圖像采集與處理基礎(chǔ)課件

第二章

圖像采集與處理主要內(nèi)容

模擬視頻信號(hào)數(shù)字視頻信號(hào)圖像采集卡介紹重點(diǎn)及難點(diǎn)

模擬視頻信號(hào)的表示數(shù)字圖像的處理方法數(shù)字視頻信號(hào)的表示及接口一、模擬視頻信號(hào)

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)信號(hào)數(shù)據(jù)可用于表示任何信息，如符號(hào)、文字、語(yǔ)音、圖像等從表現(xiàn)形式上可歸結(jié)為兩類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別可根據(jù)幅度取值是否離散來(lái)確定。模擬信號(hào)指幅度的取值是連續(xù)的，幅值可由無(wú)限個(gè)數(shù)值表示數(shù)字信號(hào)指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)一、模擬視頻信號(hào)

幅度UA(t)0t模擬信號(hào)(a)幅度UA(t)0t數(shù)字信號(hào)(b)一、模擬視頻信號(hào)

一、模擬視頻信號(hào)

視頻制式由視頻模擬數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)構(gòu)成NTSC（NationalTelevisionStandardsCommittee，北美及日本）PAL（PhaseAlternateLine，歐洲及亞洲大部分國(guó)家）SECAM（SequentialCouleurAvecMemoire，法國(guó)）我國(guó)目前采用的標(biāo)準(zhǔn)是PAL-D行頻(KHz)：每秒鐘掃描多少行；行頻分別與場(chǎng)頻、分辨率成正比，場(chǎng)頻越高或者水平線數(shù)越多，要求的行頻也越高。反過(guò)來(lái)說(shuō)，行頻越高，則允許顯示器分辨率可變范圍越大，場(chǎng)頻也越高，顯示器越好。行頻=場(chǎng)頻*電子束水平掃描線數(shù)÷0.93場(chǎng)(幀)頻(Hz，fps)：場(chǎng)頻又稱為幀頻或刷新頻率，即顯示器的垂直掃描頻率，指顯示器每秒所能顯示的圖象次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。分辨率：習(xí)慣上我們說(shuō)的分辨率是指圖像的高/寬像素值，嚴(yán)格意義上的分辨率是指單位長(zhǎng)度內(nèi)的有效像素值ppi。一、模擬視頻信號(hào)

一、模擬視頻信號(hào)

幀和場(chǎng)(隔行信號(hào)和逐行信號(hào))標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)是隔行信號(hào)，一幀分成兩場(chǎng)偶數(shù)場(chǎng)包含所有的偶數(shù)行(0,2,...)奇數(shù)場(chǎng)包含所有的奇數(shù)行(1,3,...)標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻在采集和傳輸?shù)倪^(guò)程中使用的是場(chǎng)，而不是幀一幀圖像的兩場(chǎng)之間有時(shí)間差(造成運(yùn)動(dòng)模糊)一、模擬視頻信號(hào)

幀和場(chǎng)(隔行信號(hào)和逐行信號(hào))

隔行(幀)奇場(chǎng)偶場(chǎng)幀(場(chǎng))特性：幀(場(chǎng))同步(B)幀(場(chǎng))后肩(C)幀(場(chǎng))有效信號(hào)(D)幀(場(chǎng))前肩(E)一、模擬視頻信號(hào)

行特性：行同步(B)行后肩(C)行有效信號(hào)(D)行前肩(E)一、模擬視頻信號(hào)

HS/HD(Horizontalsynchronisation)VS/VD(Verticalsynchronisation)VoltageTimeHDVideoVoltageTimeVDVideo一、模擬視頻信號(hào)

一、模擬視頻信號(hào)

一、模擬視頻信號(hào)

一、模擬視頻信號(hào)

復(fù)合視頻和S-Video復(fù)合視頻的彩色視頻信號(hào)是這樣構(gòu)成的：首先有一個(gè)基本的黑白視頻信號(hào)，然后在每個(gè)水平同步脈沖之后，加入一個(gè)顏色脈沖和一個(gè)亮度信號(hào)。因?yàn)椴噬盘?hào)是由多種數(shù)據(jù)“疊加”起來(lái)的，故稱之為“復(fù)合視頻”。S-Video是一種信號(hào)質(zhì)量較高的視頻接口，它取消了信號(hào)疊加的方法，可有效避免一些無(wú)謂的質(zhì)量損失。它的功能是將RGB三原色和亮度進(jìn)行分離處理。一、模擬視頻信號(hào)

