通信视频第一章模拟视频基础(精简版)

DigitalVideoTechnology数字视频技术信息工程学院Introductiontovideo•视觉是人类获取信息的主要来源，据统计，视觉信息占75%以上，具有直观、具体、生动等特点。•图像是3维场景在二维平面上的影像，具有以下特点：•二维性。•抽象性。图像信息难以用语言完全表达，它表达了更多的信息。•降维性。3维→2维。视频是一组在时间轴上有序排列的图像，是二维图像在一维时间轴上构成的图像序列，又称为动态图像、活动图像或者运动图像。Overview•数字视频优点：存储方便图像质量好便于进行特殊编辑、处理缺点：信息量大，需要大存储量和宽带进行存储和传输。•数字视频处理：利用数字技术对视频进行去除噪声、增强、复原、特征提取、识别等处理的理论、方法和技术。Overview•视频处理的目的：改善图像质量：去噪声、改变Y、C、变换。提取某些特征或特殊信息：频域特性、灰度/颜色特性、边界/区域特性、纹理特性、形状/拓扑特性，用作计算机视觉、模式识别等。进行压缩编码：压缩视频数据，便于存储和传输。•视频处理内容：Imageacquisition,representationandpresentation(获取、表示和表现):包括摄取、光电转换和数字化。Imagerestoration(图像复原)：分析图像质量下降的原因，建立模型进行校正。Imageenhancement(图像增强)：突出某些特征，改善视感。如电视中采用的轮廓增强、颜色变换等。Imagesegmentation(图像分割)：把图像分成子区域的过程即图像分割。可以对图像中的多个对象进行分离。需要采用知识处理技术。例如人能将复杂视场中的特定个体进行分析识别。Imageanalysis(图像分析)：指对图像中的不同对象进行分割、特征提取和表示，便于分类、识别、理解。Imagereconstruction(图像重建)：数据→图像。Imagecompressionandcoding：•数字视频相关学科：色度学：配色、视觉特性、三基色原理。电视原理：视频信号的产生、频谱特性、显示原理。高速数字信号处理：编码方法、快速算法及实现。信号系统：采样、频谱变换。Overview•数字视频应用：广播电视：数字电视更新换代。多媒体网络：IPTV、网络视频直播、视频聊天等。机器人视觉：进行三维景物的识别和理解。通信：3G、电视电话会议。遥感：航空遥感和卫星遥感，如资源探测、月球探测。医疗检测：B超、CT、可视化手术。工业生产与日常生活：产品无损检测、生产监视、交通监控、可视化门铃等。电子商务：身份认证、产品防伪、水印技术等。国防：军事目标侦查识别、警戒系统、指纹辨识。Overview•本课学习内容：数字视频基础（1章）视频编码基础（4章）数字视频编码技术（2、5章）数字视频编码标准（6章）数字视频应用(颜色识别与跟踪)•本课学习要求：复习相关知识做好笔记和课后复习网上查阅相关文献资料•成绩确定：平时成绩+中期作业成绩+期末考核成绩Overview参考资料：一．参考书数字视频处理，黎洪松，北京邮电大学出版社DigitalVideoProcessing,A.MuratTekalp,1998,清华大学出版社。数字视频处理，A.MURATTEKALP，崔之祜译，电子工业出版社VideoProcessingandcommunications,YaoWang,J.Ostermann,ZhangYa-Qin.电子工业出版社。二．期刊PatternRecognitionIEEETransonPatternAnalysisandMachineIntelligenceImageandVisionComputingIEEETransonImageProcessingIEEETransonSystem,ManandCybernetics电子学报软件学报自动化学报模式识别与人工智能中国图像图形学报红外与毫米波学报计算机学报目录•Review•Fundamentalknowledgeofvideo•ColortelevisionsignalsReview1.1936年，blackandwhitetelevision2.1953年，colourtelevision。3.数字信号处理技术的发展。4.微电子与集成电路技术的发展。4.From:Digitaltelevisionnetworks.IEEPROC,Vol.129,Pt.A,No.7,SEPTEMBER19824.SectionⅠBasicknowledgeofvideo1.1Fundamentalknowledgeforcolorimetry1.1.1LightandColor光分为单色光与复合光。太阳光是复合光，其随波长由长到短所呈现的颜色依此为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。不能以颜色来判断所含光谱的分布。一定的光谱分布决定该光波的颜色，但相同的颜色则可由不同光谱分布而获得。1.1.2Visualcharacteristics1.相对视敏曲线对于相同强度而波长不同的光，给人的亮度感觉是不同的明视觉LuminositycurvefortheStandard0bserverAt555nm,oneWisequivalentto680lumens(fromWintringham).[DigitalCodingofColorVideoSignals-AReview]2.Visualbrightness人眼的亮度感觉眼睛在观察景物时所得到的亮度感觉称为视亮度，它并不直接由景物的亮度决定，还与周围环境亮度有关。人眼的视觉范围很宽，约为10-2106cd/m2,因为眼睛的感光作用会随外界光的强弱而自动调节，这称为眼睛的适应性；另一方面当环境亮度一定时，眼睛的视觉范围又很小，例如白天的视觉范围是20020000cd/m2,而在傍晚的视觉范围是1200cd/m2，故我们说眼睛的明暗感觉是相对的。