数字图像的显示

数字图像的显示数字图像的显示是数字图像处理的最后一个环节。显示环节把数字图像化为适合人类使用的形式。在图像的数字化中，连续的模拟图像被数字化为离散的数字图像，而在图像显示中，离散的数字图像又重新通过插值被重构为连续图像这节课我们将研究图像显示系统的构造和特性，包括各种影响图像显示质量的各种因素。这部分与硬件设置有很密切的关系，我们预先假设图像已经被恰当的数字化并得到精确处理。1 1 引言引言1.2 1.2 图像的质量图像的质量显示系统产生的图像的每一个像素的亮度直接受数字图像中对应像素的灰度值控制。但是同时我们还要考虑人类的视觉特性。p人眼只能分辨40级灰度p人眼对图像细节（空间高频部分）很强的分辨能力p对图像低频信息不敏感1.3 1.3 显示的方法显示的方法p永久性 打印纸、胶片、永久记录媒体p暂时性 显示屏幕2 显示特性显示特性p显示图像的大小显示器自身的物理尺寸显示器系统能处理的最大数字图像的大小p光度分辨率指系统在每个像素位置产生正确亮度或光密度的精度，尤其是系统能够有效产生的离散灰度级数目。离散灰度级数目通常与数据比特数有关。但是一个能接收8比特数据的显示器未必能够完全显示256级不同灰度，一般要少一些。我们经常使用电子噪声，例如方均根噪声来粗略估算系统能产生的有效灰度级估算公式：若噪声影响灰度的宽度 灰度显示总范围，有效灰度级=N（整数）1 Np灰度的特性输出亮度正比于输入灰度级的程度，即转换曲线的线性程度。只要人眼不能察觉，转换曲线稍微带有非线性是允许的。p显示标定在暂时显示装置中通常有调节转换曲线的旋钮。这被称为硬件调节。绝大多数情况使用软件调节。显示标定：预先把一个包含所有不同灰度级的测试卡显示在监视器中，在这基础上调节设备，使之线性表达所有亮度。p低频响应指系统显示大块等灰度级或者说平坦区域的能力。受到显示点形状、点间距和显示系统的幅度噪声和位置噪声的影响。概念 像素极性：不同的显示系统有不同的像素极性阴极射线管显示器：高亮度像素 对应 亮斑 零 黑斑CRT胶片记录仪：高 黑 零 透明平坦区域的平坦性质在中高亮度才成为问题。像素相互干扰对平坦性的影响滚筒胶片记录仪使用矩形像素，能得到极佳的平坦性以阴极射线管为显示机制的系统通常以圆形光点组成矩阵序列。以下以高斯函数显示点为例p高斯显示点二维高斯分布222,eexyrp x y设 为亮度等于最大值一半时半径R 22r Rp r-4-202400.51r/R 222,2xyRp x y单点亮度分布显示图像上任意 处亮度为 。它是所有高斯亮点贡献的总和。,x y,D x y高斯状显示点之间的相互影响离中心2R以外，高斯点亮度值才降为峰值的1%1%。00.511.5200.20.40.60.81该图反映两个相距d=2R等幅高斯点的亮度分布。点中心与中间位置相差12.5%。dD(1/2,0)D(0,0)D(1/2,1/2)在选择适当点间距是指满足平坦性要求的时候，有三个位置需要重点考虑：像素中心、像素中点和对角线中点。我们要使上述三点亮度 相等。,D x y 1 10,01442;,428102 2221,02452222ddDp dpdDppddDppdR 当距离 时三点亮度不可能相等。根据经验，范围 内有最好的区域平坦性。2Rd1.551.65RdR11.522.5300.511.522.5D(0,0)D(1/2,0)D(1/2,1/2)R R R R R p高频响应显示系统能否精确反映高频细节部分也是衡量系统显示质量的重要指标由相距一个像素的交替明暗竖直或水平线组成，可以称为“线对”。显示系统再现直线图案好坏反映了显示图像细节的能力。dD(0,0)D(1,0)测试方案：1 高频直线粗点代表单位幅值的象素，小黑点代表零幅值象素。线上象素中心的亮度可记为：线间象素亮度为两式相减为这就是对比度，调制系数为 0,01222Dp dpd 1,0242Dp dpd0,01,012242DDpdpd 0,01,00,0DDMD表示MM与点间距的关系11.522.530.50.60.70.80.911.1R R R R R 2 单象素棋盘格最大亮度由下式给出0,0142Dpd dD(1,0)D(0,0)点间距的折衷选择区域平坦性与高频相应的要求给点间距的选择带来互相矛盾的约制。两者实际的折衷取决于每幅图象中高频和低频信息的相对重要性。最小亮度为 1,0485Dp dpd11.522.530.20.30.40.50.60.70.80.91R R R R R p用于显示目的的采样显示数字图象实际上是一个将一组离散的采样值重构为连续图像的过程。根据香农定理，正确的插值函数是Sinc函数。只要采样间距选择得当离散点可以准确的恢复原有的图象sincsinxxx下图显示了对一位余弦信号以每周期3.3个采样点的频率进行采样。根据香农定理，使用如此频率的采样可以无误差的恢复余弦信号。通常的显示点是高斯函数，它往往会使图像产生畸变，右图就是用高斯函数插值采样函数时得到的结果。过采样：当每周期的采样数进一步增多时，会减少高斯显示点所造成的影响。因此我们可以采用比图像更小的，因而数量更多的像素。再采样：这是另一种改善高斯点图像显示质量的方法。即在显示之前先用数字插值的方法增加图像的像素数，然后再用高斯点显示图像。数字插值的函数是sinc函数。下图就是再采样的例子。p关于噪声的考虑显示系统电子噪声会引起显示点亮度和位置发生变化。1.幅值噪声（亮度变化）随机幅值噪声椒盐噪声周期幅值噪声鱼骨图案或条纹图案p点位置噪声点显示间距不均匀。严重时会产生几何畸变。点间距的不均匀也会造成幅值亮度的变化。所以须精确控制象素的位置。习题：1 某个显示系统将其高斯点间距调整为1.6R以获得良好的平坦区域再现性能，当一个宽度为单个象素的黑白水平线图案在系统中显示时，调制系数是多少？单象素棋盘格图案呢？