視覺特性彩色視覺信號

關于視覺特性彩色視覺信號第2章視覺特性和彩色電視信號掌握圖像對比度與視覺靈敏度特性掌握空間頻率、視覺的空間頻率響應

掌握視覺惰性和閃爍的概念明確彩色的計量和彩色視覺

了解彩色電視系統(tǒng)學習目標第2頁,共34頁，星期六，2024年，5月第2章視覺特性和彩色電視信號2.1人的視覺特性2.2彩色電視信號2.3分量彩色電視信號的數(shù)字化2.4小結(jié)哈哈哈^_^第3頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1人的視覺特性

2.1.1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性1、視覺靈敏度人眼對不同波長的光所呈現(xiàn)的視覺感知是不同的，而且因人而異。為了了解人眼的視覺特性，因此國際照明委員會（CIE）特推薦標準視度曲線（人眼視覺光譜靈敏度曲線）光譜譜靈靈敏度曲線第4頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性2、圖像的對比度與灰度對比度是指圖像相鄰區(qū)域或相鄰點的最大亮度Imax與最小亮度Imin之比，用符號C表示，即

（2-1）畫面的最大亮度與最小亮度之間所能分辨的亮度感覺級數(shù)稱為亮度層次，也稱為灰度。第5頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性臨界對比度或視覺域（

Cr

）-剛好區(qū)分的亮度差別由以上定義可知，臨界對比度表示人眼在給定的亮度環(huán)境下所能區(qū)分景物的最小亮度差別，通常稱這一最小亮度差別為一個亮度級（或灰度級）對比度靈敏度（

1/Cr）

-臨界對比度的倒數(shù)3、視覺的對比度靈敏度特性第6頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性3、視覺的對比度靈敏度特性觀測如下的情況：

環(huán)境亮度為LS的面板中間放置一個張角為1.5o、亮度為LB的環(huán)，而環(huán)的中間是一亮度為L的小區(qū)域。1：在LS=LB的情況下，ΔL/LB接近于常數(shù)(韋伯Weber定律)2：ΔL與LB成正比意味著，人眼區(qū)分圖像亮度差別的靈敏度與它附近區(qū)域的背景(平均亮度)有關，背景亮度越高，靈敏度越低。1.5o亮度L鄰域亮度LB環(huán)境亮度LS第7頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性4、空間域的掩蔽效應（

Masking）將一個光點放在亮度不均勻的背景上，通過改變光點的亮度測試此時的視覺域。背景亮度變化越劇烈，視覺閾越高，即人眼的對比度靈敏度越低。這種現(xiàn)象稱為視覺的掩蔽效應。第8頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.2空間頻率與視覺的空間頻率響應1.空間頻率物理量在單位空間距離內(nèi)周期性變化的次數(shù)，即（周/米）

式中，fx表示亮度信號在x方向的空間頻率，x是空間距離，φ(x)表示亮度信號沿x方向的相位變化。例：如右圖正弦光柵。如果光柵亮度在1厘米內(nèi)變化10次，那么它的空間頻率為fx=1000周/米x亮度第9頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.2空間頻率與視覺的空間頻率響應空間頻率表示亮度信號在單位視角內(nèi)周期性變化的次數(shù)，即（周/度）式中，φ(a)表示亮度信號在角度a內(nèi)的相位變化。1.空間頻率aSr第10頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.2空間頻率與視覺的空間頻率響應2.視覺的空間頻率響應

人眼對于不同的空間細節(jié)的分辨力是有變化的，可用視覺空間頻率響應曲線來表示。右圖給出了人的視覺對不同空間頻率的正弦光柵的響應：

當空間頻率為3~4.5周/度時，視覺的對比度靈敏度最高，即人眼對這些空間頻率的分辨能力最強當空間頻率高于50~60周/度時，人眼就很難分辨了0.11101000100101空間頻率(周/度)對比度靈敏度第11頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.3視覺的時間域響應視覺惰性與閃爍（1）視覺惰性人眼的視覺是有惰性的，當眼前的實際景物消失后，所看到的影像卻不立即消失黑暗中的運動亮點會看成一個亮圈。電影技術(shù)巧妙地利用了這種人眼的惰性現(xiàn)象:

電影技術(shù)采用每秒鐘向銀屏投射24幅畫面的標準而給人一個較好的連續(xù)運動的感覺。第12頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.3視覺的時間域響應視覺惰性與閃爍（2）閃爍如果觀察者觀察到一個具有周期性的光脈沖，當其重復頻率不夠高時，便會產(chǎn)生一明一暗的感覺，這種感覺就是閃爍，但當重復頻率足夠高時，閃爍感覺將消失，隨之看到的是一個恒定的亮點。臨界閃爍頻率就是指閃爍感覺剛剛消失時的頻率。它與脈沖亮度有關，脈沖的亮度越高，臨界閃爍頻率也相應地增高。在通常的電影銀屏的亮度下，人眼的臨界閃爍頻率約為46Hz電影技術(shù)采用每秒鐘向銀屏投射24幅畫面的標準，而在每幅畫面停留的時間內(nèi)，用一個機械遮光閥將投射光遮擋一次，得到48Hz的重復頻率第13頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.4視覺的時間域響應2.運動的連續(xù)性一般來說，要保持畫面中物體運動的連續(xù)性，要求每秒鐘攝取的畫面數(shù)約為25幀左右。3.時間域的掩蔽效應-實驗表明：當電視圖像序列中相鄰畫面的變化劇烈(例如場景切換)時，人眼的分辨力會突然劇烈下降(如下降1/10)。-在新場景突然出現(xiàn)時，人基本上看不清新景物，在大約0.5秒之后，視力才能恢復到正常水平。第14頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.4彩色的計量和彩色視覺1、彩色的定量表示（1）彩色的概念在自然界中，當陽光照射到不同的景物上時，所呈現(xiàn)的色彩不同，這是因為不同的景物在太陽光的照射下，反射（或透射）了可見光譜中的不同成分而吸收了其余部分，從而引起人眼的不同彩色視覺第15頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.4彩色的計量和彩色視覺

從視覺的角度描述彩色的過程中會用的亮度、色調(diào)和飽和度三個術(shù)語。

亮度表示光的強弱

色調(diào)是指彩色的類別，如黃色、綠色、藍色等

飽和度則代表顏色的深淺程度，如淺紫色、粉紅色。色調(diào)與飽和度又合稱為色度，可見它既表示彩色光的顏色類別，又表示顏色的深淺程度。（2）彩色圖像的定量表示1、彩色的定量表示第16頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.4彩色的計量和彩色視覺1、彩色的定量表示（2）彩色圖像的定量表示

黑白圖像信號的像素點用灰度級表示，彩色視頻信號基于三原色原理，每個像素點由紅（R）、綠（G）、藍（B）表示。利用視覺特性降低彩色圖像的數(shù)據(jù)量，把RGB空間的彩色圖像變換到其他彩色空間，產(chǎn)生一種亮度分量和兩種色度分量信號。常用的彩色空間表示有：YUV、YIQ、YGC等。第17頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.4彩色的計量和彩色視覺2、彩色視覺的空間頻率響應第18頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.1.4彩色的計量和彩色視覺3、彩色的掩蔽效應第19頁,共34頁，星期六，2024年，5月補充：2.1.5圖像的分類

動態(tài)圖像

按圖像信號的內(nèi)容變化及時間的關系

靜態(tài)圖像

二值圖像

按圖像的亮度等級

灰度圖像

二維平面圖像

按空間維數(shù)

三維立體圖像

黑白圖像按圖像的色調(diào)

彩色圖像

第20頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2彩色電視信號

電視是利用光電和電光轉(zhuǎn)換原理，將光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號進行遠距離傳輸，然后再還原為光圖像的一門技術(shù)。在發(fā)送端首先經(jīng)過攝像設備，如攝像機，將景物進行圖像分解，完成空時、光電變換，然后送至信道進行圖像信息的傳送。在接收端再由顯像設備，如顯示器，對接收信號進行圖像復合，還原成原圖像，而其中的同步系統(tǒng)，則負責發(fā)送與接收數(shù)據(jù)之間的同步關系，這只是初略的劃分，一般來說，整個電視系統(tǒng)主要由成像、電視信號形成、信號處理、傳輸系統(tǒng)、電視信號接收與顯示等部分組成。第21頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.1掃描—空間頻率到時間頻率的轉(zhuǎn)換

在攝像管和顯像管中，電子束都是以某種周期規(guī)律在光電導層和熒光屏上作來回地運動。這一過程就是電子掃描。從而完成由空間分布的像素變?yōu)殡S時間而變化的電信號，同時顯示器也利用電子掃描把所接收的隨時間變化的電信號變換成空間分布的像素（與發(fā)送時的空間排列規(guī)律相同），從而復合成一幅完整的光圖像。XXYL亮度變化正弦光柵Wt信號電流ithf：行正程時間第22頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.2隔行掃描與逐行掃描1、逐行掃描逐行掃描是指電子束按一行接一行的規(guī)律，從上到下的對整個一幅（幀）畫面進行掃描的方式。人們將一個正程和逆程所用的時間稱為掃描周期，用Th表示，由此可以得出行掃描頻率：