3.PhotopicvisionandScotopicvision明暗视觉在白天正常光照下人眼对不同波长光的敏感程度，称为明视觉响应，它主要由锥壮细胞起作用，既产生明暗感又产生彩色感。当光线暗到一定程度时，只有杆状细胞起作用，分辨不出颜色，只能反映出明暗程度。4.Colourthree-element彩色光通常可由亮度、色调、及饱和度三个物理量来描述，这三个量被称为彩色三要素。5.Threeprimarycolours自然界中绝大多数彩色可用三种不同颜色的单色光按一定比例混合得到，那么这三种颜色就称为三基色。6.Colorvisualcharacteristic人眼的锥状细胞由红、绿、蓝三种感光细胞组成，不同颜色的光对三种细胞的刺激量是不同的，它们的合成效果产生彩色视觉，从而使人眼分辨出五光十色的世界；另一方面，不同的光谱成分，只要三种细胞所引起的响应相同，则会形成相同的彩色感。1.1.3Tricolortheory1.Tricolortheory彩色视觉特性告诉我们，相同的彩色感可以来自不同的光谱成分，因此我们可以适当选择三种基色来合成彩色图象。三基色原理：选择三种独立的基色，例如红、绿、蓝，将它们按不同的比例混合，就可以得到不同的彩色；反之，任何彩色，也能分解为三种基色，它包含以下含义：（1）.三基色是独立的。（2）.合成彩色光的亮度由三基色的大小决定。（3）.合成彩色光的色调由三基色的比例决定。2.混色法空间混色法时间混色法生理混色法3.配色结果1.1.4彩色图像摄取与重现彩条图像的三基色图像与信号：彩色图像重现1.1.5视觉特性基本概念1.眼睛适应性眼睛的感光作用会随外界光的强弱而自动调节，这称为眼睛的适应性，分为暗适应和亮适应。2.视觉掩盖效应实验表明，眼睛察觉亮度变化的能力是有限的，在一定的环境亮度L下，眼睛可分辨的最小亮度差别△Lmin称为可见度阈值。当背景亮度随时空变化而变化时，可见度阈值△Lmin将会增大，这种现象称为视觉掩盖效应。视觉掩盖效应影响量化器设计和信号编码。3.韦勃—费赫涅尔定律相对对比度灵敏度阀：在一定的亮度L下，人眼可察觉的最小相对亮度变化Lmin/L近似为一常数，称为相对对比度灵敏度阀或费赫涅尔系数。=Lmin/L（一般为0.0050.02）韦勃—费赫涅尔定律（Weber—FeehnerLaw）：人眼亮度感觉S与实际亮度L的对数成线性关系，即：S=klgL+k0实验表明:眼睛在适应于某一平均亮度时，黑白感觉对应的亮度范围较小，这种特性给景物的传送和重现带来了方便；一方面，重现景物的亮度无须等于景物的实际亮度，只需保持对比度C=Lmax/Lmin不变；另一方面，人眼不能辨别的亮度差别无须传送；综合上述，应做到对比度与亮度层次相同。4.色调对比效应眼睛对同一彩色光在不同彩色背景下会产生彩色视觉偏差，这种现象称为色调对比效应。5.视觉惰性眼睛的亮度感滞后于光信号变化的现象称为视觉惰性。不引起闪烁感觉的光脉冲最低重复频率，称为临界闪烁频率。6.分辨力分辨力或视觉锐度：人眼对被观察物体上能分辨的相邻最近两点的视角θ的倒数。θ=d/D×57.3×60=3438×d/D影响分辨力的因素：（1）.与照明强度有关（2）.与景物相对对比度Cr有关Cr=(L-L0)/L0100（3）.与物体的运动速度有关正常视力的人，观察静止图象时，θ约为1'1.5'7.彩色细节分辨力实验表明，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此，彩色电视系统在传送彩色图象时，细节部分可以只传送黑白图象，这就是利用大面积着色原理节省传输频带的依据。实验还表明，人眼分辨彩色色调变化的能力也较差，且随波长改变，在500nm区域分辨能力较强，而在红色末端区域分辨力较差。细节色别黑白黑绿黑红黑蓝绿红红蓝绿蓝分辨力100%94%90%26%40%23%19%8.彩色色调分辨阈眼睛能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈，其数值随波长而改变。实验表明，人眼对480nm—640nm区间色光的色调分辨力较高，其中对500nm(青绿色)和600nm(橙黄色)两个波长来说，只要波长变化1nm，便可分辨出色调变化。9.彩色饱和度分辨力。实验表明，人眼分辨彩色饱和度的能力随波长而变,在黄色区，人眼只能分辨出四级饱和度，而在红色和兰色区，灵敏度较高，可以分辨出25个等级。1.1.6系统分解力与图像清晰度1.垂直分解力图像垂直分解力取决于系统沿垂直方向所能分解的黑白相间的条纹数。M=K*Z’2.水平分解力沿水平方向电视系统所能分解的黑白相间的条纹数。N=K’*M1．2TransmissionandScanningofimage1.2.1图象的表示根据三基色原理，彩色光需要用三个基本参量来描述，即亮度L(Lightness)、色调H(Hue)和饱和度S(Saturation),此外景物的形状需用空间坐标x、y、z表示，并且若是活动图象还是时间t的函数，即L、H、S都是四维函数，因此任何图象都可用下列方程组表示：L=fL(x,y,z,t)H=fH(x,y,z,t)S=fS(x,y,z,t)若传送的是二维图象，则变为：L=fL(x,y,t)H=fH(x,y,t)S=fS(x,y,t)讨论最简单的黑白图象，则只有亮度方程：L=fL(x,y,t)像素顺序扫描示意图1.2.2photo-electricconversionandelectro-opticconversion显象管CRT结构示意图:gkdduKB新型平板显示技术：1.LCD2.PDP3.OLED4.FED5.LED1.2.3electronic-scanningprinciple1.progressivescanning2.interlacedscanninghorizontalinterlacedimage扫描电流与重现图像关系a)线性扫描，图像无失真b)行扫描非线性失真，产生左伸、右缩的非线性失真c)场扫描非线性失真，产生上拉、下压的非线性失真1.3Monochromecompositevideosignal(黑白复合视频信号)1