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奥林巴斯显微镜,数字图像的基本属性

2013-12-09  发布者:admin 

 带着相机,望远镜,显微镜,或其他类型的光学仪器显示的色调和色调的连续变化的阵列捕获自然图像。用膜制成的照片,或者通过一个光导摄象管摄象管产生的视频图像,是所有可能的图像的一个子集,并包含一个宽强度的光谱,从暗到亮,并且颜色的光谱,可以包括几乎任何可以想象的色调和饱和电平。这种类型的图像被称为连续色调,因为不同色调的阴影和色调融合在一起,而不会中断产生一个忠实再现原始场景。

连续色调的图像是由模拟的光学和电子器件,它由数种方法,如电信号的波动或变动是连续变化的图象的所有尺寸的膜乳剂的化学性质的序列准确地记录图像数据。产生 为了使待加工或由计算机显示的连续色调或模拟图像,它必须首先被转换成计算机可读的形式或数字格式。此过程适用于所有图像,无论出身和复杂性,以及它们是否存在,黑白(灰阶)或全彩。因为灰度图像是比较容易解释,他们将作为在许多下面讨论的主要模式。

转换一个连续色调图像转换成数字格式,模拟图像通过被称为2的操作流程分成单个的亮度值取样量化,如图1所示。一个微型年轻海星成像的光学显微镜的模拟表示是在图1(a)所示。采样中的二维阵列(图1(b))后,亮度水平在模拟图像的特定位置被记录并随后量化的过程中(图1(c))中转换成整数。靶目标是将图像转换为每个包含大约亮度或色调范围的特定信息,并且可以通过一个特定的数字数据值中的精确位置来描述离散的点的阵列。采样过程测量的强度在图像中的连续位置,并形成一个包含亮度信息的小矩形块的二维阵列。取样结束后,所得到的数据被量化成一特定数字亮度值分配到每个采样的数据点,从黑色的,通过所有的中间灰度级,为白色。结果是强度,这就是通常被称为的数字表示图像元素像素,对于阵列中的每个采样数据点。

因为图像是大致正方形或矩形的尺寸,每个像素的结果,从图像的数字化是由一个坐标对与特定的表示xÝ值设置一个典型的笛卡尔坐标系中。的x坐标指定的水平位置或像素的列位置,而ý坐标表示的行数或垂直位置。按照惯例,在坐标位置(0,0)的像素是位于阵列的上左角,同时位于(158,350)的像素将被定位在第158列,第350列相交。在许多情况下,x位置被称为像素数,并且ý位置被称为行号。因此,数字图像是由一个矩形(或方形)像素阵列代表了一系列强度值中的,并通过一个有组织的(有序的xÝ)坐标系。在现实中,图像只存在号码(或数据值)的一个大的串联阵列,能够通过计算机来解释,以产生原始场景的数字表示。

宽高比

数字图像的水平至垂直尺寸比率称为纵横比的图像,并且可以通过将水平方向的宽度由垂直高度来计算。推荐的NTSC(美国国家电视系统委员会)的商业广播标准宽高比为电视和视频设备是1.33,它转换为4:3的比例,其中所述图像的水平尺寸比垂直尺寸更宽的1.33倍。与此相反,以1:1的纵横比(通常在闭路电视或利用图像CCTV)是完美的正方形。通过遵守标准的宽高比为数字图像,该图像的总失真,如圆显示为一个椭圆形的显示中,当图像被显示在远程平台上得以避免。

4:3宽高比标准,广泛用于电视和计算机显示器,产生一个显示是4个单位宽由3个单位高。例如,一台32英寸的电视(对角线从下左角测量到右上角角)25.6英寸宽19.2英寸高。该标准显示宽高比数字高清晰度电视(HDTV)为16:9(1.78:1或),这将导致一个更矩形屏幕。有时也称为宽银幕格式(见图2),纵横比为16:9的标准广播格式,并且通常用于电影之间的妥协。这个比例已经确定,以提供消除或减少黑边的大小的最佳平衡信箱格式的视频,同时尽量减少,以适应传统4:3播送到使用更广泛的格式屏幕所需酒吧的大小。

