第三章圖像數(shù)字化

第三章圖像數(shù)字化

第一節(jié)電視信號基礎(chǔ)一、成像與顯像方式

電視成像與圖像顯示的方式與人的視覺特性密切相關(guān)的。在人們觀察電視圖像時(shí)，由于熒光屏的余輝作用以及人眼的視覺滯后和視覺暫留的影響，利用該特性，人們就可以看到連續(xù)的圖像。

黑白電視信號:在光導(dǎo)管攝像機(jī)里，通過光學(xué)系統(tǒng)將要拍攝的圖像成像在光電靶上，然后利用電子束從左到右、從上到下依次轟擊靶面上各點(diǎn)，根據(jù)被轟擊點(diǎn)的明暗程度，轉(zhuǎn)變成強(qiáng)弱不同的視頻信號。電子束的依次轟擊作用稱為掃描。光導(dǎo)管部分結(jié)構(gòu)簡圖

計(jì)算機(jī)中的CRT（CathodeRayTube）實(shí)現(xiàn)一個(gè)由電到光的成像過程。CRT是一個(gè)電真空器件，由電子槍、偏轉(zhuǎn)裝置和熒光屏構(gòu)成。CRT結(jié)構(gòu)

掃描方式有逐行掃描和隔行掃描之分。逐行掃描示意圖

在隔行掃描中，無論是攝像機(jī)還是CRT顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖像。隔行掃描示意圖（a）偶數(shù)場(b)奇數(shù)場(c)一幀圖像（略去奇偶場的逆程）

在隔行掃描中、掃描的行數(shù)必須是奇數(shù)。隔行掃描要求第一場結(jié)束于最后一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。每秒鐘掃描多少行稱為行頻，每秒鐘掃描多少場稱為場頻，每秒掃描多少幀稱幀頻。

根據(jù)人視覺特性，人眼的平均分辨率1′（最小視角），對畫面的最佳觀察角度為10°，因此使人眼最不易疲勞的電視最佳行數(shù)N應(yīng)為N=最佳觀察角度/最小視角=10°/1′=600

同步：要求接收端的行、場掃描頻率和發(fā)送端的一樣，同時(shí)行、場掃描信號的相位也保持一致，做到同頻同相，這就叫同步。

掃描分為水平掃描和垂直掃描，水平方向的掃描同步稱為水平同步，也稱為行同步，垂直方向的掃描同步稱為垂直同步，也稱為場同步，兩種同步混合在一起稱為復(fù)合同步

在電視掃描中有行正程、行逆程、場正程、場逆程圖為黑白全電視信號的一個(gè)行周期信號。

一個(gè)場周期的黑白全電視信號二、電視制式

目前世界上現(xiàn)行的彩色電視制式有三種(不包括高清晰度彩色電視HDTV)：1.NTSC制2.PAL制3.SECAM制NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式

為了既能實(shí)現(xiàn)兼容性而又要有彩色特性，因此彩色電視系統(tǒng)應(yīng)滿足下列幾方面的要求：(1)必須采用與黑白電視相同的一些基本參數(shù)(2)需要將攝像機(jī)輸出的三基色信號轉(zhuǎn)換成一個(gè)亮度信號，以及代表色度的兩個(gè)色差信號，并將它們組合成一個(gè)彩色全電視信號進(jìn)行傳送。

PAL電視制的主要掃描特性是：（1）625行（掃描線）／幀，25幀／秒（40ms／幀）（2）電視畫面的寬高比：4：3（3）隔行掃描，2場／幀，312.5行／場（4）顏色模型：YUV

其中Y為亮度信號，U、V為色差信號，Y、U、V和三基色RGB的關(guān)系為:彩色全電視信號可表示為:其中ωSC為彩色副載波頻率。

為了色同步在信號的消隱期間加載色同步信號，其如圖示。

在PAL電視制中:1.一幀圖像的總行數(shù)為625，分兩場掃描。2.行掃描頻率是15625HZ，周期為64μs；3.場掃描頻率是50Hz，周期為20ms；4.幀頻是25Hz，是場頗的一半，周期為40ms。