顏色空間對(duì)一種顏色進(jìn)行編碼的方法統(tǒng)稱為“顏色空間”或“色域”(ColorSpace)。RGB(16位/24位/32位)YUV(YCbCr)其他(HSV、CMYK、數(shù)碼相機(jī)自定義格式等)Alpha通道一、模擬視頻信號(hào)

顏色空間RGB32（8:8:8:8）RGB24（8:8:8）一、模擬視頻信號(hào)

顏色空間RGB16（5:6:5）RGB15（5:5:5）一、模擬視頻信號(hào)

顏色空間YUV16（4:2:2）Y8二、模擬信號(hào)——接口連續(xù)圖像用f(x,y)表示

x,y表示空間的坐標(biāo)，f表示圖像在點(diǎn)(x,y)處的某種性質(zhì)F的數(shù)值，如亮度（灰度值）或間接表示溫度、壓力、高度等。

f、x、y——可以是任意實(shí)數(shù)

數(shù)字圖像——把連續(xù)圖像在坐標(biāo)空間和性質(zhì)空間都進(jìn)行離散化，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理，這種圖像稱為數(shù)字圖像。用I（r,c）表示，r——代表圖像的行

c——代表圖像的列

I,r,c——都是整數(shù)

I（r,c）——表示（r,c）行列交點(diǎn)處的圖像值。三、圖像的表示RCOXYO(a)(b)f(x,y)●

I(r,c)■屏幕顯示中采用圖像計(jì)算中采用四、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

圖像處理的信號(hào)來(lái)源，主要問(wèn)題是輸入噪聲，醫(yī)用設(shè)備要求極高，灰度分辨率為2048級(jí)因圖像信息量大，因而大容量、快速存儲(chǔ)器是必不可少的將圖像數(shù)據(jù)壓縮，遠(yuǎn)距離傳送圖像檔案（高保真度）例如：遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷，可以在幾千公里外由專家指導(dǎo)手術(shù)。速度、內(nèi)存、功能要求高通信聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)主機(jī)（處理和分析）輸出顯示設(shè)備輸入部件采集和量化激光掃描儀CCD攝像機(jī)圖像存儲(chǔ)設(shè)備1、顯示中間和最后結(jié)果，以供分析、識(shí)別和解釋用如：CRT顯像設(shè)備2、記錄下來(lái)永久保存如：打印機(jī)或錄像五、數(shù)字圖像處理工程圖像信息的獲?。↖mageInformationacquisition）

將一幅圖像轉(zhuǎn)換成適合輸入計(jì)算機(jī)或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字信號(hào)，這一過(guò)程主要包括攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。圖像信息的存儲(chǔ)（ImageInformationstorage）

圖像信息的突出特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量巨大，一般作為檔案存儲(chǔ)主要采用磁帶、磁盤或光盤。為解決海量存儲(chǔ)問(wèn)題主要研究數(shù)據(jù)壓縮圖像格式及圖像數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。圖像信息的傳送（ImageInformationtransmission）

可分為系統(tǒng)內(nèi)部傳送與遠(yuǎn)距離傳送。內(nèi)部傳送多采用DMA技術(shù)以解決速度問(wèn)題，外部遠(yuǎn)距離傳送主要解決占用帶寬問(wèn)題。數(shù)字圖像處理（DigitalImageProcessing）

多采用計(jì)算機(jī)處理。包括幾何處理、算術(shù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像編碼、圖像識(shí)別、圖像理解等。圖像的輸出與顯示（ImageOutputandDisplay）

圖像處理的最終目的是為人或機(jī)器提供一幅更便于解譯和識(shí)別的圖像，因此圖像輸出也是圖像處理的重要內(nèi)容。圖像輸出有兩種，一種是硬拷貝，一種是軟拷貝。其分辨率隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從256×256、512×512、1024×1024越來(lái)越高。1、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件獲取數(shù)字圖像的設(shè)備即采集裝置。掃描儀數(shù)碼照相機(jī)數(shù)碼攝像機(jī)