高清晰度电视的宽高比已成为与数字电视广播使用的新标准,并努力创造更广泛的电视屏幕,也有动态影像格式有用的结果。最近,一个更广泛的格式(2.35:1)已经出现了与潘那维申宽屏幕镜头制作的视频。也称为宽银幕,这种格式是常见于已转移到数字视盘(电影DVD)软件(电影或录像),用于家庭观看。另外,“DVD”一词也指数字多功能盘在参考时使用的DVD-ROM用于存储数据的格式。

当一个连续色调的图像进行采样和量化,由此产生的数字图像的像素尺寸获得原始模拟图像的纵横比。在这方面,重要的是,每个单独的像素具有1:1的纵横比(简称为正方形像素),以确保兼容性与通用数字图象处理算法,并尽量减少失真。如果模拟图像具有4:3的纵横比,更必须采集在水平方向比垂直方向(4水平样本的每个纵3个样品)。有其他的宽高比模拟图像需要被数字化时,类似的考虑。

空间分辨率

数字图像,通常被称为质量的图像分辨率,是由像素的数目和可用于在图像中使用的各像素的亮度值的范围来确定。图像的分辨率被视为数字图像的能力来重现细节已存在于原始模拟图像或场景。一般而言,术语空间分辨率被保留以描述在构建和渲染的数字图像利用像素的数量。这个数量取决于如何精细的图像被采集或数字化采样过程中,与具有相同的物理尺寸范围内有较大数量的像素更高的空间分辨率的图像。因此,作为数字图像增大采样和量化期间所获得的像素的数量,图像的空间分辨率也随之增加。

采样频率,或者用来构造一个数字图像中的像素的数目,是通过匹配成像设备(通常是CCD或CMOS图像传感器)和用于可视化的图像的计算机系统的光学和电子的分辨率来确定。应通过采样和量化来产生象素的足够数量,以忠实地代表原始扫描或光学上获取的图像。当模拟图像被充分采样,一个显著量的细节可能会丢失或模糊,如图所示通过图3中的图表。在图3中呈现的原始模拟信号(a)可以表示从照片得到的扫描图像,或通过照相机或显微镜产生的光学图像。注意由原始图像的采样和数字化之前,当作为样品位置的函数绘制显示连续强度分布。在此示例中,当32个数字样本被获取的(图3(b)),将所得图像保留了大多数的特征的强度和存在于原来的模拟图像的空间频率。

然而,当取样频率被降低(图3(c)和图3(d)),一些信息(频率)存在于原来的模拟图像被错过的翻译从模拟到数字,而且这种现象通常被称为走样开始发展。如在图3(d),即具有最低数量的样本的数字图像可知,混叠产生了高空间频率数据的丢失,同时引入,实际上并不存在的杂散频率较低的数据。这种效果是通过在区域之间的位置0和16中的原始模拟图像的波峰和波谷的损失相比,在图3(d)将数字图像表现。此外,该峰存在于在模拟图像位置3,成为在图3(d)一个山谷,而谷位置12被解释为一个峰的斜率在更低的分辨率的数字图像。

数字图像的空间分辨率是相关的空间密度的图像和所述光学分辨率的显微镜或用来捕获图像的其他光学元件的。包含在每个像素(被称为之间的数字图象和距离的像素的数目的采样间隔)的数字化设备的精度的函数。光学分辨率的光学透镜系统(显微镜或照相机)的能力来解决存在于原来的场景中的细节的量度,并且是相关的光学器件的质量,图像传感器和电子设备。在与空间密度(像素中的数字图像的数量)的同时,在光学分辨率决定了图像的整体空间分辨率。在情况下,该光学成像系统的光学分辨率优于空间密度,然后将得到的数字图像的空间分辨率仅受空间密度的限制。

包含在数字图像中的所有细节,从非常粗到极其精细,是由亮度转换,不同层次光明与黑暗之间的循环。亮度转换之间的循环速率是被称为空间频率的图像,与对应于较高的空间频率更高的速率。亮度在通过显微镜观察分钟试样不同水平是常见的,与背景通常包括一个均匀的强度和样品表现出的亮度水平的光谱。的地区,该强度是相对恒定的(如背景),空间频率仅略有变化横跨视场。另外,许多标本的细节往往表现出光明与黑暗与强度的之间的广色域的极端。

