奧林巴斯顯微鏡，數(shù)字圖像的基本屬性

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

連續(xù)色調(diào)的圖像是由模擬的光學(xué)和電子器件，它由數(shù)種方法，如電信號的波動或變動是連續(xù)變化的圖象的所有尺寸的膜乳劑的化學(xué)性質(zhì)的序列準(zhǔn)確地記錄圖像數(shù)據(jù)。產(chǎn)生 為了使待加工或由計算機顯示的連續(xù)色調(diào)或模擬圖像，它必須首先被轉(zhuǎn)換成計算機可讀的形式或數(shù)字格式。此過程適用于所有圖像，無論出身和復(fù)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面討論的主要模式。

轉(zhuǎn)換一個連續(xù)色調(diào)圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)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和量化，如圖1所示。一個微型年輕海星成像的光學(xué)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））后，亮度水平在模擬圖像的特定位置被記錄并隨后量化的過程中（圖1（c））中轉(zhuǎn)換成整數(shù)。靶目標(biāo)是將圖像轉(zhuǎn)換為每個包含大約亮度或色調(diào)范圍的特定信息，并且可以通過一個特定的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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(xù)位置，并形成一個包含亮度信息的小矩形塊的二維陣列。取樣結(jié)束后，所得到的數(shù)據(jù)被量化成一特定數(shù)字亮度值分配到每個采樣的數(shù)據(jù)點，從黑色的，通過所有的中間灰度級，為白色。結(jié)果是強度，這就是通常被稱為的數(shù)字表示圖像元素或像素，對于陣列中的每個采樣數(shù)據(jù)點。

因為圖像是大致正方形或矩形的尺寸，每個像素的結(jié)果，從圖像的數(shù)字化是由一個坐標(biāo)對與特定的表示x和Y值設(shè)置一個典型的笛卡爾坐標(biāo)系中。的x坐標(biāo)指定的水平位置或像素的列位置，而y坐標(biāo)表示的行數(shù)或垂直位置。按照慣例，在坐標(biāo)位置（0,0）的像素是位于陣列的上左角，同時位于（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(shù)，并且y位置被稱為行號。因此，數(shù)字圖像是由一個矩形（或方形）像素陣列代表了一系列強度值中的，并通過一個有組織的（有序的x，Y）坐標(biāo)系。在現(xiàn)實中，圖像只存在號碼（或數(shù)據(jù)值）的一個大的串聯(lián)陣列，能夠通過計算機來解釋，以產(chǎn)生原始場景的數(shù)字表示。

寬高比

數(shù)字圖像的水平至垂直尺寸比率稱為縱橫比的圖像，并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（美國國家電視系統(tǒng)委員會）的商業(yè)廣播標(biāo)準(zhǔn)寬高比為電視和視頻設(shè)備是1.33，它轉(zhuǎn)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**的正方形。通過遵守標(biāo)準(zhǔn)的寬高比為數(shù)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(dāng)圖像被顯示在遠(yuǎn)程平臺上得以避免。

4:3寬高比標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于電視和計算機顯示器，產(chǎn)生一個顯示是4個單位寬由3個單位高。例如，一臺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(biāo)準(zhǔn)顯示寬高比數(shù)字高清晰度電視（HDTV）為16:9（1.78:1或），這將導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)廣播格式，并且通常用于電影之間的妥協(xié)。這個比例已經(jīng)確定，以提供消除或減少黑邊的大小的*佳平衡信箱格式的視頻，同時盡量減少，以適應(yīng)傳統(tǒng)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(shù)字電視廣播使用的新標(biāo)準(zhǔn)，并努力創(chuàng)造更廣泛的電視屏幕，也有動態(tài)影像格式有用的結(jié)果。*近，一個更廣泛的格式（2.35:1）已經(jīng)出現(xiàn)了與潘那維申寬屏幕鏡頭制作的視頻。也稱為寬銀幕，這種格式是常見于已轉(zhuǎn)移到數(shù)字視盤（電影DVD）軟件（電影或錄像），用于家庭觀看。另外，“DVD”一詞也指數(shù)字多功能盤在參考時使用的DVD-ROM用于存儲數(shù)據(jù)的格式。