圖像采集模塊采集裝置都包括下面兩個(gè)部件：光敏感應(yīng)器件模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置2、圖像獲取方法電視攝像機(jī)（VideoCamera）飛點(diǎn)掃描器（Flyingpointscanner）掃描鼓掃描儀顯微光密度計(jì)遙感用圖像獲取設(shè)備光學(xué)攝影：攝像機(jī)、多光譜像機(jī)紅外攝影：紅外輻射計(jì)、紅外輻射儀、多通道紅外掃描儀MSS：多光譜掃描儀微波：微波輻射計(jì)、側(cè)視雷達(dá)、真實(shí)空孔徑雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)電視攝像機(jī)（VideoCamera）：目前使用最廣泛的圖像獲取設(shè)備，早期主要有光電攝像管等，主要采用CCD攝像設(shè)備。特點(diǎn)：設(shè)備小巧，速度快，成本低、靈敏度高。缺點(diǎn)：灰度層次較差，非線性失真較大，有黑斑效應(yīng)，在使用中需要校正。目前，CCD攝像機(jī)在分辨率、靈敏度等方面已做到較高水平。攝像機(jī)參數(shù)有空間分辨率、灰度扥變綠、顏色數(shù)、快門參數(shù)、最低照明度等。根據(jù)傳感器的有效工作范圍：可見光、近紅外、紅外、X射線等CCD攝像機(jī)。根據(jù)快門速度：靜止、實(shí)時(shí)攝像機(jī)飛點(diǎn)掃描器（Flyingpointscanner）：這是一種以光源做掃描的圖像獲取設(shè)備，其特點(diǎn)是：精度較高、圖像清晰，可投射成像亦可反射成像，但是其體積略顯龐大。飛點(diǎn)掃描系統(tǒng)一般用在電視傳送方面，特別是傳送透明畫和影片。在飛點(diǎn)掃描系統(tǒng)中，掃描光點(diǎn)的光源是一種形成光柵的顯象管，通稱為飛點(diǎn)掃描管。從飛點(diǎn)掃描管發(fā)出的光被聚焦到影片上，逐點(diǎn)地受到影片透光度的調(diào)制，然后被光電倍增管接收，發(fā)出視頻信號(hào)。因?yàn)樵谌魏谓o定的瞬間，達(dá)到光電倍增管上的光，理想的應(yīng)當(dāng)只是透過(guò)影片相應(yīng)象元的光，所以要求飛點(diǎn)掃描管熒光屏用的磷光體余輝要短。在黑白飛點(diǎn)掃描系統(tǒng)中，對(duì)磷光體只在余輝和亮度上有所選擇,而對(duì)光譜發(fā)射特性不大考慮。在彩色系統(tǒng)中，光束透過(guò)影片之后，通過(guò)分色鏡被分成彩色成分。為了達(dá)到精確的彩色再現(xiàn)，要求掃描光點(diǎn)的光譜能量分布要包括光譜整個(gè)可見區(qū)域?，F(xiàn)在的做法是把兩種磷光體混合起來(lái)，以獲得較寬的白場(chǎng)。掃描鼓：一種高精度的滾筒式圖像攝取設(shè)備。特點(diǎn)：精度 高、分辨率高，可輸入也可輸出，缺點(diǎn)：價(jià)錢昂 貴、速度低，維護(hù)要求高，多用于靜止圖像的的 輸入輸出設(shè)備。掃描儀：特點(diǎn)：精度和分辨率中等。應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：速 度慢，非實(shí)時(shí)設(shè)備。顯微光密度計(jì)：精度較高，速度較低。3、

圖像顯示圖像顯示的主要形式：軟拷貝形式硬拷貝形式

常用硬盤、軟盤、U盤、活動(dòng)硬盤、光盤、磁帶等在海量圖像存儲(chǔ)備份系統(tǒng)中，采用磁盤陣列、磁帶庫(kù)、光盤塔等存儲(chǔ)設(shè)備。4、圖像存儲(chǔ)5、圖像的輸出與顯示硬拷貝：照相、激光拷貝、彩色噴墨打印軟拷貝CRT顯示（CathodeRayTube）液晶顯示器（LCD）場(chǎng)致發(fā)光顯示器（FED）6、圖像信息的存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)內(nèi)存，幀緩存：提供快速存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)器固定硬盤和3．5英寸的軟磁盤：小型和微型計(jì)算機(jī)的必備外存儲(chǔ)器閃存盤（u盤）：是以USB為接口的一種存儲(chǔ)方式移動(dòng)硬盤大容量的Zip磁盤：應(yīng)用于多臺(tái)電腦的數(shù)據(jù)傳送．網(wǎng)絡(luò)下載數(shù)據(jù)、文件臨時(shí)保存MD(Magneto-OpticalDisk)：傳統(tǒng)磁盤技術(shù)與激光技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物CD-R（CDRecordable）:一種允許對(duì)CD進(jìn)行一次性刻寫的特殊存儲(chǔ)技術(shù)CD-RW(CDReWritable)：一種重復(fù)寫入技術(shù)PD：PhaseChangeReWritableOpticalDisk:相變光方式存儲(chǔ)的可重復(fù)擦寫的存儲(chǔ)設(shè)備，是比CD-RW盤片性能更好、更穩(wěn)定的光盤介質(zhì)。DVD(DigitalVideoDisk):DVD-R、DVD-RAM、DVD-RW圖像通信就是把圖像傳送到遠(yuǎn)方終端。按傳輸圖像種類分為靜止圖像通信:如電報(bào)、傳真和圖文電視等；活動(dòng)圖像通信:如電視、可視電話等。7、圖像通信模塊