NTSC彩色電視制的主要特性是：（1）525行／幀，30幀／秒（2）電視畫面的高寬比：電視畫面的長寬比（電視為4：3；高清晰度電視為16：9）（3）隔行掃描，一幀分成2場（field），262.5線／場（4）在每場的開始部分保留20掃描線作為控制信息，因此只有485條線的可視數(shù)據(jù)（5）每行63.5μs，水平回掃時(shí)間10μs（包含5μs的水平同步脈沖），所以顯示時(shí)間是53．5μs（6）顏色模型：YIQ

SECAM（法文：SequentialColeurAvecMemoirs）制式是法國開發(fā)的一種彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，稱為順序傳送和存儲彩色電視。這種制式與PAL制類似，其差別是SECAM中的色度信號是頻率調(diào)制（FM），它的兩個(gè)色差信號：紅色差（R’－Y’）和藍(lán)色差（B’－Y’）是按行的順序傳輸?shù)摹?/p>

在彩色電視中，使用Y，C1，C2有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：（1）Y和C1，C2是獨(dú)立的（2）可以利用人的視覺特性來節(jié)省信號的帶寬和功率彩色電視信號的類型有（1）復(fù)合電視信號（compositevideosignal）：包含亮度信號、色差信號和所有定時(shí)信號的單一信號，又稱為全電視信號。（2）分量電視信號（componentvideosignal）：是指每個(gè)基色分量作為獨(dú)立的電視信號。每個(gè)基色既可以分別用R，G和B，也可以用亮度一色差表示，使用分量電視信號是表示顏色的最好方法，但需要比較寬的帶寬和同步信號。(3)S-Video信號:分離電視信號(Separatedvideo－VHS）是亮度和色差分離的一種電視信號，是分量模擬電視信號和復(fù)合模擬電視信號的一種折中方案。

第二節(jié)常見的成像設(shè)備

一、攝像機(jī)

攝像機(jī)的主要功能:按照一定的掃描規(guī)律通過光電轉(zhuǎn)換把自然圖像變換成電信號。

采用電子束掃描的攝像管構(gòu)成攝像機(jī)，其基本原理是：通過光學(xué)系統(tǒng)將自然景像成像在攝像管的光電靶上，然后利用電子束依次轟擊靶上各點(diǎn)，根據(jù)被轟擊點(diǎn)的明暗程度，轉(zhuǎn)換成強(qiáng)弱不同的電信號。圖為采用氧化鋁攝像管的三管式彩色攝像機(jī)的組成方框圖。

CCD電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的半導(dǎo)體器件，這種器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬一氧氣物一半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。CCD的基本功能是電荷的產(chǎn)生、存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。

CCD的電荷注入方法基本有兩類：1.光注入，2.電注入

電荷耦合攝像器件就是用于攝像或像敏的CCD，又簡稱為ICCD，其光敏單元為光注入方式。

CCD有兩種基本類型：1.表面溝道CCD2.體溝道CCD

采用CCD器件構(gòu)成攝像機(jī)，其基本原理是:通過光學(xué)系統(tǒng)將自然圖像成像在CCD的像敏面上，像敏面將照在每一個(gè)像敏單元的圖像照度轉(zhuǎn)換為少數(shù)載流子數(shù)密度信號存儲在像敏單元中，然后再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器中，在驅(qū)動脈沖的作用下順序地移出器件，形成強(qiáng)弱不同的電信號。CCD圖像傳感器分線陣和面陣。

CCD彩色攝像機(jī)主要組成部分:1.光學(xué)系統(tǒng)2.定時(shí)系統(tǒng)3.CCD驅(qū)動電路4.信號處理5.校正電路CCD彩色攝像機(jī)可分:1.三片式2.二片式3.單片式三片式彩色CCD攝像機(jī)結(jié)構(gòu)框圖單片式彩色CCD攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

單片式彩色CCD攝像機(jī)只有一個(gè)面陣CCD，在CCD前面不是分光棱鏡，而是彩色濾色陣列（ColorFilterArray,CFA）,結(jié)構(gòu)如圖。二、數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)的特點(diǎn)在于數(shù)字圖像處理技術(shù)，圖給出了典型的數(shù)字靜止相機(jī)框圖。數(shù)碼相機(jī)所使用的成像芯片有CCD和CMOS兩種。