當(dāng)一個連續(xù)色調(diào)的圖像進(jìn)行采樣和量化，由此產(chǎn)生的數(shù)字圖像的像素尺寸獲得原始模擬圖像的縱橫比。在這方面，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(shù)字圖象處理算法，并盡量減少失真。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(shù)字化時，類似的考慮。

空間分辨率

數(shù)字圖像，通常被稱為質(zhì)量的圖像分辨率，是由像素的數(shù)目和可用于在圖像中使用的各像素的亮度值的范圍來確定。圖像的分辨率被視為數(shù)字圖像的能力來重現(xiàn)細(xì)節(jié)已存在于原始模擬圖像或場景。一般而言，術(shù)語空間分辨率被保留以描述在構(gòu)建和渲染的數(shù)字圖像利用像素的數(shù)量。這個數(shù)量取決于如何精細(xì)的圖像被采集或數(shù)字化采樣過程中，與具有相同的物理尺寸范圍內(nèi)有較大數(shù)量的像素更高的空間分辨率的圖像。因此，作為數(shù)字圖像增大采樣和量化期間所獲得的像素的數(shù)量，圖像的空間分辨率也隨之增加。

采樣頻率，或者用來構(gòu)造一個數(shù)字圖像中的像素的數(shù)目，是通過匹配成像設(shè)備（通常是CCD或CMOS圖像傳感器）和用于可視化的圖像的計算機系統(tǒng)的光學(xué)和電子的分辨率來確定。應(yīng)通過采樣和量化來產(chǎn)生象素的足夠數(shù)量，以忠實地代表原始掃描或光學(xué)上獲取的圖像。當(dāng)模擬圖像被充分采樣，一個顯著量的細(xì)節(jié)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(xiàn)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(chǎn)生的光學(xué)圖像。注意由原始圖像的采樣和數(shù)字化之前，當(dāng)作為樣品位置的函數(shù)繪制顯示連續(xù)強度分布。在此示例中，當(dāng)32個數(shù)字樣本被獲取的（圖3（b）），將所得圖像保留了大多數(shù)的特征的強度和存在于原來的模擬圖像的空間頻率。

然而，當(dāng)取樣頻率被降低（圖3（c）和圖3（d）），一些信息（頻率）存在于原來的模擬圖像被錯過的翻譯從模擬到數(shù)字，而且這種現(xiàn)象通常被稱為走樣開始發(fā)展。如在圖3（d），即具有*低數(shù)量的樣本的數(shù)字圖像可知，混疊產(chǎn)生了高空間頻率數(shù)據(jù)的丟失，同時引入，實際上并不存在的雜散頻率較低的數(shù)據(jù)。這種效果是通過在區(qū)域之間的位置0和16中的原始模擬圖像的波峰和波谷的損失相比，在圖3（d）將數(shù)字圖像表現(xiàn)。此外，該峰存在于在模擬圖像位置3，成為在圖3（d）一個山谷，而谷位置12被解釋為一個峰的斜率在更低的分辨率的數(shù)字圖像。

數(shù)字圖像的空間分辨率是相關(guān)的空間密度的圖像和所述光學(xué)分辨率的顯微鏡或用來捕獲圖像的其他光學(xué)元件的。包含在每個像素（被稱為之間的數(shù)字圖象和距離的像素的數(shù)目的采樣間隔）的數(shù)字化設(shè)備的精度的函數(shù)。光學(xué)分辨率的光學(xué)透鏡系統(tǒng)（顯微鏡或照相機）的能力來解決存在于原來的場景中的細(xì)節(jié)的量度，并且是相關(guān)的光學(xué)器件的質(zhì)量，圖像傳感器和電子設(shè)備。在與空間密度（像素中的數(shù)字圖像的數(shù)量）的同時，在光學(xué)分辨率決定了圖像的整體空間分辨率。在情況下，該光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)分辨率優(yōu)于空間密度，然后將得到的數(shù)字圖像的空間分辨率僅受空間密度的限制。

