第2章视觉特性and彩色视觉信号

第2章视觉特性和彩色电视信号第2章视觉特性和彩色电视信号掌握图像对比度与视觉灵敏度特性掌握空间频率、视觉的空间频率响应掌握视觉惰性和闪烁的概念明确彩色的计量和彩色视觉了解彩色电视系统学习目标第2章视觉特性和彩色电视信号2.1人的视觉特性2.2彩色电视信号2.3分量彩色电视信号的数字化2.4小结哈哈哈^_^2.1人的视觉特性2.1.1图像对比度与视觉的对比度灵敏度特性1、视觉灵敏度人眼对不同波长的光所呈现的视觉感知是不同的，而且因人而异。为了了解人眼的视觉特性，因此国际照明委员会（CIE）特推荐标准视度曲线（人眼视觉光谱灵敏度曲线）光谱谱灵灵敏度曲线2.1.1图像对比度与视觉的对比度灵敏度特性2、图像的对比度与灰度对比度是指图像相邻区域或相邻点的最大亮度Imax与最小亮度Imin之比，用符号C表示，即maxminICI（2-1）画面的最大亮度与最小亮度之间所能分辨的亮度感觉级数称为亮度层次，也称为灰度。2.1.1图像对比度与视觉的对比度灵敏度特性临界对比度或视觉域（Cr）-刚好区分的亮度差别由以上定义可知，临界对比度表示人眼在给定的亮度环境下所能区分景物的最小亮度差别，通常称这一最小亮度差别为一个亮度级（或灰度级）对比度灵敏度（1/Cr）-临界对比度的倒数3、视觉的对比度灵敏度特性2.1.1图像对比度与视觉的对比度灵敏度特性3、视觉的对比度灵敏度特性观测如下的情况：环境亮度为LS的面板中间放置一个张角为1.5o、亮度为LB的环，而环的中间是一亮度为L的小区域。1：在LS=LB的情况下，ΔL/LB接近于常数(韦伯Weber定律)2：ΔL与LB成正比意味着，人眼区分图像亮度差别的灵敏度与它附近区域的背景(平均亮度)有关，背景亮度越高，灵敏度越低。1.5o亮度L邻域亮度LB环境亮度LSBLLL2.1.1图像对比度与视觉的对比度灵敏度特性4、空间域的掩蔽效应（Masking）将一个光点放在亮度不均匀的背景上，通过改变光点的亮度测试此时的视觉域。背景亮度变化越剧烈，视觉阈越高，即人眼的对比度灵敏度越低。这种现象称为视觉的掩蔽效应。2040608010012014016020406080100120140160204060801001201401602040608010012014016050100150200250300350501001502002503003502.1.2空间频率与视觉的空间频率响应1.空间频率物理量在单位空间距离内周期性变化的次数，即dxxdfx)(（周/米）式中，fx表示亮度信号在x方向的空间频率，x是空间距离，φ(x)表示亮度信号沿x方向的相位变化。例：如右图正弦光栅。如果光栅亮度在1厘米内变化10次，那么它的空间频率为fx=1000周/米x亮度2.1.2空间频率与视觉的空间频率响应空间频率表示亮度信号在单位视角内周期性变化的次数，即ddfx)(（周/度）式中，φ(a)表示亮度信号在角度a内的相位变化。1.空间频率aS2.1.2空间频率与视觉的空间频率响应2.视觉的空间频率响应人眼对于不同的空间细节的分辨力是有变化的，可用视觉空间频率响应曲线来表示。右图给出了人的视觉对不同空间频率的正弦光栅的响应：•当空间频率为3~4.5周/度时，视觉的对比度灵敏度最高，即人眼对这些空间频率的分辨能力最强•当空间频率高于50~60周/度时，人眼就很难分辨了0.11101000100101空间频率(周/度)对比度灵敏度2.1.3视觉的时间域响应1.视觉惰性与闪烁（1）视觉惰性人眼的视觉是有惰性的，当眼前的实际景物消失后，所看到的影像却不立即消失•黑暗中的运动亮点会看成一个亮圈。•电影技术巧妙地利用了这种人眼的惰性现象:电影技术采用每秒钟向银屏投射24幅画面的标准而给人一个较好的连续运动的感觉。2.1.3视觉的时间域响应1.视觉惰性与闪烁（2）闪烁如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其重复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这种感觉就是闪烁，但当重复频率足够高时，闪烁感觉将消失，随之看到的是一个恒定的亮点。