數(shù)碼相機(jī)圖像的質(zhì)量不僅僅取決于CCD的分辨率，諸如鏡頭質(zhì)量、圖像處理算法的優(yōu)劣等因素都對其圖像的質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。數(shù)碼相機(jī)輸出的圖像是數(shù)字的，最大的優(yōu)點(diǎn)在于可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種圖像處理，且拍攝圖像的清晰度高。

計(jì)算機(jī)獲取數(shù)碼相機(jī)圖像的方法:1.使用通用軟件如Photoshop2.應(yīng)用軟件直接調(diào)用數(shù)碼相機(jī)制造商提供的驅(qū)動程序

三、掃描儀

掃描儀是一種具有高分辨率的圖像輸入設(shè)備。有手持式和平板式掃描儀之分。

掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)：1.分辨率2.彩色與灰度bit位3.微機(jī)接口方式4.最大掃描幅度等

第三節(jié)圖像數(shù)字化

一、黑白視頻圖像數(shù)字化視頻信號的預(yù)處理包括:1.放大，2.箝位

A/D有三個(gè)方面的考慮：（1）采樣頻率（2）采樣方式（3）量化級數(shù)

采樣頻率：根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，采樣頻率必須大于或等于被采信號的最大頻率的2倍，這樣被采樣的信號能保留連續(xù)信號的全部信息，也能由采樣信號恢復(fù)出連續(xù)信號。對于PAL標(biāo)準(zhǔn)的黑白圖像視頻帶寬為6MHz,那么采樣頻率應(yīng)不低于12MHz。

由于圖像采樣屬于二維采樣，其采樣頻率的具體確定還與采樣方式有關(guān)。圖為二維采樣方式的示意圖。

用多少個(gè)量化級來量化一幅圖像將取決以下2個(gè)方面因素：（1）要考慮整個(gè)圖像系統(tǒng)的噪聲大?。?）從圖像的應(yīng)用角度來考慮，如果圖像是用來進(jìn)行某種測量目的，則可根據(jù)系統(tǒng)測量精度的要求

二、彩色視頻圖像數(shù)字化

彩色視頻圖像數(shù)字化與黑白視頻圖像數(shù)字化有所不同，有兩種數(shù)字化方法：1.將一個(gè)復(fù)合的彩色視頻信號分解成RGB信號或YUV信號，然后對它們進(jìn)行采樣、量化。

2.用一個(gè)高速A/D轉(zhuǎn)換器對彩色全電視信號進(jìn)行數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進(jìn)行分離，以獲得RGB、YUV或YCbCr分量數(shù)據(jù)。

彩色電視圖像進(jìn)行采樣時(shí)，可以采用兩種采樣方法:1.使用相同的采樣頻率對圖像的亮度信號和色差信號進(jìn)行采樣2.另一種是對亮度信號和色差信號分別采用不同的采樣頻率進(jìn)行采樣

如果對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣（subsampling）其特點(diǎn)為：1.人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的敏感程度低，利用這個(gè)特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號去掉一些而使人察覺不出2.人眼對圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個(gè)特性可以把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺

目前使用的子采樣格式有如下幾種：

(1)4：4：4采樣方式(2)4：2：2采樣方式(3)4：1：1采樣方式(4)4：2：0采樣方式4：4：4子采樣格式4：2：2子采樣格式4：1：1子采樣格式4：2：0子采樣格式三、圖像數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)

（一）彩色空間之間的轉(zhuǎn)換在數(shù)字域而不是模擬域中RGB和YCbCr兩個(gè)彩色空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系用下式表示：(3-1)

（二）采樣頻率CCIR為NTSC制、PAL制和SECAM制規(guī)定了共同的電視圖像采樣頻率。這個(gè)采樣頻率也用于遠(yuǎn)程圖像通信中的電視圖像信號采樣。