包含在數(shù)字圖像中的所有細(xì)節(jié)，從非常粗到極其精細(xì)，是由亮度轉(zhuǎn)換，不同層次光明與黑暗之間的循環(huán)。亮度轉(zhuǎn)換之間的循環(huán)速率是被稱為空間頻率的圖像，與對應(yīng)于較高的空間頻率更高的速率。亮度在通過顯微鏡觀察分鐘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(xiàn)出的亮度水平的光譜。的地區(qū)，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(biāo)本的細(xì)節(jié)往往表現(xiàn)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(shù)字圖像中的數(shù)值表示平均*過采樣間隔的光學(xué)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范圍從非常暗到非常亮。一種數(shù)字照相機系統(tǒng)的準(zhǔn)確捕捉所有這些細(xì)節(jié)的能力取決于采樣間隔?？吹降?，比數(shù)字采樣間隔?。ň哂休^高的空間頻率）的顯微鏡功能將不會在數(shù)字圖像準(zhǔn)確地表示。在奈奎斯特準(zhǔn)則規(guī)定的采樣間隔等于*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(shù)字圖像。等效的措施是香農(nóng)的抽樣定理，其中指出，在數(shù)字化設(shè)備必須使用一個采樣間隔不大于所述光學(xué)圖像的*小可分辨特征的二分之一的尺寸更大。因此，捕捉細(xì)節(jié)的*小程度存在于試樣，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(fā)生在下面，通過任一奈奎斯特準(zhǔn)則或香農(nóng)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* 后的數(shù)字圖像。在光學(xué)顯微鏡下，對光學(xué)圖像的分辨率的阿貝極限是0.22微米，這意味著一個數(shù)字轉(zhuǎn)換器必須能夠取樣在對應(yīng)于試樣空間到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(chǎn)生的視圖的大約56微米（512×0.11微米）的水平方向的*大字段一種數(shù)字轉(zhuǎn)換器。如果過少的象素被用在樣品采集，那么所有的包含試樣的空間細(xì)節(jié)將不存在于*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(xué)倍率的結(jié)果）聚集，不需要額外的空間信息被得到，并且該圖像被認(rèn)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(shù)字圖像拍攝功能的測量的準(zhǔn)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*小可分辨特征的間隔建議。

大多數(shù)數(shù)碼相機連接到現(xiàn)代顯微鏡等光學(xué)儀器有一個固定的*小采樣間隔，不能調(diào)整，以符合試樣的空間頻率。選擇的攝像機和數(shù)字化儀的組合，能夠滿足顯微鏡放大倍數(shù)和標(biāo)本特征的*小空間分辨率的要求是很重要的。如果采樣間隔*過所必需的特定樣品，所得到的數(shù)字圖像將包含更多的數(shù)據(jù)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(shù)字圖像的影響示于圖4為成象用光學(xué)顯微鏡年輕海星標(biāo)本。在*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并且清楚地分辨。由于空間分辨率被降低（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(biāo)本細(xì)節(jié)導(dǎo)致丟失的圖像細(xì)節(jié)。在*低采樣頻率（圖4（e）和4（F）），像素阻塞發(fā)生時（通常被稱為像素化）和口罩大部分的圖像特征。

設(shè)計為耦合到光學(xué)顯微鏡許多入門級的數(shù)碼相機包含具有像素尺寸周圍7.6平方微米，其產(chǎn)生的4.86×3.64毫米對應(yīng)的圖像區(qū)域中的光電二極管陣列的傳感器時在操作表面上的一個圖像傳感器VGA模式。所得到的數(shù)字圖像的大小是640×480像素，它等于307,200單獨的傳感器元件。數(shù)字圖像傳感器的*終分辨率是光電二極管的數(shù)量和它們的大小相對于投影到陣列由顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的表面上的圖像的功能。如果至少有兩個樣品的每個可分辨單元制成只能實現(xiàn)成像用數(shù)碼顯微鏡標(biāo)本的可接受的分辨率。中低端顯微鏡數(shù)值孔徑范圍從約0.05*低光學(xué)放大倍數(shù)（0.5倍），以約0.95*高放大倍率（100倍無油）?？紤]到550納米的平均可見光波長和0.5和7微米（取決于倍率）之間的光學(xué)分辨率范圍內(nèi)，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(shù)試樣的所有細(xì)節(jié)的本分辨率。