每个像素的数字图像中的数值表示平均超过采样间隔的光学图象的强度。因此,背景强度将包括像素的相对均匀的混合物,而试样通常会包含像素值范围从非常暗到非常亮。一种数字照相机系统的准确捕捉所有这些细节的能力取决于采样间隔。看到的,比数字采样间隔小(具有较高的空间频率)的显微镜功能将不会在数字图像准确地表示。在奈奎斯特准则规定的采样间隔等于最高样本空间频率的两倍,以精确地保持空间分辨率在所得到的数字图像。等效的措施是香农的抽样定理,其中指出,在数字化设备必须使用一个采样间隔不大于所述光学图像的最小可分辨特征的二分之一的尺寸更大。因此,捕捉细节的最小程度存在于试样,取样频率必须足够,以便两个样品收集每个功能,以保证这两个光与空间周期的黑暗部分由成像装置采集。

如果发生在下面,通过任一奈奎斯特准则或香农定理所需的间隔试样的取样,具有高空间频率的信息将不会被精确地表示在最 ​​后的数字图像。在光学显微镜下,对光学图像的分辨率的阿贝极限是0.22微米,这意味着一个数字转换器必须能够取样在对应于试样空间到0.11微米或更小的间隔。该样品的样品在每个水平扫描线512的点(或像素)将产生的视图的大约56微米(512×0.11微米)的水平方向的最大字段一种数字转换器。如果过少的象素被用在样品采集,那么所有的包含试样的空间细节将不存在于最终的图像。相反,如果过多的像素是由所述成像装置(通常为过量的光学倍率的结果)聚集,不需要额外的空间信息被得到,并且该图像被认为是已被过采样。额外的像素不理论上向空间分辨率,但往往可以帮助改善从数字图像拍摄功能的测量的准确度。为了确保有足够的采样高分辨率成像,2.5〜3个样品的最小可分辨特征的间隔建议。

大多数数码相机连接到现代显微镜等光学仪器有一个固定的最小采样间隔,不能调整,以符合试样的空间频率。选择的摄像机和数字化仪的组合,能够满足显微镜放大倍数和标本特征的最小空间分辨率的要求是很重要的。如果采样间隔超过所必需的特定样品,所得到的数字图像将包含更多的数据比是必要的,但没有空间信息将会丢失。

上采样的以不同的空间分辨率的数字图像的影响示于图4为成象用光学显微镜年轻海星标本。在最高空间分辨率(图4(a),175×175像素,共计30625个像素)时,试样的特性是不同的并且清楚地分辨。由于空间分辨率被降低(图4的(b)-4(f)项),像素尺寸变得越来越大。采样,在依次降低的空间频率标本细节导致丢失的图像细节。在最低采样频率(图4(e)和4(F)),像素阻塞发生时(通常被称为像素化)和口罩大部分的图像特征。

设计为耦合到光学显微镜许多入门级的数码相机包含具有像素尺寸周围7.6平方微米,其产生的4.86×3.64毫米对应的图像区域中的光电二极管阵列的传感器时在操作表面上的一个图像传感器VGA模式。所得到的数字图像的大小是640×480像素,它等于307,200单独的传感器元件。数字图像传感器的最终分辨率是光电二极管的数量和它们的大小相对于投影到阵列由显微镜光学系统的表面上的图像的功能。如果至少有两个样品的每个可分辨单元制成只能实现成像用数码显微镜标本的可接受的分辨率。中低端显微镜数值孔径范围从约0.05最低光学放大倍数(0.5倍),以约0.95最高放大倍率(100倍无油)。考虑到550纳米的平均可见光波长和0.5和7微米(取决于倍率)之间的光学分辨率范围内,传感器元件的大小是足够在中间,以高倍率无显著牺牲捕获在大多数试样的所有细节的本分辨率。

一个严重的采样伪影,被称为空间混叠时,存在于所述的模拟图像或实际样品细节的速率进行采样小于两倍的空间频率,会发生。这种现象,也通常被称为欠采样,当在数字化的象素的间距相隔太远相比高频细节存在于图像中,通常会发生。其结果是,为了精确地呈现模拟图像细节所必需的最高频率信息可以伪装成较低的空间频率特性,并不实际存在于数字图像。别名通常发生作为突变过渡时的采样频率下降到低于一个临界水平,大约是1.5倍,重复性高频样品图案,或低于奈奎斯特分辨极限的25%左右。含定期间隔,重复模式标本往往表现所造成的混淆引起的欠文物莫尔条纹。