可見行掃描頻率（行頻）fh是行周期的倒數(shù)。逐行掃描存在缺點

要使圖像連續(xù)而不產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象，則需要每秒鐘換幀50次，即幀頻為50HZ，但圖像信號的頻帶寬度太寬，使電視設備復雜化。為了壓縮圖像信號的帶寬，同時又能克服閃爍現(xiàn)象，借鑒電影技術(shù)，人們提出隔行掃描方式，目前廣播電視采用了隔行掃描。第23頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.2隔行掃描與逐行掃描隔行掃描是指將一幅（幀）圖像分成兩場進行掃描，第一場掃描1，3，5，7···等奇數(shù)行，通常稱為奇數(shù)場，然后再掃描2，4，6，8···等偶數(shù)行，故而稱為偶數(shù)場。可見兩場疊加起來就是一幅完整的圖像。（滿足鄰界閃爍頻率要求，帶寬減少一半）2、隔行掃描第24頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.3電視信號的帶寬掃描行數(shù)：Z正程掃描（有效）行數(shù)：n

可分辨的行數(shù)：（K:Kell系數(shù)）周/米令幀率最高頻率第25頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.4彩色空間的處理彩色電視系統(tǒng)是按照三基色的原理而設計的。通常選擇紅、綠、藍為標準的三基色，用這三個攝像管分別提取景物光學圖像中的這三種彩色分量，以此來模仿人眼中的三種錐形細胞的視覺效果。這樣便形成了彩色電視系統(tǒng)中的紅、綠、藍三個基色分量。由于彩色電視系統(tǒng)是在黑白電視系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，需要考慮廣大消費者和各電視臺的利益，所以彩色電視系統(tǒng)的設計應考慮到與已有的黑白電視系統(tǒng)的兼容問題，因此在彩色電視系統(tǒng)中所傳輸?shù)牟皇羌t、綠、藍三個基色分量，而是傳輸1個亮度分量和2個色差分量。它們與紅、綠、藍三個基色分量（R,G,B）呈矩陣變換關系，因而在系統(tǒng)的發(fā)射端要利用變換矩陣將紅、綠、藍三個基色分量變換為1個亮度分量和2個色差分量，然后進行信息的傳送。第26頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.4彩色空間的處理如果系統(tǒng)是彩色電視系統(tǒng)，除了亮度之外，圖像的色調(diào)和飽和度都是表示圖像質(zhì)量的重要參數(shù)，它們與U、V的關系如下： 圖像的色調(diào)=

圖像的飽和度=第27頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.5全彩色電視信號不同的色差信號傳送方案就形成了不同的彩色電視制式，當今世界上主要的彩色電視制式有三種：NTSC、PAL、SECAM，我國采用的是PAL制。1、色度信號的傳送與彩色電視信號色彩處理方式不同行數(shù)和幀頻不同制式總行數(shù)有效行數(shù)寬高比幀速率NSTC5254844:329.97PAL6255754:325SECAM6255754:325第28頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.5全彩色電視信號2、頻譜交錯原理和平衡正交調(diào)制①頻譜交錯原理電視信號的頻譜是以行頻、場頻或幀頻按一定的規(guī)律排列而成的離散型線狀譜，而且譜線中間存在很大的空間。另外U,V色差信號是由R,G,B的線性組合，因而其頻譜分布具有相同的規(guī)律，因此在彩色電視中，正是利用電視信號的這一特性，可將色差信號插入到這些空隙之中。具體方法是：選擇副載波fSC,它是半行頻的奇數(shù)倍，即（它正好出現(xiàn)在電視信號頻譜的空隙中間），然后用fSC對兩個色差信號進行調(diào)制，從而將它們搬移到空隙處，這就是亮度信號與色差信號按頻譜交錯間置的共頻傳送原理。由此看來現(xiàn)在問題的關鍵是在于對fSC的選取。頻譜交錯第29頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.5全彩色電視信號由于兩個色差信號分別是以fSC調(diào)制到電視信號頻譜的空隙處，它們共同占有相同的帶寬，在NTSC和PAL制中是將兩個色差信號U和V分別調(diào)制在載頻fSC的兩個正交相位上，因此這種調(diào)制就是正交調(diào)制。2、頻譜交錯原理和平衡正交調(diào)制平衡正交調(diào)制基帶彩色電視信號：第30頁,共34頁，星期六，2024年，5月2.2.5全彩色電視信號3、彩色電視信號的類型日常生活有三種類型的電視信號：復合電視信號分離式電視信號（S-Video信號）分量電視信號復合信號：