一個嚴(yán)重的采樣偽影，被稱為空間混疊時，存在于所述的模擬圖像或?qū)嶋H樣品細(xì)節(jié)的速率進(jìn)行采樣小于兩倍的空間頻率，會發(fā)生。這種現(xiàn)象，也通常被稱為欠采樣，當(dāng)在數(shù)字化的象素的間距相隔太遠(yuǎn)相比高頻細(xì)節(jié)存在于圖像中，通常會發(fā)生。其結(jié)果是，為了精確地呈現(xiàn)模擬圖像細(xì)節(jié)所必需的*高頻率信息可以偽裝成較低的空間頻率特性，并不實際存在于數(shù)字圖像。別名通常發(fā)生作為突變過渡時的采樣頻率下降到低于一個臨界水平，大約是1.5倍，重復(fù)性高頻樣品圖案，或低于奈奎斯特分辨極限的25％左右。含定期間隔，重復(fù)模式標(biāo)本往往表現(xiàn)所造成的混淆引起的欠文物莫爾條紋。

圖像亮度和位深度

的亮度（或發(fā)光亮度的數(shù)字圖像的）是后的圖像已經(jīng)獲取與數(shù)字照相機或數(shù)字化的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的整個像素陣列的相對強度值的量度。亮度不應(yīng)該混淆與強度（更準(zhǔn)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(shù)字設(shè)備的傳送對象的大小或數(shù)量。相反，在數(shù)字圖像處理方面，亮度更正確地描述為包括所有構(gòu)成該數(shù)字圖象的合奏它被捕獲后，數(shù)字化，并將其顯示在像素的測得的強度。像素的亮度是在數(shù)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(shù)被用于定量地調(diào)整圖像的*變量。

后一個對象被成像并取樣，每個可分辨單元或者由一個數(shù)字的整數(shù)（所提供的圖像被拍攝的數(shù)碼相機系統(tǒng)）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(shù)字化，以試樣中表示的每個連續(xù)色調(diào)的強度轉(zhuǎn)換成數(shù)字亮度值。該數(shù)字值的精度成正比的位深度的數(shù)字化的設(shè)備。如果兩個位都使用時，圖像只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(yīng)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（3，7或15）表示白色，并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(jié)合在什么構(gòu)成的灰度或亮度范圍的圖像。更高的灰度級的數(shù)量對應(yīng)于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(tài)范圍（見表1）。例如，一個12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以顯示4096灰度級，對應(yīng)的72分貝（分貝）的傳感器的動態(tài)范圍。當(dāng)在這個意義上施加的動態(tài)范圍是指相對于該CCD傳感器可以傳輸用于圖象顯示噪聲的*大信號電平，并且可以在像素信號的能力和傳感器噪聲特性方面進(jìn)行具體限定。類似的術(shù)語通常用來描述在生成并顯示數(shù)字圖像，這可能是由強度直方圖表示利用灰度級的范圍內(nèi)。這種用法澄清，如果專稱為intrascene動態(tài)范圍。彩色圖象的構(gòu)造3單獨通道（紅，綠，藍(lán)）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(nèi)代表*終的圖像。

在計算機技術(shù)位（收縮為b適于普通挖它）是信息在利用二進(jìn)制數(shù)學(xué)系統(tǒng)中的符號的*小單位（僅數(shù)字1和0組成的）。一個字節(jié)通常構(gòu)造與8位的線性字符串，并能夠存儲256的整數(shù)值（2?E（8））的。以同樣的方式，兩個字節(jié)（相當(dāng)于16位或一臺計算機字）可以存儲2?（E16）整數(shù)，范圍從0到65535。一個千位元組（簡稱千字節(jié)）等于1024字節(jié)，而一個megabyte（兆字節(jié)）等于1024千字節(jié)。在大多數(shù)計算機電路，其中的位被物理上與在硬盤驅(qū)動器盤片的存儲單元或磁疇的晶體管或電容器的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。