以微機(jī)或工作站為主，配以圖像卡和外設(shè)構(gòu)成微型圖像處理系統(tǒng)。向大型機(jī)方向發(fā)展，具有并行處理功能，以解決數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性與處理能力之間的矛盾。8、計(jì)算機(jī)9、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)軟件圖像處理系統(tǒng)平臺(tái)：MicrosoftWindows開發(fā)主流工具：VC++其他圖像處理軟件MATLAB的圖像處理工具箱AVS(ApplicationVisualizationSystem)SPIDERViewer(SubroutinePackageforImageDataEnhancementandRecognition)IUE(ImageUnderstandingEnvironment)IBMR-從照片中生逼真的3D虛擬人算法––面部復(fù)制求特征點(diǎn)求其3D位置修改通用人頭修改嘴和眼紋理映射(Image-BasedModelingandRendering)

IBMR-從照片中生逼真的3D虛擬人算法––––軀干復(fù)制幾種常見的生物特征示例

臉形臉部熱量圖指紋幾種常見的生物特征示例手形手部血管分布

虹膜視網(wǎng)膜

簽名

聲音六、數(shù)字圖像處理的方法和內(nèi)容

圖像處理：對(duì)圖像進(jìn)行一系列的操作，以達(dá)到預(yù)期的目的的技術(shù)，滿足人的視覺心理和實(shí)際應(yīng)用的要求。例子：調(diào)整了亮度和對(duì)比度1、數(shù)字圖像處理的主要方法

空域法：把圖像看作是平面中各個(gè)像素組成的集合，然后直接對(duì)這個(gè)二維函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。鄰域處理法：包括梯度運(yùn)算（GradientAlgorithm），拉普拉斯算子運(yùn)算(LaplacianOperator)，平滑算子運(yùn)算(SmoothingOperator)和卷積運(yùn)算（ConvolutionAlgorithm）點(diǎn)處理法：灰度處理（Greyprocessing），面積、周長(zhǎng)、體積、重心運(yùn)算等

變換域法：首先對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，得到變換域陣列，然后再施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結(jié)果。包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取等處理。2、數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容圖像數(shù)字化幾何處理算術(shù)處理圖像增強(qiáng)圖像復(fù)原圖像重建圖像編碼圖像分析模式識(shí)別圖像理解

模擬圖像處理：利用光學(xué)、照相方法對(duì)模擬圖像的處理

光學(xué)處理（透鏡），電子處理（電視)

特點(diǎn)：并行速度快，精度稍差，欠靈活

數(shù)字圖像處理：利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行系列操作，從而獲得某種預(yù)期的結(jié)果的技術(shù)

就是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或其它高速、大規(guī)模集成數(shù)字硬件，對(duì)從圖像信息轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行某些數(shù)字運(yùn)算或處理，以期提高圖像的質(zhì)量或達(dá)到人們所要求的某些預(yù)期的結(jié)果。特點(diǎn)：精度高，靈活，處理速度受限。

.數(shù)字化一幅圖像(將連續(xù)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像).增強(qiáng)一幅圖像(使一幅圖像能更好地適應(yīng)于某個(gè)特定的應(yīng)用).恢復(fù)一幅圖像(讓一幅被損壞的圖像盡可能恢復(fù)到原貌).壓縮一幅圖像(用更少的字節(jié)數(shù)來(lái)存儲(chǔ)它).分割一幅圖像(將一幅圖像從背景中提出來(lái)并分成若干個(gè)目標(biāo)).識(shí)別一幅圖像(讓機(jī)器說(shuō)出圖像的目標(biāo)或物體是什么)

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)能做些什么？2022/10/1350DigitalImageProcessing圖像數(shù)字化

將一幅光學(xué)圖像表示成一組數(shù)字，既不失真又便于計(jì)算機(jī)分析處理。主要包括的是圖像的采樣與量化。它是數(shù)字圖象處理系統(tǒng)工作的第一步xF(x,y)YX.采樣(如圖中的網(wǎng)格).量化數(shù)字化一幅圖像2022/10/1352DigitalImageProcessing幾何處理

幾何處理主要包括坐標(biāo)變換、圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，多個(gè)圖像配準(zhǔn)、全景畸變校正，扭曲校正，周長(zhǎng)、面積、體積計(jì)算等。算術(shù)處理

主要對(duì)圖像施以＋、－、×、÷等運(yùn)算，雖然該處理主要針對(duì)象素點(diǎn)的處理，但非常有用，如醫(yī)學(xué)圖像中的減影處理就有顯著的效果。－＝圖像增強(qiáng)