图像亮度和位深度

亮度(或发光亮度的数字图像的)是后的图像已经获取与数字照相机或数字化的模拟-数字转换器的整个像素阵列的相对强度值的量度。亮度不应该混淆与强度(更准确地称为辐射强度),它指的是光能从实际反映或通过被成像通过模拟或数字设备的传送对象的大小或数量。相反,在数字图像处理方面,亮度更正确地描述为包括所有构成该数字图象的合奏它被捕获后,数字化,并将其显示在像素的测得的强度。像素的亮度是在数字图像的一个重要因素,因为(除了颜色以外)它是一个可以由处理技术被用于定量地调整图像的唯一变量。

后一个对象被成像并取样,每个可分辨单元或者由一个数字的整数(所提供的图像被拍摄的数码相机系统)或通过在膜(或视频管)的模拟亮度值来表示。无论捕捉方法,图像必须被数字化,以试样中表示的每个连续色调的强度转换成数字亮度值。该数字值的精度成正比的位深度的数字化的设备。如果两个位都使用时,图像只可以由四个亮度值或电平来表示。同样,如果3或4位被处理时,对应的图像具有8和16的亮度水平,分别为(参见图5)。在所有这些情况下,电平0表示黑色,而上层(3715)表示白色,并且每个中间电平是不同的灰色阴影。

这些黑,白,灰和亮度水平都结合在什么构成的灰度亮度范围的图像。更高的灰度级的数量对应于较大的比特深度和精确地表示一个较大的信号的能力的动态范围(见表1)。例如,一个12位的数字转换器可以显示4096灰度级,对应的72分贝(分贝)的传感器的动态范围。当在这个意义上施加的动态范围是指相对于该CCD传感器可以传输用于图象显示噪声的最大信号电平,并且可以在像素信号的能力和传感器噪声特性方面进行具体限定。类似的术语通常用来描述在生成并显示数字图像,这可能是由强度直方图表示利用灰度级的范围内。这种用法澄清,如果专称为intrascene动态范围。彩色图象的构造3单独通道(红,绿,蓝)具有其自己的“灰色”鳞组成的变化的亮度等级的每个颜色。颜色组合的每个像素内代表最终的图像。

在计算机技术(收缩为b适于普通挖)是信息在利用二进制数学系统中的符号的最小单位(仅数字1和0组成的)。一个字节通常构造与8位的线性字符串,并能够存储256的整数值(2•E(8))的。以同样的方式,两个字节(相当于16位或一台计算机)可以存储2•(E16)整数,范围从0到65535。一个千位元组(简称千字节)等于1024字节,而一个megabyte(兆字节)等于1024千字节。在大多数计算机电路,其中的位被物理上与在硬盘驱动器盘片的存储单元或磁畴的晶体管或电容器的状态相关联。

术语比特深度指的是由模拟-数字转换器利用模拟图像信息转换成能够被读出并通过计算机分析离散的数字值可能的灰度值的二进制范围。例如,最流行 ​​的8位的数字化转换器具有2•(E8),或256个可能的值(图5)的二进制范围,而一个10位的转换器具有范围为2•(E10)(1024值)和一个16位的转换器具有2•(E16)或65,536个可能的值。的位深度的模拟-数字转换器的确定灰度增量的大小,与对应于可从照相机更大范围的有用图象信息更高的比特深度。

列于表1是一个用来存储在灰度级的数字信息,数字等效的比特数,和用于传感器的动态范围对应的值之间的关系(以分贝为单位; 1位等于大约6 dB)表示。如表中所示,如果一个0.72伏的视频信号分别由A / D转换器,1位精度的数字化,信号将通过两个值,二进制0或1,为0的电压值和0.72伏来表示。在消费者和低端的科学应用中使用的数码相机中最为数字化仪采用8位A / D转换器,其中有256个离散的灰度等级(0到255之间),以代表电压幅度。0.72伏的最大信号然后将细分为256步,具有2.9毫伏值的每一步。