術(shù)語比特深度指的是由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器利用模擬圖像信息轉(zhuǎn)換成能夠被讀出并通過計算機分析離散的數(shù)字值可能的灰度值的二進(jìn)制范圍。例如，*流行 的8位的數(shù)字化轉(zhuǎn)換器具有2?（E8），或256個可能的值（圖5）的二進(jìn)制范圍，而一個10位的轉(zhuǎn)換器具有范圍為2?（E10）（1024值）和一個16位的轉(zhuǎn)換器具有2?（E16）或65,536個可能的值。的位深度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的確定灰度增量的大小，與對應(yīng)于可從照相機更大范圍的有用圖象信息更高的比特深度。

列于表1是一個用來存儲在灰度級的數(shù)字信息，數(shù)字等效的比特數(shù)，和用于傳感器的動態(tài)范圍對應(yīng)的值之間的關(guān)系（以分貝為單位; 1位等于大約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(zhuǎn)換器，1位精度的數(shù)字化，信號將通過兩個值，二進(jìn)制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(xué)應(yīng)用中使用的數(shù)碼相機中*為數(shù)字化儀采用8位A / D轉(zhuǎn)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*大信號然后將細(xì)分為256步，具有2.9毫伏值的每一步。

必須以達(dá)到可接受的視覺質(zhì)量可以產(chǎn)生灰度級的數(shù)量應(yīng)足夠，個別灰度值之間的步驟是無法辨別的人的眼睛。該“只是明顯的差異”中對于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(diào)的視頻監(jiān)視器的亮度范圍內(nèi)，這表明*小的位深度的圖像的應(yīng)在6和7位之間躺下（64和128個灰度級級別，參見圖5）。

數(shù)字圖像應(yīng)該至少有8位至10位分辨率，以避免產(chǎn)生在增強后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(xué)顯微鏡拍攝的數(shù)字圖像的外觀的灰度等級數(shù)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（*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（低于5位），圖像開始，以收購其顯著的細(xì)節(jié)較少的機械外觀，有許多經(jīng)歷這種現(xiàn)象稱為樣本區(qū)域的灰度輪廓或色調(diào)分離?；叶容喞诒尘皡^(qū)域的*變得明顯（參見圖6（c）），其中灰度值往往差異逐漸多了，并且是表示灰度級分辨率不足。在*低分辨率（1位和2位;圖6（e）和6（f）段）一個顯著數(shù)量的圖像細(xì)節(jié)丟失。對于大多數(shù)典型應(yīng)用，如顯示在計算機屏幕上或通過網(wǎng)絡(luò)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(shù) 字圖像。

*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(shù)目的灰度級和像素，以產(chǎn)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(dāng)?shù)赜蔑@著較低的像素密度和灰度級表示的范圍。*后，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(shù)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(xiàn)代計算機是能夠在數(shù)字圖像中常見的尺寸執(zhí)行復(fù)雜的計算（640×480至1280×1024），非?？斓?。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(shù)個人電腦進(jìn)行處理。

提高數(shù)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(yīng)的軟件可以從一個更大的調(diào)色板（1,024或4,096灰階）顯示在電腦螢?zāi)簧?，?56級灰度的通常存在的圖像呈現(xiàn)灰色的必要色調(diào)。與此相反，一個8位的數(shù)字圖像被限制在原來由數(shù)碼相機拍攝的256個灰度級級別的調(diào)色板。作為倍率的圖像處理過程中增加，該軟件可以選擇*準(zhǔn)確的灰度再現(xiàn)的放大圖像的部分而不改變原始數(shù)據(jù)。檢查遮蔽的區(qū)域，其中一個10-bit數(shù)字圖像的深度允許軟件來呈現(xiàn)微妙的細(xì)節(jié)，將不存在于一個8位的圖像時，這一點尤其重要。