突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。主要方法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色（pseudocolor）增強(qiáng)法、灰度窗口等技術(shù)。主觀.原始圖像增強(qiáng)后的圖像增強(qiáng)一幅圖像2022/10/1356DigitalImageProcessing圖像復(fù)原主要目的是去除干擾和模糊，恢復(fù)圖像的本來(lái)面目。

當(dāng)圖像損壞了，我們可以恢復(fù)它裂痕部分撕破了恢復(fù)一幅圖像2022/10/1358DigitalImageProcessing

皺折原始圖像

恢復(fù)后的圖像

恢復(fù)一幅圖像2022/10/1359DigitalImageProcessing

破損部分

原始圖像恢復(fù)后的圖像恢復(fù)一幅圖像2022/10/1360DigitalImageProcessing圖像重建幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖像，處理后輸出的也是圖像。而重建是從數(shù)據(jù)到圖像的處理。輸入的是某種數(shù)據(jù)，處理得到的是圖像。典型應(yīng)用：醫(yī)學(xué)診斷用（CT）斷層成像。主要算法：代數(shù)法、迭代法、傅立葉反投影法、卷積反投影法、三維重建算法。圖像編碼圖像編碼的目的：減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量；降低數(shù)據(jù)率以減少傳輸帶寬；壓縮信息量，便于特征提取，為識(shí)別做準(zhǔn)備。圖像編碼法的特點(diǎn)：充分考慮人的視覺特性；恰當(dāng)?shù)乜紤]對(duì)圖像信號(hào)的分解與表述；采用圖像的合成與識(shí)別方案壓縮數(shù)據(jù)率。

原始圖像257kb壓縮后的圖像147kb

冗余信息壓縮一幅圖像2022/10/1363DigitalImageProcessing

原始圖像

分割后的圖像分割一幅圖像2022/10/1364DigitalImageProcessing

原始圖像

分割后的圖像分割一幅圖像2022/10/1365DigitalImageProcessing

分割一幅圖像(咖啡豆分離)2022/10/1366DigitalImageProcessing模式識(shí)別統(tǒng)計(jì)識(shí)別法：側(cè)重于特征句法結(jié)構(gòu)識(shí)別法：側(cè)重于結(jié)構(gòu)和基元模糊識(shí)別法：把模糊數(shù)學(xué)的一些概念和理論用于識(shí)別處理對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、分類、識(shí)別和描述、解釋模板匹配示例圖像信息的傳送近程圖像通信主要指在不同設(shè)備間交換圖像數(shù)據(jù)，現(xiàn)已有許多用于局域通信的軟件和硬件以及各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；內(nèi)部傳送多采用DMA（DirectMemoryAcess）解決速度問(wèn)題。遠(yuǎn)程圖像通信主要指在圖像處理系統(tǒng)間傳輸圖像；長(zhǎng)距離圖像通信遇到的首要問(wèn)題是圖像數(shù)據(jù)很大而傳輸通道通常比較窄。例如目前常用的電話線的速率為9600bit/s，如果以這樣的速率傳輸一幅512×512×8bit圖像就需要300s。利用中繼站的無(wú)線傳輸速率比較高，但費(fèi)用更高。遠(yuǎn)程傳送主要解決占用帶寬問(wèn)題。圖像工程與相關(guān)學(xué)科圖像工程的內(nèi)涵圖像理解圖像分析圖像處理語(yǔ)義高層中層低層操作對(duì)象符號(hào)目標(biāo)象素高低抽象程度小大數(shù)據(jù)量