位深度,灰度级和传感器动态范围
位深度 灰度
等级
动态范围
(分贝)
1 2 6分贝
2 4 12分贝
3 8 18分贝
4 16 24分贝
5 32 30分贝
6 64 36分贝
7 128 42分贝
8 256 48分贝
9 512 54分贝
10 1,024 60分贝
11 2,048 66分贝
12 4,096 72分贝
13 8,192 78分贝
14 16,384 84分贝
16 65,536 96分贝
18 262,144 108分贝
20 1,048,576 120分贝
表1

必须以达到可接受的视觉质量可以产生灰度级的数量应足够,个别灰度值之间的步骤是无法辨别的人的眼睛。该“只是明显的差异”中对于一般人眼的灰度级图像的强度是理想的观看条件下两成左右。至多,眼睛能分辨灰度约50离散色调的视频监视器的亮度范围内,这表明最小的位深度的图像的应在6和7位之间躺下(64和128个灰度级级别,参见图5)。

数字图像应该至少有8位至10位分辨率,以避免产生在增强后的图像在视觉上明显的灰度步骤时,对比度的图像处理过程中增加。减少对用光学显微镜拍摄的数字图像的外观的灰度等级数的影响可以看出,在图6中,其中显示了一个共同的跳蚤黑白(最初8位)的图像。试样被显示在各个灰度分辨率从6位(图6(a)),下降到1位(图6的(f))与多个级别之间。在较低的分辨率(低于5位),图像开始,以收购其显著的细节较少的机械外观,有许多经历这种现象称为样本区域的灰度轮廓色调分离。灰度轮廓在背景区域的第一变得明显(参见图6(c)),其中灰度值往往差异逐渐多了,并且是表示灰度级分辨率不足。在最低分辨率(1位和2位;图6(e)和6(f)段)一个显著数量的图像细节丢失。对于大多数典型应用,如显示在计算机屏幕上或通过网络浏览器的,6位或7位的分辨率通常是足够的视觉愉悦的数 ​​字图像。

最终,有多少个像素,灰度级是必要的决定,以充分描述的图像是由原始场景的物理特性(或样品在显微镜)所决定的。许多低对比度,高分辨率的图像需要一个显著数目的灰度级和像素,以产生令人满意的效果,而其他的高对比度和低清晰度的图像(例如,线条图)可以被适当地用显著较低的像素密度和灰度级表示的范围。最后,还有一个折衷的计算机性能对比度,分辨率,比特深度之间,和图像处理算法的速度。具有变量数量较多的图像将需要更多的电脑“马力”比那些有较少的像素和灰度级。但是,任何现代计算机是能够在数字图像中常见的尺寸执行复杂的计算(640×480至1280×1024),非常快的。更大的图像,或者那些存储在专有的文件格式(如Photoshop的文件- PSD)包含多个层,可能会降低性能,但仍然可以在合理的时间量上的大多数个人电脑进行处理。

提高数码相机的CCD和CMOS,支持10位(或中高端机型甚至12位)分辨率特性图像传感器允许图像有更大的宽容度比有可能为8位图像的显示。这是因为相应的软件可以从一个更大的调色板(1,024或4,09​​6灰阶)显示在电脑萤幕上,在256级灰度的通常存在的图像呈现灰色的必要色调。与此相反,一个8位的数字图像被限制在原来由数码相机拍摄的256个灰度级级别的调色板。作为倍率的图像处理过程中增加,该软件可以选择最准确的灰度再现的放大图像的部分而不改变原始数据。检查遮蔽的区域,其中一个10-bit数字图像的深度允许软件来呈现微妙的细节,将不存在于一个8位的图像时,这一点尤其重要。

所需的模拟视频信号的数字转换的精确度依赖于一个数字灰度级的步骤和根均方噪声在摄像机的输出之间的差值。CCD摄像机与一个内部模拟 - 数字转换器产生,不需要重采样和数字化在计算机中的数字数据流。这些摄像机能够产生的数字数据具有高达16位分辨率(65,536灰度级)的中高端机型。大的数字范围由更复杂的CCD相机表现的主要优点在于,信号对噪声的改进中所显示的8位图像,并在宽的线性动态范围的信号可以被数字化。