對PAL制、SECAM制，采樣頻率fs為fs=625×25×N=15625×N=13．5MHzN＝864其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。對NTSC制，采樣頻率為fs=525×29.97×N=15734×N=13．5MHZ，N=858其中，N為每一掃描行上的采樣數(shù)目。

采樣頻率和同步信號之間的關(guān)系如圖在電視信號采樣中，Δy的間距以行距為準(zhǔn)。為了適應(yīng)人們眼睛的特點(diǎn)，電視的寬高比和電影一樣為4：3，PAL制標(biāo)準(zhǔn)一幀圖像為625行，其中50行為奇偶兩場的消隱，正程顯示行為625－50＝575行，為了等距采樣，每一行的采樣點(diǎn)數(shù)N為N=575×4/3≈767根據(jù)PAL－D制標(biāo)準(zhǔn),行周期為64μs,行消隱為11.8μs,行正程52.2μs,那么Δx的時(shí)間間隔T0應(yīng)為T0＝52.2μs/767≈68ns于是采樣頻率fs為fs＝1/T0≈14.67MHz實(shí)際最終選擇采樣頻率為14.625MHz。該頻率經(jīng)過936分頻正好是行頻15625Hz，再則936是偶數(shù)，14.625MHz能形成半行頻。滿足了三方面的要求。這時(shí)Δx：Δy≈1.01：1,接近1：1。在實(shí)際中行上的采樣點(diǎn)不是767，而是取768點(diǎn)。（三）有效顯示分辨率對PAL制和SECAM制的亮度信號，每一條掃描行采樣864個(gè)樣本；對NTSC制的亮度信號，每一條掃描行采樣858個(gè)樣本。對所有的制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720個(gè)。每一掃描行的采樣結(jié)構(gòu)如圖所示。ITU－RBT601的亮度采樣結(jié)構(gòu)（四）ITU－RBT601標(biāo)準(zhǔn)摘要

ITU－RBT．601用于對隔行掃描電視圖像進(jìn)行數(shù)字化，對NTSC和PAL制彩色電視的采樣頻率和有效顯示分辨率都作了規(guī)定。表3－1給出了ITU－RBT．601推薦的采樣格式、編碼參數(shù)和采樣頻率。（五）CIF、QCIF和SQCIF為了既可用625行的電視圖像又可用525行的電視圖像，國際電報(bào)電話咨詢委員會規(guī)定了稱為公用中分辨率格式1/4公用中分辨率圖像格式和格式，具體規(guī)格如表所示。

第四節(jié)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

一、面向圖像幀存的圖像處理系統(tǒng)

一般的面向圖像幀存的圖像系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的框圖二、面向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的圖像系統(tǒng)

圖示的是目前通用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，這是一種面向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的圖像處理系統(tǒng)。

面向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的圖像硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有多種形式，一種帶硬件處理的面向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3－28所示。圖3－28有硬件處理的面向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的圖像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三、基于DSP的圖像處理系統(tǒng)

DSP組成的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1.電路結(jié)構(gòu)簡單2.圖像處理算法豐富3.體積小基于DSP的圖像處理系統(tǒng)基本方框圖第五節(jié)圖像種類與屬性

一、圖像的種類在計(jì)算機(jī)中，靜態(tài)圖像可分兩種表達(dá)方式：一種是矢量圖（vectorbasedimage）一種是位圖（bitmappedimage）

矢量圖的優(yōu)點(diǎn)是：

1.圖像文件數(shù)據(jù)量小2.圖像的縮小放大3.圖像不失真4.目標(biāo)圖像的移動、拷貝、旋轉(zhuǎn)可以很容易的做到

位圖同矢量圖的比較：位圖獲取方式比較容易，顯示速度快，容易進(jìn)行復(fù)制，變形等操作。而矢量圖相比容易進(jìn)行繪制。兩者之間可以通過程序軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其中矢量圖轉(zhuǎn)換成位圖可采用光柵化技術(shù)，點(diǎn)位圖轉(zhuǎn)化為矢量圖采用跟蹤技術(shù)。