圖像工程是一門系統(tǒng)地研究各種圖像理論。技術(shù)和應(yīng)用的交叉學(xué)科。從它的研究方法來(lái)看，它可以與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多學(xué)科相互借鑒，從它的研究范圍來(lái)看，它與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多個(gè)專業(yè)互相交叉。另外，圖像工程的研究進(jìn)展與人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等理論和技術(shù)都有密切的聯(lián)系，它的發(fā)展應(yīng)用與醫(yī)學(xué)、遙感、通信、文檔處理和工業(yè)自動(dòng)化等許多領(lǐng)域業(yè)是密不可分的。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的是用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成圖形的理論、方法和技術(shù)，即由非圖像形式的數(shù)據(jù)描述來(lái)生成逼真的圖像。它可以生成現(xiàn)實(shí)世界已經(jīng)存在的物體的圖形，也可以生成虛構(gòu)物體的圖形，它和圖像分析的對(duì)象和輸出結(jié)果正好對(duì)調(diào)。圖像模式識(shí)別與圖像分析則比較相似，只是模式識(shí)別試圖把圖像分解成可用符號(hào)較抽象的描述的類別。計(jì)算機(jī)視覺主要強(qiáng)調(diào)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，要用到圖像工程三個(gè)層次的許多技術(shù)，但目前的研究?jī)?nèi)容主要是和圖像理解相結(jié)合。圖像處理圖像處理的重點(diǎn)是圖像之間進(jìn)行的變換：盡管人們常用圖像處理泛指各種圖像技術(shù)，但比較狹義的圖像處理主要是對(duì)圖像進(jìn)行各種加工，以改善圖像的視覺效果并為自動(dòng)識(shí)別打基礎(chǔ)，或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼以減少所需存儲(chǔ)空間；圖像分析圖像分析主要是對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量．以獲得它們的客觀信息。從而建立對(duì)圖像的描述。如果說(shuō)圖像處理是一個(gè)從圖像到圖像的過(guò)程，則圖像分析就是一個(gè)從圖像到數(shù)據(jù)的過(guò)程；這里的數(shù)據(jù)可以是目標(biāo)特征的測(cè)量結(jié)果，或是基于測(cè)量的符號(hào)表示．它們描述了目標(biāo)的特點(diǎn)和性質(zhì)。圖像理解圖像理解的重點(diǎn)是在圖像分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究圖像中各目標(biāo)的性質(zhì)和它們之間的相互聯(lián)系，并得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)原來(lái)客觀場(chǎng)景的解釋，從而指導(dǎo)決策；如果說(shuō)圖像分析主要是以觀察者為中心研究客觀世界，那么圖像理解在一定程度上就是以客觀世界為中心，借助知識(shí)．經(jīng)驗(yàn)等來(lái)把握整個(gè)客觀世界(包括沒有直接觀察到的事物）。

可見，圖像處理、圖像分析和圖像理解是處在三個(gè)抽象程度和數(shù)據(jù)量各有特點(diǎn)的不同層次上，圖像處理是比較低層的操作，它主要在圖像像素級(jí)上進(jìn)行處理，處理的數(shù)據(jù)量非常大，圖像分析則進(jìn)入了中層，分割和特征提取把原來(lái)以像素描述的圖像轉(zhuǎn)變成比較簡(jiǎn)潔的非圖像形式的描述。圖像理解主要是高層操作，基本上是對(duì)從描述抽象出來(lái)的符號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，其處理過(guò)程和方法與人的思維推理有許多類似之處。圖像理解輸入的是圖像，輸出的是一種描述。利用客觀世界的知識(shí)使計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)想、思考及推論，從而理解圖像所表現(xiàn)的內(nèi)容這是一輛敞車這是一輛罐車圖像分析對(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、分類、特征提取和表示，從而有利于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分類、識(shí)別和理解。輪廓提取示例二值圖像和灰度圖像二值圖像灰度圖像彩色圖像和灰度圖像相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域數(shù)據(jù)圖像圖像人符號(hào)圖像理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像分析X光照片圖像質(zhì)量的改善圖像處理對(duì)復(fù)雜圖像的組成進(jìn)行說(shuō)明圖像理解計(jì)算機(jī)視覺用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，它是其它幾門學(xué)科的綜合應(yīng)用。圖像分割，邊緣提出輸出簡(jiǎn)單的圖像和數(shù)據(jù)模式識(shí)別將圖像進(jìn)行區(qū)別分類數(shù)據(jù)、符號(hào)——描述了圖像目標(biāo)的特點(diǎn)和性質(zhì)，變成比較簡(jiǎn)單的非圖形式的描述。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）模式識(shí)別（PatternRecognition）計(jì)算機(jī)視覺（ComputerVision）視頻信號(hào)數(shù)字化

就是將圖像或視頻(模擬信號(hào))轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)軟件可以“理解”的數(shù)字格式(數(shù)字信號(hào))。圖像采集卡的工作原理圖A/D轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換緩沖PCI接口采樣圖像采集基本概念A(yù)/D轉(zhuǎn)換視頻信號(hào)量化處理是指將相機(jī)所輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PC所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，即A/D轉(zhuǎn)換。視頻信號(hào)的量化處理是圖像采集處理的重要組成部分。模擬采集卡的數(shù)字化精度：像素抖動(dòng)

像素抖動(dòng)是由圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘的誤差產(chǎn)生的像元位置上的微小的錯(cuò)誤從而導(dǎo)致對(duì)距離測(cè)量的錯(cuò)誤。傳輸速率：指圖像由采集卡到達(dá)內(nèi)存的速度。圖像格式（像素格式）：黑白圖像：通常，圖像灰度等級(jí)可分為256級(jí)，即以8位表示。在對(duì)圖像灰度有更精確要求時(shí)，可用10位，12位等來(lái)表示。彩色圖像：彩色圖像可由RGB(YUV)3種色彩組合而成。模擬采集卡的數(shù)字化精度

