2.2 圖像數字化器

圖像數字化是指將模擬圖像信息轉換為數字信息的過程，數字相機、掃描儀等設備可以將現實世界中的模擬、連續色調的可視信息轉換為計算機可識別的數字信息，這就是數字化過程。圖像數字化器必須能夠將一幅圖像分解為像素并確定每個像素的位置，測量每個像素的灰度級，將所測量的連續亮度信息量化形成數字信息，并將這些數字信息保存在存儲設備上。

數字圖像處理的早期，圖像數字化設備價格非常昂貴，結構復雜，只有少數研究機構才可以使用，隨著微電子技術的發展與應用的不斷普及，圖像數字化設備價格逐年下降，各種各樣的設備已經開始應用于圖像數字化的處理過程。

2.2.1 圖像數字化器的組件

一般而言，一個能將模擬圖像信息轉換為數字信息的圖像數字化器必須具有如下6個基本部分或功能組件。

（1）人工光源：常見的人工光源主要包括白熾燈、激光器件、熒光物質和發光二極管（LED）等。白熾燈、激光器件是最常用的人工光源。在掃出系統中，物體或圖片的數字化使用白熾燈作為光源非常方便，在掃入系統中，一個LED的細絲經一個透鏡成像，并形成一個小光點。

（2）采樣孔：使圖像數字化器能不受圖像其他部分的影響而在整幅圖像中掃描特定的獨立像素單元。

（3）掃描器件：其作用是使采樣孔以預先確定的方式在圖像上移動，按照順序依次掃描圖像的每一個像素。掃描系統包括機械掃描裝置、電子束聚焦和集成電路等。如圖2-1所示是一個典型的機械掃描裝置，一幅照片（圖像）部分或全部卷在滾筒上，滾筒通過旋轉牽引圖像經過固定的采樣孔，形成一個方向上的掃描。采樣孔安裝在引導螺桿上，引導螺桿旋轉使采樣孔在圖像上移動。滾筒和引導螺桿結合形成對二維圖像的掃描。如果引導螺桿連續而不是間歇轉動，則掃描是螺旋式進行的，但已非常接近直線式掃描。

（4）光傳感器：通過采樣孔量測每個像素的亮度信息，將各像素的光強信號轉換為電壓或電流信號。光傳感器的特點是可以產生正比于光強的電信號，光傳感器包括光電倍增管、光電二極管、光電晶體管、光敏電阻和固體傳感器。

（5）量化器：將傳感器輸出的連續信號轉換為離散的數字信號（整數值），數字化部件由模—數轉換器電路組成。

（6）輸出介質：將量化器產生的灰度值以適當格式存儲起來，以備數字圖像處理后續使用。輸出介質可以是固態存儲器、磁盤或其他合適的存儲設備。

2.2.2 圖像數字化器的性能

雖然不同的圖像數字化器功能不盡相同，但一般而言可以從以下幾個方面選擇和檢查圖像數字化器的主要性能和參數。

（1）像素大小：采樣尺寸和相鄰像素的間距是兩個重要的性能指標，如果圖像數字化器安裝了放大倍數可調的光學系統，那么輸入圖像平面上的采樣尺寸和間距也是可調的。

（2）圖像尺寸：圖像數字化器可處理的最大圖像尺寸也是一個重要參數，如膠片掃描儀，最大的輸入尺寸是35mm或11×14inch（1inch=2.54cm）的X光片。對于輸出而言，圖像尺寸由每行和每列的最大像素數決定。

（3）物理參數：所謂物理參數，即圖像數字化儀器能測量和量化的物理參數。以膠片掃描儀為例，可以測量和量化膠片的透射率或膠片的光密度，這兩個參數均為膠片明暗度的函數，但對不同的應用，透射率和光密度的重要程度可能不一樣。

（4）線性度：線性度是指對光強進行數字化時，灰度正比于圖像亮度的實際精確程度，圖像數字化器的線性度是一個重要的性能指標，非線性的數字化器會影響后續處理的有效性。

（5）灰度級：能將圖像量化為多少級灰度是圖像數字化器的重要性能指標之一。圖像數字化經歷了早期的黑白兩級灰度、灰度圖像（8位256灰度級）、彩色圖像及現在的RGB彩色圖像。目前已經出現能達到更高分辨率的數字化器。

（6）噪聲：最后一個重要特性是數字化器的噪聲水平。如果用數字化器處理一幅均勻的灰度圖像，則雖然輸入亮度是一個常量，但是系統中的固有噪聲卻會使輸出圖像的灰度發生變化。數字化器引入的噪聲是圖像質量下降的根源之一，應當使噪聲小于圖像內的反差（即對比度）。

2.2.3 圖像數字化器的類型

圖像數字化器主要包括數字相機和膠片掃描儀。

數字相機（包括數字攝像機）是一類種類繁多而又重要的數字化器，它可以數字化鏡頭前的任意物體，如具有計算機接口的電視攝像機。數字相機不僅能數字化實際的物體，還能數字化相片的底片。

膠片掃描儀也是一種非常重要的圖像數字化器。盡管膠片掃描儀目前應用范圍有限，但依然是一種很重要的圖像數字化器。這類儀器專用于掃描膠片上的攝影圖像，首先物體由膠片相機攝影，然后由膠片掃描儀將其圖像數字化。膠片掃描儀曾經在圖像處理過程中占有突出的地位，但目前人們更傾向于直接使用數字相機。

圖像數字化一般有掃入和掃出兩種方法。在掃出方式中，光線連續照射整個物體或膠片圖像，采樣孔每次僅允許光傳感器探測到一個像素。掃入方式又稱為掃進方式，在掃入方式中，物體每次只有一小點被照亮，所有傳過來的光線都被傳感器收集，物體由光束掃描，即在這種情況下，是物體被照明光線掃描，而傳感器則“看到”整個場景。