色彩空间模型

在颜色产生的数字图像是由采样,量化,空间分辨率,位深度和动态范围的相同的概念适用于他们的灰度对应管辖。而不是表示为灰色灰度级或色调的单个亮度值然而,彩色图像具有使用三个独立的亮度分量,为每个原色量化像素。当彩色图像被显示在计算机监视器上,三个不同的颜色发射器采用,每生产光的独特的光谱带,其组合在不同亮度电平在屏幕生成所有可见光谱中的颜色。

采用CCD或CMOS图像传感器捕获的图像可以呈现的颜色,所提供的传感器配备装配在每个光电二极管中的特定图案的微型红色,绿色和蓝色的吸收滤波器。另外,有些数码相机有一个旋转的滤光轮或采用三个独立的图像传感器,每个位置的后面一个单独的颜色过滤器,以生成彩色图像。在一般情况下,那些对灰度图像执行的所有处理操作,可以通过应用算法以每个颜色通道分开,然后结合信道扩展到彩色图象。因此,每个颜色分量被量化并以等于该位深度的灰度图像(通常8位)使用的分辨率进行处理。然后将得到的8位分量合并,以产生24位的像素(被称为真彩色),虽然有些应用可能需要更大或更小程度的颜色分辨率。

该添加剂主要的颜色,红色,绿色和蓝色,可以选择性地组合,以产生在可见光谱的所有颜色。总之,这些基色构成的彩色空间(通常称为色域),可以作为基础的处理和彩色数字图像的显示。在某些情况下,一个备用的色彩空间模型更适合于特定的算法或应用程序,这需要红,绿,蓝(仅是简单的数学变换的RGB)空间到另一个色彩空间。例如,如果数字图像必须印中,首先获取并处理为一个RGB图像,然后转换成青色,品红色,黄色(CMY)颜色所必需的三色印刷空间,或者由处理软件应用,或通过打印机本身。

在一般情况下,将RGB颜色空间是由图像传感器使用(尽管一些雇用的CMY滤波器)来检测,并生成彩色数字图像,但是其它衍生物的色彩空间通常用于彩色图像处理的更加有用。这些色空间模型表示定义颜色变量,如色调,饱和度,亮度或强度不同的方法,并且可以任意修改,以适应特定的应用的需要。最流行 ​​的替代色彩空间模型是色相饱和度亮度HSI)色彩空间,它代表的颜色以直观的方式(中,人类往往认为它的方式)。代替描述个别颜色或它们的混合物的特性,如与RGB颜色空间中,在HSI颜色空间是仿照颜色的直观的组件。例如,色调分量控制彩色光谱(红,绿,蓝,黄等),而饱和度分量调节颜色的纯度,以及如何出现鲜艳的颜色强度分量控制。

无数的HSI颜色空间模型的衍生品已经制订,包括色调,饱和度,明度(HSL),色调,饱和度,亮度(HSB),和其他一些密切相关的,但不完全相同,型号。条款亮度,明度,价值,和强度往往交替使用,但实际上代表的是如何出现鲜艳的颜色明显不同的表现形式。每种颜色空间模型提供了一个即是专为特定应用程序的颜色表示方法。

灰度数字图像可以呈现通过分配特定的灰度级范围内,以特定的颜色值。因为人眼能优于多种灰度阴影之间深浅不同的颜色来区分这种技术是突出的灰度图像感兴趣的特定区域非常有用。伪彩色成像被广泛采用在荧光显微镜显示在利用乘法染色标本不同波长获得合并后的黑白图像。通常,在一个拼贴组装分配给单个荧光图像的颜色接近的颜色是由荧光染料自然散发。

图像直方图

包括数字图像中的像素的强度或亮度可以在一个以图形方式描绘灰度直方图,其对应的像素的数量在每个灰度级存在于图像中。一个典型的灰阶数字图像(用光 ​​学显微镜拍摄的)和其相应的直方图示于图7(a)和7(b)所示,分别为图。的灰度值被绘制在水平轴上的8 -比特图像,并且范围从0到255(总共256个灰度级)。以类似的方式,其特征在于每个灰度级的像素数绘制在垂直轴上。图像中的每个像素具有对应于在图中的值的灰度级,因此像素的直方图中的每个灰度级的列的数目必须增加,以产生所述图像中的像素的总数。