像素抖動(dòng)圖像采集基本概念圖像存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的計(jì)算

幀圖像大小(ImageSize)：Width×Height(長(zhǎng)×寬)

顏色深度(Depth，比特?cái)?shù))：8/16/24/32Bit

幀率(Fps)：標(biāo)準(zhǔn)PAL制是25幀/s，標(biāo)準(zhǔn)NTSC制是30幀/s

數(shù)據(jù)量Q(MB)：圖像信號(hào)每秒的數(shù)據(jù)量Q=W×H×f×d/8

例：PAL單路視頻最大數(shù)據(jù)量：

Q=768×576×25×32/8=42.1875(MBytes/s)圖像傳輸數(shù)據(jù)量的計(jì)算單路采集傳輸速率（全分辨率）：8位黑白方式：15Mbyte/s；16位方式：30Mbyte/s24位方式：45Mbyte/s；32位方式：60Mbyte/s

多路采集時(shí)傳輸速率成倍增加如QP300在24位顏色深度時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)量達(dá)到45×4=180Mbyte/s，遠(yuǎn)大于PCI總帶寬

圖像出現(xiàn)拉道現(xiàn)象，主要是主板帶寬不夠一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)是：主機(jī)板的橋路與DMA通道的速度，在這方面的表現(xiàn)，INTEL芯片組一般要好于VIA芯片組，且與CPU速度無(wú)關(guān)。相機(jī)信號(hào)經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值黑白圖像

灰度值（GrayLevel）

某一點(diǎn)的灰度值，也是物理世界上這一點(diǎn)的光強(qiáng)弱信息的表示?；叶戎禐檎鎸?shí)世界圖像量化的表現(xiàn)方法。通常灰度值從最黑到最白為0—255。光線進(jìn)入CCD后，如果光強(qiáng)達(dá)到CCD感應(yīng)的極限，此像素為純白色。對(duì)應(yīng)于內(nèi)存中該像素灰度值為255。如果完全沒有光線進(jìn)入CCD像素，此像素為純黑色。對(duì)應(yīng)于內(nèi)存中該像素灰度值為0。視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)相機(jī)信號(hào)經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值黑白圖像

灰度值（GrayLevel）8bit 10bit~16bit8bit：灰階范圍256 10bit：灰階范圍1024灰階越高圖像的細(xì)節(jié)更多，層次更分明。視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，傳輸至內(nèi)存的圖像相機(jī)“看”到的圖像視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)由于windows目前的限制，能夠顯示的灰度最多為256個(gè)，顯示10bit或更高的灰度圖像可以通過(guò)：軟件LUT的方式，和醫(yī)療影像中的窗寬窗位的概念類似顯示高8位的方式視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)相機(jī)信號(hào)經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值彩色圖像

RGB值視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)總線知識(shí)介紹PCIX86結(jié)構(gòu)常見總線32位總線標(biāo)準(zhǔn)理論極限帶寬133MBytes/s平均帶寬90-100MBytes/s左右多個(gè)PCI設(shè)備共享帶寬可以擴(kuò)展為64位PCI總線總線知識(shí)介紹PC-104/Plus緊湊型PCI總線32位總線標(biāo)準(zhǔn)理論極限帶寬133MBytes/s平均帶寬90-100MBytes/s左右多至三個(gè)PC-104/Plus設(shè)備共享帶寬與PC-104總線（16位）差別極大，不能通用總線知識(shí)介紹PCI-E64位總線標(biāo)準(zhǔn)1x的理論極限帶寬266MBytes/s平均帶寬220MBytes/s左右每個(gè)PCI-E設(shè)備獨(dú)占帶寬可以有x1,x2,x4,x8,x16,x32等擴(kuò)展方式，提高傳輸帶寬x2,x4,x8,x16,x32等擴(kuò)展向下兼容總線知識(shí)介紹MiniPCI緊湊型PCI總線32位總線標(biāo)準(zhǔn)理論極限帶寬133MBytes/s平均帶寬90-100MBytes/s左右多個(gè)MiniPCI設(shè)備共享帶寬規(guī)范化速度適應(yīng)性CameraLinkChannelLinkLVDSRS-422GigEIEEE1394USB數(shù)字信號(hào)——接口傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)（RS-422,LVDS)CameraLinkIEEE1394(Firewire)USBGigabitEthernet數(shù)字信號(hào)——接口LVDS是一個(gè)低波動(dòng)、差分I/O技術(shù)的高速接口。LVDS采用很低的電壓350mV降低了噪聲，提高了速率，低輻射，低功耗0.93W，最重要的是差分信號(hào)可以使接收機(jī)濾除噪聲。這是因?yàn)橐揽客瑫r(shí)用兩根線來(lái)傳信號(hào)，兩條線的電壓相反。通過(guò)兩根線上的強(qiáng)度差來(lái)得到最終的數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)噪聲，那么噪聲會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在這兩根線上，而信號(hào)信息并不受其影響。因?yàn)樾盘?hào)的抗噪聲能力的提高，電壓隨之降低而速度得到提高。每線對(duì)最大傳輸率為655Mb/s。數(shù)字信號(hào)——LVDS優(yōu)點(diǎn)：高速，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，支持多相機(jī)連接。缺點(diǎn)：管腳定義不統(tǒng)一，兼容性差，電纜成本高。數(shù)字信號(hào)——LVDSDATA(8，10，12，14)：多通道數(shù)據(jù)輸出例：12位數(shù)據(jù)總線。DATA

