍文物的兩倍頻率運行的幀速率。然而,該技術消除了線對線的閃爍,減少運動偽影中顯示的圖像。現代計算機顯示器一般具有用戶可調的逐行掃描率介乎60至每秒100幀,它可以呈現非常穩定的圖像,幾乎無閃爍。

數字圖像存儲要求

為了節省存儲資源,數字圖像的各像素的坐標沒有存儲在通用計算機的文件格式。這是因為圖像是由光柵掃描或任一由數字化裝置(CCD,掃描儀等),其中在像素亮度值的串行串的數據傳輸給計算機模擬或光學圖像陣列讀出數字化的順序。該圖像,然後由像素的增量計數顯示,按照既定的圖像的垂直和水平尺寸,它們通常被記錄在圖像文件頭。

數字圖像的特點,可以通過幾種方式。舉例來說,像素在一個給定的長度尺寸(如每英寸像素數)的數量可以被指定,或像素陣列的大小(例如,640×480)可以用於描述圖像。可選地,圖像的像素或計算機存儲的文件大小的總數給圖像尺寸的指示。文件大小,以字節為單位,可以通過以下方式由比特深度相乘的像素尺寸和除以該數目由8確定的,每個字節的位的數目。例如,具有8位分辨率為640×480(像素)的圖像將轉化為302千字節的計算機內存(見表2)。同樣,24位深度的高分辨率1280×1024真彩色圖像需要超過380兆字節的存儲空間。

數字圖像文件的大小作為像素尺寸,格式和位深度的函數給出在表2中的寬範圍的圖像。未壓縮的文件格式,如標記圖像文件格式(TIFF)和“窗口”形象的位圖(BMP),最需要的硬盤空間時,在全彩色編碼。相比之下,常見的壓縮算法,其中包括著名的聯合圖像專家組(JPEG)技術,可以顯著減少存儲需求,同時保持圖像質量的合理程度。像素深度和目標輸出的要求也確定數字圖像如何被存儲的重要因素。去往印刷媒體圖像要求高的像素分辨率(通常超過每英寸300像素),而用於分配從以上降低分辨率(大約每英寸72像素)和文件大小的上網利益。

數字文件格式內存要求
像素
尺寸
灰階
(8位)
位圖
(24位)
JPEG格式
(24位)
TIFF 
(24位)
16×16的 2K 2K 2K 2K
64×64 6K 13K 5K 13K
128×128 18K 49K 12K 49K
256×256 66K 193K 22K 193K
320×240 77K 226K 24K 226K
512×512 258K 769K 52K 770K
640×480 302K 901k 56K 902K
800×600 470K 1,407 K 75K 1,408 K
1024×768 770K 2,305 K 104K 2,306 K
1280×1024 1,282 K 3,841 K 147K 3,842 K
1600×1200 1,877 K 5,626 K 161K 5,627 K
2250×1800 3,960 K 11,869 K 276K 11,867 K
3200×2560 8,002 K 24,001 K 458K 24,002 K
3840×3072 11,522 K 34,561 K 611K 34,562 K
表2

用相對廉價的計算機存儲器(當前可用的RAM),其耦合到顯著提高的容量和速度,存儲數字圖像的遠小於它已經在過去的關注。大數字化陣列,高達1024×1024像素,10,12,或16位深度,現在可以存儲和處理關於在高速行駛時的個人計算機。此外,幾十個較小的(640×480,8位)圖像可以存儲為和播放視頻速率的視頻用市售軟件快速訪問,或同時進行圖像處理。

通過所得到的多個數字圖像的光學部分共聚焦和多光子顯微鏡技術,或使用CCD或CMOS圖像傳感器捕獲的序列,可以迅速地顯示和操作。沿著兩個適當傾斜軸的光學部疊層的突起產生的共同立體聲對,這可以被用來可視化的顯微場景的偽三維再現。目前數字圖像處理軟件包允許各種簡單的顯示策略,可以采用通過強度編碼或偽任務可視化對象。當多個圖像被記錄在連續的時間點,可以將圖像顯示為二維的“電影”或組合,以生成其中一個三維物體被描述為時間的函數的四維圖像。

先進的數字圖像處理技術和顯示操作,可以采用通過渲染與適當的著色,著色和深度線索的對象的視圖來產生三維物體的非凡影像。一般應用於渲染的光學部分進行顯示以三維兩種流行的技術是體繪製麵繪製。在光學圖像集的體繪製的,該二維像素的幾何形狀和強度信息相結合,與已知的焦點位移產生的體積元,稱為體素。所得到的體素,然後適當地遮蔽和預測,以產生樣品體積相關聯的角度和照明,以產生三維表示的視圖。在一個圖像組的表麵繪製,僅在表麵的像素被利用,即試樣的外表麵,並且其內部結構是因為表麵的不透明度不可見的。再次,照明,角度和深度線索是必不可少的生產在視覺上合格的移交。



滬公網安備 31011202003519號