直方图以表示像素在每个亮度电平的相对人口和图像的一般的整体强度分布提供了一种数字图像的一个方便的表示。从直方图的统计数据可以用于比较的图像,或直方图可通过图像处理算法进行修改,以产生所述图像中的相应变化之间的对比度和亮度。此外,像素的直方图中的号码可以用来确定特定的图像细节区域的测量,或以评估和比较摄像机或数字化仪的性能。

其中最流行和实用的用途,用于数字图像直方图是调整对比度。灰度直方图也揭示了正被用于通过一个数字图像提供的灰度级范围内的程度。例如,像素落入50至75的亮度级的范围内,只用几个像素的直方图的其它区域的浓度,指示的强度(亮度)电平范围有限。与此相反,一个均衡的直方图(如图7的(b))是大intrascene动态范围的良好指标。具有高和低对比度的数字图像是通过图7(F)表示在图7(c)所示。在样本为人类组织的染色薄切片成像并记​​录在明场照明(如上面所讨论了图7(a)和图7(b))。图7(c)给出,其中图像的对比度很低,导致多数被分组在中间的直方图(图7(d))的像素中,严重地限制了动态范围(和对比度)的情况。当对比度转移在相反的方向(图7(F)),大部分像素的双峰分组为最高和最低灰度级,而使中心水平相对稀少。这个分布对应于非常高的对比度水平,从而导致具有白色和黑色的像素过剩的数字图像,但相对很少的中间灰度级(参见图7(e)条)。从这些例子中,很明显,该数字图像的直方图是图像保真度的一个有力的指标,并且可以用于确定在图像复原的必要步骤。

的彩色数字图像的直方图是指,计算并显示每个颜色成分(通常是红色,绿色和蓝色)的3灰度级直方图的复合物。颜色直方图可表示RGB色彩空间,HSI模型,或者所需的任何其它颜色空间模型的数字图像处理算法。这些直方图可以同时以重叠的方式进行显示,或分离成单个图形,以帮助确定亮度分布,对比度和各个颜色成分的动态范围。

示于图8是用光学显微镜拍摄的典型的全彩色数字图像。该标本是一个薄的哺乳动物的味蕾沾满曙红和苏木在光照模式下成像部分。出现于所述数字图像的右边是RGB直方图,其中包含三个(红,绿,蓝)颜色通道叠加的像素分布。下方的数字图像和RGB直方图是代表红色,绿色和蓝色通道,分别为个人直方图。请注意,亮度等级的分布是最高的红色通道,其对应于偏红色调的数字图像的相当显着的主导地位。双峰绿色通道表示了很大程度的这种颜色通道的对比度,而蓝色通道呈现具有相对均匀分布强度范围的直方图。

数字图像显示

为了重新建立一个数字图像模拟计算机监视器(或电视机)上,像素强度必须在没有显著损失的空间信息进行插值。在理论上,这只能使用其中的像素元件使用的是提出一种显示系统来实现的sin(x)/ X的函数(参见图9),它是具有零强度在所有位置在整个图像中的复杂的二维波形。这一要求提出了与采用的电子枪的模拟显示系统的一个问题,因为所需的功能不能充分地与标准计算机显示器产生的。转换回模拟信号由一个数字-模拟转换器之后,在视频监视器上的扫描点近似于高斯分布函数(图9)。这两种功能彼此相似,只有通过中央最大,而对于数字显示应用程序可能会导致潜在的严重的振幅和波形的改变,在目前的图像模糊的高分辨率信息。

打击计算机显示器显示的不足之处的解决方案是增加像素的数量在所述数字图像的同时,采用具有频率响应(视频带宽)超过20兆赫的高清晰度监视器。甚至相对低端现代计算机显示器满足这些要求,并且图像可以总是通过插值技术来增加像素密度(虽然这并不总是可取的)。另一种方法是过采样的模拟图像(超过奈奎斯特极限),以确保用于复杂的图像处理算法和随后的显示足够的像素数据。

视频显示器的刷新率也是在观看和操作数码影像的一个重要因素。显示屏闪烁是一种严重的工件,可以在一段时间甚至很短的一段疲劳的眼睛。为了避免闪烁文物,电视显示器采用的隔行扫描技术,刷新奇数和偶数行顺序,从而以交错的效果。交错呈现的印象是,一个新的帧产生两倍,经常因为它确实是。本来,隔行已用于电视广播信号,因为显示可能会不经常没有明显的图像闪烁刷新。