所需的模擬視頻信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換的精確度依賴于一個數(shù)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(nèi)部模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，不需要重采樣和數(shù)字化在計算機中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。這些攝像機能夠產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)具有高達(dá)16位分辨率（65,536灰度級）的中高端機型。大的數(shù)字范圍由更復(fù)雜的CCD相機表現(xiàn)的主要優(yōu)點在于，信號對噪聲的改進(jìn)中所顯示的8位圖像，并在寬的線性動態(tài)范圍的信號可以被數(shù)字化。

色彩空間模型

在顏色產(chǎn)生的數(shù)字圖像是由采樣，量化，空間分辨率，位深度和動態(tài)范圍的相同的概念適用于他們的灰度對應(yīng)管轄。而不是表示為灰色灰度級或色調(diào)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(dāng)彩色圖像被顯示在計算機監(jiān)視器上，三個不同的顏色發(fā)射器采用，每生產(chǎn)光的**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(xiàn)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(lán)色的吸收濾波器。另外，有些數(shù)碼相機有一個旋轉(zhuǎn)的濾光輪或采用三個獨立的圖像傳感器，每個位置的后面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(zhí)行的所有處理操作，可以通過應(yīng)用算法以每個顏色通道分開，然后結(jié)合信道擴(kuò)展到彩色圖象。因此，每個顏色分量被量化并以等于該位深度的灰度圖像（通常8位）使用的分辨率進(jìn)行處理。然后將得到的8位分量合并，以產(chǎn)生24位的像素（被稱為真彩色），雖然有些應(yīng)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(lán)色，可以選擇性地組合，以產(chǎn)生在可見光譜的所有顏色?？傊?，這些基色構(gòu)成的彩色空間（通常稱為色域），可以作為基礎(chǔ)的處理和彩色數(shù)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于特定的算法或應(yīng)用程序，這需要紅，綠，藍(lán)（僅是簡單的數(shù)學(xué)變換的RGB）空間到另一個色彩空間。例如，如果數(shù)字圖像必須印中，首先獲取并處理為一個RGB圖像，然后轉(zhuǎn)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(yīng)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，并生成彩色數(shù)字圖像，但是其它衍生物的色彩空間通常用于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(diào)，飽和度，亮度或強度不同的方法，并且可以任意修改，以適應(yīng)特定的應(yīng)用的需要。*流行 的替代色彩空間模型是色相，飽和度和亮度（HSI）色彩空間，它代表的顏色以直觀的方式（中，人類往往認(rèn)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(diào)分量控制彩色光譜（紅，綠，藍(lán)，黃等），而飽和度分量調(diào)節(jié)顏色的純度，以及如何出現(xiàn)鮮艷的顏色強度分量控制。

無數(shù)的HSI顏色空間模型的衍生品已經(jīng)制訂，包括色調(diào)，飽和度，明度（HSL），色調(diào)，飽和度，亮度（HSB），和其他一些密切相關(guān)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(xiàn)鮮艷的顏色明顯不同的表現(xiàn)形式。每種顏色空間模型提供了一個即是專為特定應(yīng)用程序的顏色表示方法。

灰度數(shù)字圖像可以呈現(xiàn)偽通過分配特定的灰度級范圍內(nèi)，以特定的顏色值。因為人眼能優(yōu)于多種灰度陰影之間深淺不同的顏色來區(qū)分這種技術(shù)是突出的灰度圖像感興趣的特定區(qū)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(biāo)本不同波長獲得合并后的黑白圖像。通常，在一個拼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(fā)。

圖像直方圖

包括數(shù)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(yīng)的像素的數(shù)量在每個灰度級存在于圖像中。一個典型的灰階數(shù)字圖像（用光 學(xué)顯微鏡拍攝的）和其相應(yīng)的直方圖示于圖7（a）和7（b）所示，分別為圖。的灰度值被繪制在水平軸上的8 -比特圖像，并且范圍從0到255（總共256個灰度級）。以類似的方式，其特征在于每個灰度級的像素數(shù)繪制在垂直軸上。圖像中的每個像素具有對應(yīng)于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(shù)目必須增加，以產(chǎn)生所述圖像中的像素的總數(shù)。