临界闪烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。它与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频率也相应地增高。在通常的电影银屏的亮度下，人眼的临界闪烁频率约为46Hz电影技术采用每秒钟向银屏投射24幅画面的标准，而在每幅画面停留的时间内，用一个机械遮光阀将投射光遮挡一次，得到48Hz的重复频率2.1.4视觉的时间域响应2.运动的连续性–一般来说，要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒钟摄取的画面数约为25帧左右。3.时间域的掩蔽效应-实验表明：当电视图像序列中相邻画面的变化剧烈(例如场景切换)时，人眼的分辨力会突然剧烈下降(如下降1/10)。-在新场景突然出现时，人基本上看不清新景物，在大约0.5秒之后，视力才能恢复到正常水平。2.1.4彩色的计量和彩色视觉1、彩色的定量表示（1）彩色的概念在自然界中，当阳光照射到不同的景物上时，所呈现的色彩不同，这是因为不同的景物在太阳光的照射下，反射（或透射）了可见光谱中的不同成分而吸收了其余部分，从而引起人眼的不同彩色视觉2.1.4彩色的计量和彩色视觉从视觉的角度描述彩色的过程中会用的亮度、色调和饱和度三个术语。亮度表示光的强弱色调是指彩色的类别，如黄色、绿色、蓝色等饱和度则代表颜色的深浅程度，如浅紫色、粉红色。色调与饱和度又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色类别，又表示颜色的深浅程度。（2）彩色图像的定量表示1、彩色的定量表示2.1.4彩色的计量和彩色视觉1、彩色的定量表示（2）彩色图像的定量表示黑白图像信号的像素点用灰度级表示，彩色视频信号基于三原色原理，每个像素点由红（R）、绿（G）、蓝（B）表示。利用视觉特性降低彩色图像的数据量，把RGB空间的彩色图像变换到其他彩色空间，产生一种亮度分量和两种色度分量信号。常用的彩色空间表示有：YUV、YIQ、YGC等。2.1.4彩色的计量和彩色视觉2、彩色视觉的空间频率响应2.1.4彩色的计量和彩色视觉3、彩色的掩蔽效应20406080100120140160204060801001201401605010015020025030035050100150200250300350补充：2.1.5图像的分类动态图像按图像信号的内容变化及时间的关系静态图像二值图像按图像的亮度等级灰度图像二维平面图像按空间维数三维立体图像黑白图像按图像的色调彩色图像2.2彩色电视信号电视是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行远距离传输，然后再还原为光图像的一门技术。在发送端首先经过摄像设备，如摄像机，将景物进行图像分解，完成空时、光电变换，然后送至信道进行图像信息的传送。在接收端再由显像设备，如显示器，对接收信号进行图像复合，还原成原图像，而其中的同步系统，则负责发送与接收数据之间的同步关系，这只是初略的划分，一般来说，整个电视系统主要由成像、电视信号形成、信号处理、传输系统、电视信号接收与显示等部分组成。2.2.1扫描—空间频率到时间频率的转换在摄像管和显像管中，电子束都是以某种周期规律在光电导层和荧光屏上作来回地运动。这一过程就是电子扫描。从而完成由空间分布的像素变为随时间而变化的电信号，同时显示器也利用电子扫描把所接收的随时间变化的电信号变换成空间分布的像素（与发送时的空间排列规律相同），从而复合成一幅完整的光图像。X2040608010012014020406080100120140XYL亮度变化正弦光栅Wt信号电流ithfhft：行正程时间xhfxhffWftWfft2.2.2隔行扫描与逐行扫描1、逐行扫描逐行扫描是指电子束按一行接一行的规律，从上到下的对整个一幅（帧）画面进行扫描的方式。