现代计算机显示器采用非隔行扫描技术(也称为逐行扫描),其中在单次扫描中显示整个视频缓冲。逐行扫描监视器要求,在隔行扫描设备,以避免闪烁文物的两倍频率运行的帧速率。然而,该技术消除了线对线的闪烁,减少运动伪影中显示的图像。现代计算机显示器一般具有用户可调的逐行扫描率介乎60至每秒100帧,它可以呈现非常稳定的图像,几乎无闪烁。

数字图像存储要求

为了节省存储资源,数字图像的各像素的坐标没有存储在通用计算机的文件格式。这是因为图像是由光栅扫描或任一由数字化装置(CCD,扫描仪等),其中在像素亮度值的串行串的数据传输给计算机模拟或光学图像阵列读出数字化的顺序。该图像,然后由像素的增量计数显示,按照既定的图像的垂直和水平尺寸,它们通常被记录在图像文件头。

数字图像的特点,可以通过几种方式。举例来说,像素在一个给定的长度尺寸(如每英寸像素数)的数量可以被指定,或像素阵列的大小(例如,640×480)可以用于描述图像。可选地,图像的像素或计算机存储的文件大小的总数给图像尺寸的指示。文件大小,以字节为单位,可以通过以下方式由比特深度相乘的像素尺寸和除以该数目由8确定的,每个字节的位的数目。例如,具有8位分辨率为640×480(像素)的图像将转化为302千字节的计算机内存(见表2)。同样,24位深度的高分辨率1280×1024真彩色图像需要超过380兆字节的存储空间。

数字图像文件的大小作为像素尺寸,格式和位深度的函数给出在表2中的宽范围的图像。未压缩的文件格式,如标记图像文件格式(TIFF)和“窗口”形象的位图(BMP),最需要的硬盘空间时,在全彩色编码。相比之下,常见的压缩算法,其中包括著名的联合图像专家组(JPEG)技术,可以显着减少存储需求,同时保持图像质量的合理程度。像素深度和目标输出的要求也确定数字图像如何被存储的重要因素。去往印刷媒体图像要求高的像素分辨率(通常超过每英寸300像素),而用于分配从以上降低分辨率(大约每英寸72像素)和文件大小的上网利益。

数字文件格式内存要求
像素
尺寸
灰阶
(8位)
位图
(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

用相对廉价的计算机存储器(当前可用的RAM),其耦合到显着提高的容量和速度,存储数字图像的远小于它已经在过去的关注。大数字化阵列,高达1024×1024像素,10,12,或16位深度,现在可以存储和处理关于在高速行驶时的个人计算机。此外,几十个较小的(640×480,8位)图像可以存储为和播放视频速率的视频用市售软件快速访问,或同时进行图像处理。

通过所得到的多个数字图像的光学部分共聚焦和多光子显微镜技术,或使用CCD或CMOS图像传感器捕获的序列,可以迅速地显示和操作。沿着两个适当倾斜轴的光学部叠层的突起产生的共同立体声对,这可以被用来可视化的显微场景的伪三维再现。目前数字图像处理软件包允许各种简单的显示策略,可以采用通过强度编码或伪任务可视化对象。当多个图像被记录在连续的时间点,可以将图像显示为二维的“电影”或组合,以生成其中一个三维物体被描述为时间的函数的四维图像。

先进的数字图像处理技术和显示操作,可以采用通过渲染与适当的着色,着色和深度线索的对象的视图来产生三维物体的非凡影像。一般应用于渲染的光学部分进行显示以三维两种流行的技术是体绘制面绘制。在光学图像集的体绘制的,该二维像素的几何形状和强度信息相结合,与已知的焦点位移产生的体积元,称为体素。所得到的体素,然后适当地遮蔽和预测,以产生样品体积相关联的角度和照明,以产生三维表示的视图。在一个图像组的表面绘制,仅在表面的像素被利用,即试样的外表面,并且其内部结构是因为表面的不透明度不可见的。再次,照明,角度和深度线索是必不可少的生产在视觉上合格的移交。



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