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(shù)字圖像的一個方便的表示。從直方圖的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以用于比較的圖像，或直方圖可通過圖像處理算法進(jìn)行修改，以產(chǎn)生所述圖像中的相應(yīng)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(xì)節(jié)區(qū)域的測量，或以評估和比較攝像機或數(shù)字化儀的性能。

其中*流行和實用的用途，用于數(shù)字圖像直方圖是調(diào)整對比度。灰度直方圖也揭示了正被用于通過一個數(shù)字圖像提供的灰度級范圍內(nèi)的程度。例如，像素落入50至75的亮度級的范圍內(nèi)，只用幾個像素的直方圖的其它區(qū)域的濃度，指示的強度（亮度）電平范圍有限。與此相反，一個均衡的直方圖（如圖7的（b））是大intrascene動態(tài)范圍的良好指標(biāo)。具有高和低對比度的數(shù)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并記錄在明場照明（如上面所討論了圖7（a）和圖7（b））。圖7（c）給出，其中圖像的對比度很低，導(dǎo)致多數(shù)被分組在中間的直方圖（圖7（d））的像素中，嚴(yán)重地限制了動態(tài)范圍（和對比度）的情況。當(dāng)對比度轉(zhuǎn)移在相反的方向（圖7（F）），大部分像素的雙峰分組為*高和*低灰度級，而使中心水平相對稀少。這個分布對應(yīng)于非常高的對比度水平，從而導(dǎo)致具有白色和黑色的像素過剩的數(shù)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(shù)字圖像的直方圖是圖像保真度的一個有力的指標(biāo)，并且可以用于確定在圖像復(fù)原的必要步驟。

的彩色數(shù)字圖像的直方圖是指，計算并顯示每個顏色成分（通常是紅色，綠色和藍(lán)色）的3灰度級直方圖的復(fù)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(shù)字圖像處理算法。這些直方圖可以同時以重疊的方式進(jìn)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(tài)范圍。

示于圖8是用光學(xué)顯微鏡拍攝的典型的全彩色數(shù)字圖像。該標(biāo)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(xiàn)于所述數(shù)字圖像的右邊是RGB直方圖，其中包含三個（紅，綠，藍(lán)）顏色通道疊加的像素分布。下方的數(shù)字圖像和RGB直方圖是代表紅色，綠色和藍(lán)色通道，分別為個人直方圖。請注意，亮度等級的分布是*高的紅色通道，其對應(yīng)于偏紅色調(diào)的數(shù)字圖像的相當(dāng)顯著的主導(dǎo)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(lán)色通道呈現(xiàn)具有相對均勻分布強度范圍的直方圖。

數(shù)字圖像顯示

為了重新建立一個數(shù)字圖像模擬計算機監(jiān)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(jìn)行插值。在理論上，這只能使用其中的像素元件使用的是提出一種顯示系統(tǒng)來實現(xiàn)的sin（x）/ X的函數(shù)（參見圖9），它是具有零強度在所有位置在整個圖像中的復(fù)雜的二維波形。這一要求提出了與采用的電子***的模擬顯示系統(tǒng)的一個問題，因為所需的功能不能充分地與標(biāo)準(zhǔn)計算機顯示器產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)換回模擬信號由一個數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器之后，在視頻監(jiān)視器上的掃描點近似于高斯分布函數(shù)（圖9）。這兩種功能彼此相似，只有通過中央*大，而對于數(shù)字顯示應(yīng)用程序可能會導(dǎo)致潛在的嚴(yán)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(shù)量在所述數(shù)字圖像的同時，采用具有頻率響應(yīng)（視頻帶寬）*過20兆赫的高清晰度監(jiān)視器。甚至相對低端現(xiàn)代計算機顯示器滿足這些要求，并且圖像可以總是通過插值技術(shù)來增加像素密度（雖然這并不總是可取的）。另一種方法是過采樣的模擬圖像（*過奈奎斯特極限），以確保用于復(fù)雜的圖像處理算法和隨后的顯示足夠的像素數(shù)據(jù)。