人们将一个正程和逆程所用的时间称为扫描周期，用Th表示，由此可以得出行扫描频率：可见行扫描频率（行频）fh是行周期的倒数。1hhfT逐行扫描存在缺点要使图像连续而不产生闪烁的现象，则需要每秒钟换帧50次，即帧频为50HZ，但图像信号的频带宽度太宽，使电视设备复杂化。为了压缩图像信号的带宽，同时又能克服闪烁现象，借鉴电影技术，人们提出隔行扫描方式，目前广播电视采用了隔行扫描。2.2.2隔行扫描与逐行扫描隔行扫描是指将一幅（帧）图像分成两场进行扫描，第一场扫描1，3，5，7···等奇数行，通常称为奇数场，然后再扫描2，4，6，8···等偶数行，故而称为偶数场。可见两场叠加起来就是一幅完整的图像。（满足邻界闪烁频率要求，带宽减少一半）2、隔行扫描2.2.3电视信号的带宽扫描行数：Z正程扫描（有效）行数：n可分辨的行数：（K:Kell系数）Zk2nKHnKfy2max周/米令maxmaxyxff帧率ZTfHf1最高频率fxhffZkkKHWftWf212maxmax22.2.4彩色空间的处理彩色电视系统是按照三基色的原理而设计的。通常选择红、绿、蓝为标准的三基色，用这三个摄像管分别提取景物光学图像中的这三种彩色分量，以此来模仿人眼中的三种锥形细胞的视觉效果。这样便形成了彩色电视系统中的红、绿、蓝三个基色分量。由于彩色电视系统是在黑白电视系统的基础上发展起来的，需要考虑广大消费者和各电视台的利益，所以彩色电视系统的设计应考虑到与已有的黑白电视系统的兼容问题，因此在彩色电视系统中所传输的不是红、绿、蓝三个基色分量，而是传输1个亮度分量和2个色差分量。它们与红、绿、蓝三个基色分量（R,G,B）呈矩阵变换关系，因而在系统的发射端要利用变换矩阵将红、绿、蓝三个基色分量变换为1个亮度分量和2个色差分量，然后进行信息的传送。2.2.4彩色空间的处理如果系统是彩色电视系统，除了亮度之外，图像的色调和饱和度都是表示图像质量的重要参数，它们与U、V的关系如下：图像的色调=图像的饱和度=VU22VUBGRvuy081.0419.05.05.0331.0169.0114.0587.0299.02.2.5全彩色电视信号不同的色差信号传送方案就形成了不同的彩色电视制式，当今世界上主要的彩色电视制式有三种：NTSC、PAL、SECAM，我国采用的是PAL制。1、色度信号的传送与彩色电视信号•色彩处理方式不同•行数和帧频不同制式总行数有效行数宽高比帧速率NSTC5254844:329.97PAL6255754:325SECAM6255754:3252.2.5全彩色电视信号2、频谱交错原理和平衡正交调制①频谱交错原理电视信号的频谱是以行频、场频或帧频按一定的规律排列而成的离散型线状谱，而且谱线中间存在很大的空间。另外U,V色差信号是由R,G,B的线性组合，因而其频谱分布具有相同的规律，因此在彩色电视中，正是利用电视信号的这一特性，可将色差信号插入到这些空隙之中。具体方法是：选择副载波fSC,它是半行频的奇数倍，即（它正好出现在电视信号频谱的空隙中间），然后用fSC对两个色差信号进行调制，从而将它们搬移到空隙处，这就是亮度信号与色差信号按频谱交错间置的共频传送原理。由此看来现在问题的关键是在于对fSC的选取。(21)/2schfnf频谱交错2.2.5全彩色电视信号由于两个色差信号分别是以fSC调制到电视信号频谱的空隙处，它们共同占有相同的带宽，在NTSC和PAL制中是将两个色差信号U和V分别调制在载频fSC的两个正交相位上，因此这种调制就是正交调制。2、频谱交错原理和平衡正交调制②平衡正交调制tfVtfUYEscsc2cos2sin基带彩色电视信号：2.2.5全彩色电视信号3、彩色电视信号的类型•日常生活有三种类型的电视信号：–复合电视信号–分离式电视信号（S-Video信号）–分量电视信号•复合信号：亮度信号和色度信号相加成为一个信号进行传输•分离式信号：亮度信号和色度信号在两个通道中传输•分量信号：色度信号在各自通道中传输，比如：R、G、B各自单独传输2.3分量彩色电视信号的数字化ITU-RBT601建议，