关于图像的基础知识

9.1　关于图像的基础知识

本节将主要介绍有关图像的基础知识，关于它的一些要素:大小、清晰度、色彩等等，所有这些要素从计算机的角度来看，都必须用数字表示才真正有意义。

9.1.1　图像的构成与显示

图像的要素必须数字化才能够被计算机识别、储存和处理。除了图像的表观大小外，图像可以用像素和色彩来描述。

任何一个物体都可以分解成组成它的各个部分。分解的深度或细致程度取决于我们所要研究的对象。对于图像来说，所能分解的最小组分称为像素。比像素更小的单元在研究中没有任何实际意义。我们使用的计算机显示屏可以看作是由宽×高的点矩阵，这矩阵内的每一点就是一个像素。我们平时说的计算机显示屏是800×600，1024×768，1960×1280，就是指相应的显示屏的宽度和高度所包含的像素。

对于同一物体，如果使用不同分辨率的成像设备，得到的图像的像素可以有很大的差别。所以像素的多少不但与成像物体大小有关，而且与成像技术设备有关。也可以说像素是图像空间分辨率的重要标志。

每一个像素的显示都可能表现为亮度和色彩。而任何像素的亮度和色彩显示可以分解为三种基本色素的强弱组合。有时候我们可以在车站码头或其他公共场合看到一些大广告屏，上面的标语、画面就是我们通常看到的计算机显示屏的放大。那上面的每个点（即像素）里面都有3个发光单元（比如二极管），每个发光单元发出一种颜色的光，计算机通过调节控制每个发光单元光的强弱来实现一个像素的亮度和色彩的控制。

在计算机里，我们进一步把每个单色元素从最强到最弱（无光）分为若干层次，比如分为4个层次，这样3个单色元素就可能组合成4×4×4＝64种颜色。当然这是最简单的。现在我们使用的计算机一般单色都分为128个层次或256个层次，所能组合成的颜色数已经远远超过了我们人眼的识别范围。以红蓝绿三种基色且各自分为256个层次为例，得到表9－1所示的像素颜色。

表9－1　像素的颜色

值得注意的是，上表中的白、黑、灰三种颜色，即非彩色，也是由三种基色组成的。在这个意义上，黑色、白色和灰色都是彩色的特例。

事实上，黑白照片出现在彩色照片之前，黑白电影出现在彩色电影之前。医院里的X光照片也是黑白片，黑白影像是以灰度（即亮暗的程度）来体现被拍摄事物的表面信息的。

黑白影像的像素没有三种基本色素，它只有亮暗程度的差别，也就是常说的灰阶。Windows系统8比特的输出显卡，反映黑白影像时的灰阶是256个灰阶。由于Windows在调色盘上要独占20个位置，影像实际只有236个灰阶。因此普通显卡常常遇到灰阶不连续的问题。要完美的再现灰阶连续的黑白影像，就应选配专业的输出灰阶在10比特以上的显卡。

由此，在医学影像显示中常使用的伪彩概念也就很容易理解了，这是将黑白影像中的像素用彩色显示，其原则是:①不同灰阶用不同的彩色显示。②相邻灰阶的像素用相邻的色彩。伪彩显示的黑白影像可以帮助医生对疾病的诊断。

9.1.2　图像的维度

所有图像都有维度。我们所在的空间是三维的，我们平常所说的平面图或立体图就是二维或三维图。二维图上的每个点有两个坐标，比如（x，y），三维图上的每个点有三个坐标，比如（x，y，z）。类推，四维图上的每个点有四个坐标，比如（x，y，z，t）。二维和三维图可以在平面上很直观地画出来，四维以上的图就不能在平面上显示了。

要注意的是，这里说的维度，可能是空间的维度，也可能是代表了别的物理量。比如医院里常常测量得到的心电图，就是以时间作为横轴，以心电压作为纵轴的二维图像，都与空间维度毫无关系。而CT扫描将身体组织的一个个截面的二维图拼成该组织的立体图，即三维图。其中的坐标就正好是空间维度。

在这个基础上，我们可以进一步来理解四维图了。设想一个身体组织在某时刻的立体图，间隔1秒钟后，它可能是另一个形态，或者说另一个三维图。如果我们对这个组织有一系列的三维图，按时间顺序显示出来，这就是这个身体组织的四维图像了。电影就是将一系列的用二维表述的三维图，以时间顺序放映出来，借助于人眼的视觉暂留，在观众头脑里形成的四维图像。