視頻顯示器的刷新率也是在觀看和操作數(shù)碼影像的一個重要因素。顯示屏閃爍是一種嚴(yán)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(shù)，刷新奇數(shù)和偶數(shù)行順序，從而以交錯的效果。交錯呈現(xiàn)的印象是，一個新的幀產(chǎn)生兩倍，經(jīng)常因為它確實是。本來，隔行已用于電視廣播信號，因為顯示可能會不經(jīng)常沒有明顯的圖像閃爍刷新。

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

數(shù)字圖像存儲要求

為了節(jié)省存儲資源，數(shù)字圖像的各像素的坐標(biāo)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(shù)字化裝置（CCD，掃描儀等），其中在像素亮度值的串行串的數(shù)據(jù)傳輸給計算機模擬或光學(xué)圖像陣列讀出數(shù)字化的順序。該圖像，然后由像素的增量計數(shù)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(shù)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(shù)）的數(shù)量可以被指定，或像素陣列的大?。ɡ?，640×480）可以用于描述圖像?？蛇x地，圖像的像素或計算機存儲的文件大小的總數(shù)給圖像尺寸的指示。文件大小，以字節(jié)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(shù)目由8確定的，每個字節(jié)的位的數(shù)目。例如，具有8位分辨率為640×480（像素）的圖像將轉(zhuǎn)化為302千字節(jié)的計算機內(nèi)存（見表2）。同樣，24位深度的高分辨率1280×1024真彩色圖像需要*過380兆字節(jié)的存儲空間。

數(shù)字圖像文件的大小作為像素尺寸，格式和位深度的函數(shù)給出在表2中的寬范圍的圖像。未壓縮的文件格式，如標(biāo)記圖像文件格式（TIFF）和“窗口”形象的位圖（BMP），*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**的聯(lián)合圖像專家組（JPEG）技術(shù)，可以顯著減少存儲需求，同時保持圖像質(zhì)量的合理程度。像素深度和目標(biāo)輸出的要求也確定數(shù)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*過每英寸300像素），而用于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(wǎng)利益。

用相對廉價的計算機存儲器（當(dāng)前可用的RAM），其耦合到顯著提高的容量和速度，存儲數(shù)字圖像的遠(yuǎn)小于它已經(jīng)在過去的關(guān)注。大數(shù)字化陣列，高達(dá)1024×1024像素，10，12，或16位深度，現(xiàn)在可以存儲和處理關(guān)于在高速行駛時的個人計算機。此外，幾十個較小的（640×480，8位）圖像可以存儲為棧和播放視頻速率的視頻用市售軟件快速訪問，或同時進(jìn)行圖像處理。

通過所得到的多個數(shù)字圖像的光學(xué)部分共聚焦和多光子顯微鏡技術(shù)，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(dāng)傾斜軸的光學(xué)部疊層的突起產(chǎn)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(xiàn)。目前數(shù)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(wù)可視化對象。當(dāng)多個圖像被記錄在連續(xù)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(shù)的四維圖像。

*的數(shù)字圖像處理技術(shù)和顯示操作，可以采用通過渲染與適當(dāng)?shù)闹?，著色和深度線索的對象的視圖來產(chǎn)生三維物體的非凡影像。一般應(yīng)用于渲染的光學(xué)部分進(jìn)行顯示以三維兩種流行的技術(shù)是體繪制和面繪制。在光學(xué)圖像集的體繪制的，該二維像素的幾何形狀和強度信息相結(jié)合，與已知的焦點位移產(chǎn)生的體積元，稱為體素。所得到的體素，然后適當(dāng)?shù)卣诒魏皖A(yù)測，以產(chǎn)生樣品體積相關(guān)聯(lián)的角度和照明，以產(chǎn)生三維表示的視圖。在一個圖像組的表面繪制，僅在表面的像素被利用，即試樣的外表面，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是因為表面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(chǎn)在視覺上合格的移交。