0～11是相機(jī)輸出的、分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)某個(gè)像元灰度的12位圖像數(shù)據(jù)。STROBE/PLCK像元時(shí)鐘信號(hào)。STROBE是圖像數(shù)據(jù)的像元時(shí)鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無(wú)效，STROBE仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，采集卡一般在FVAL和LVAL為高電平時(shí)，在STROBE的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。FVAL幀同步信號(hào)。一般FVAL高電平表明相機(jī)正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。LVAL行同步信號(hào)。當(dāng)FVAL為高電平時(shí)，LVAL高電平表明相機(jī)正輸出一個(gè)有效的像元行。數(shù)字信號(hào)——LVDS數(shù)字信號(hào)——CameraLink13對(duì)線（其中有6線對(duì)數(shù)據(jù)線），使得接插件的尺寸更加的小巧。允許相機(jī)設(shè)計(jì)的體積更小。更高的傳輸速率。采用ChannelLink芯片組(支持速率達(dá)2.3Gb/s)滿足對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率越來(lái)越高的要求。集成有串口通訊協(xié)議。數(shù)字信號(hào)——CameraLink數(shù)字信號(hào)——USB接口是4芯，其中2根為電源線、2根為信號(hào)線，接口體積小，可熱拔插，可真正實(shí)現(xiàn)即插即用，適合傳送多媒體數(shù)據(jù)的傳送模式，連接方便。USB2.0向下兼容USB1.1、USB1.0，數(shù)據(jù)的傳輸率可以達(dá)到120Mbps～480Mbps。傳輸距離短，0.6米。數(shù)字信號(hào)——IEEE1394兩種接口標(biāo)準(zhǔn)，一種是6針接口，另一種是4針接口。6針接口可以從端口獲得電源，以給那些無(wú)法自己供電的產(chǎn)品提供電源。1394A傳輸速率為400Mb/s，1394B可達(dá)800Mb/s。不需要控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)等傳輸，最大連線4.5米，大于4.5米可采用中繼設(shè)備。支持即插即用。它是目前唯一支持?jǐn)?shù)字?jǐn)z錄機(jī)的總線。數(shù)字信號(hào)——GigabitEthernet帶寬可達(dá)到1000Mbps，圖像可以無(wú)損失實(shí)時(shí)傳輸。最遠(yuǎn)可傳輸100米。標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接器，電纜線成本低。帶寬易于升級(jí)，包括10M,100M,1000M等，在工業(yè)機(jī)器視覺中將被廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)——GigabitEthernet數(shù)字信號(hào)——比較圖像采集卡附加功能觸發(fā)功能(Trigger)燈源控制功能(Strobe)基本I/O功能(I/O)相機(jī)復(fù)位功能(AsynchronousReset)時(shí)序輸出功能(TimingOut)串口通訊功能(RS232)電源輸出功能(Powerout)圖像采集卡基本概念Matrox的OdysseyXCL圖像采集卡基本概念Matrox的OdysseyXA圖像采集卡基本概念MUX：通道選擇Decoder：視頻解碼器A/DVRGB,YUVVIA：視頻接口芯片BridgeControls圖像采集卡基本概念圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)硬件圖視野（FOV）或視場(chǎng)是相機(jī)及光學(xué)系統(tǒng)“看”到的真實(shí)世界的具體部分。CCD芯片將光能轉(zhuǎn)化為電能。相機(jī)將此信息以模擬信號(hào)的格式輸出至圖像采集卡。A/D—轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位（或多位）的數(shù)字信號(hào)。每個(gè)像素獨(dú)立地把光強(qiáng)以灰度值（GrayLev