位圖還分灰度圖（gray-scaleimage）和彩色圖（colorimage）。一般由黑白視頻源采集到圖像為灰度圖。根據(jù)灰色的程度，可分為若干個(gè)等級。彩色圖像是由RGB三基色來描述，這三種顏色可合成任何顏色。二、分辨率

在計(jì)算機(jī)中的圖像分辨率實(shí)際有兩種：一是圖像顯示分辨率二是圖像分辨率圖像顯示分辨率是指顯示屏上能夠顯示出的像素?cái)?shù)目。圖像分辨率是指組成一幅圖像的像素密度的度量方法。三、像素深度

像素深度是指存儲每個(gè)像素所用的位數(shù)，它也是用來度量圖像的分辨率。像素深度決定彩色圖像的每個(gè)像素可能有的顏色數(shù)，或者確定灰度圖像的每個(gè)像素可能有的灰度級數(shù)。四、真彩色、偽彩色與直接色

真彩色是指在組成一幅彩色圖像的每個(gè)像素值中，有R，G，B三個(gè)基色分量，每個(gè)基色分量直接決定顯示設(shè)備的基色強(qiáng)度。偽彩色所顯示的圖像不是原來每個(gè)基色分量的數(shù)值直接決定的，而是通過一種變換而獲得要顯示的圖像的R，G，B值所產(chǎn)生的彩色。直接色是R，G，B分量作為單獨(dú)的索引值，通過相應(yīng)的彩色變換表找出基色強(qiáng)度，用變換后得到的R，G，B強(qiáng)度值產(chǎn)生的彩色圖像。第六節(jié)圖像文件格式

一、BMP文件格式BMP位圖文件是由4個(gè)部分組成，如表所示：

位圖頭文件：在Windows3.0以上版本的位圖文件中用BITMAPFILEHEADER數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義它包含有關(guān)于文件類型、文件大小和存放位置等信息。位圖信息頭：用BITMAPINFOHEADER數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，它包含有位圖文件的大小、壓縮類型和顏色格式。

調(diào)色板：對于24位真彩色圖像就不使用調(diào)色板，因?yàn)槲粓D中的RGB值就代表了每個(gè)像素的顏色。

位圖數(shù)據(jù)：緊跟在調(diào)色板之后的是圖像數(shù)據(jù)字節(jié)陣列，用BYTE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。二、GIF文件格式

GIF圖像文件格式是CompuServe公司開發(fā)的圖像文件存儲格式，其目的是在不同的系統(tǒng)平臺上交流和傳輸圖像。

GIF文件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)塊可分成3類：1.控制塊（controlblock）2.圖形描繪塊（Graphic-Rendering）3.專用塊（SpecialPurposeBlock）

控制塊：控制塊包含有用來控制數(shù)據(jù)流（DataStream）或者設(shè)置硬件參數(shù)的信息。其成員包括：1.GIF文件頭（Header）2.邏輯屏幕描述塊（LogicalScreenDescriptor）3.圖形控制擴(kuò)展塊（GraphicControlExtension）4.文件結(jié)束塊（Trailer）

圖形描繪塊：包含有用來描繪在顯示設(shè)備上顯示圖形的信息和數(shù)據(jù)其成員包括：1.圖像描述塊（ImageDescriptor）2.無格式文本擴(kuò)展塊（PlainTextExtension）

特殊用途數(shù)據(jù)塊：包含有與圖像處理無關(guān)的信息其成員包括：1.注釋擴(kuò)展塊（CommentExtension）2.應(yīng)用擴(kuò)展塊（ApplicationExtension）三、JPEG格式

JPEG2000的優(yōu)勢（1）高壓縮率（2）同時(shí)支持有損和無損壓縮（3）實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)傳輸(4)支持感興趣區(qū)域壓縮

JFIF文件格式直接使用JPEG標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)用程序定義的許多標(biāo)記。在JPEG文件存儲格式中，每一個(gè)標(biāo)記都是JPEG文件的一部分，因此JPEG文件實(shí)際上就是由以下的8個(gè)部分組成。

（1）SOI0xD8圖像開始（2）APP00xE0JFIF應(yīng)用數(shù)據(jù)塊（3）APP