数字图像处理-第2章-数字图像基础-北邮出版社-2008-10

1《数字图像处理与图像通信》朱秀昌刘峰胡栋北京邮电大学出版社2第2章数字图像基础2.1图像信号的数字化2.2*数字视频信号和ITU-RBT.601标准2.3图像设备和器件2.4高速DSP32.1图像信号的数字化图像信号的数字化:--“三部曲”连续（模拟）图像离散（数字）图像取样－－图像在空间上的离散化的过程量化－－取样点灰度值的离散化的过程标量量化均匀量化非均匀量化矢量量化编码－－用二进制数来表示量化后样值的过程4取样和量化示例模拟图像数字图像数字化一个像素5图像的空间分辨率示例16×16512×512256×25664×64128×1286图像的灰度分辨率示例8灰度4灰度2灰度64灰度32灰度16灰度72.1.1图像信号的频谱一维信号f(x)的傅氏变换F(f)：(2.1)(2.2)dtetffFftj2)(21)(dfefFtfftj2)(21)(8二维图像f(x,y)的傅氏变换Ｆ(u,v)：实际二维图像频谱在频率域上有界景物的复杂性有限，“雪花”点似的图像无实际意义人眼、显示器对空间复杂性（频率）的分辨率有限度dxdyeyxfvuFvyuxj)(2),(21),(dudvevuFyxfvyuxj)(2),(21),((2.3)(2.4)92.1.2取样和二维取样定理(a)原图像连续空间(b)数字图像离散空间（像素）xyf(x,y)0x1y1f(x1,y1)f(i,j)0f(i1,j1)iji1j1101.二维取样定理回忆一维取样定理。……模拟图像信号f(x,y)的频谱F(u,v)在水平方向、垂直方向的截止频率分别为Um、Vm，只要水平方向、垂直方向的空间取样频率U0≥Um，V0≥Vm，（取样点的水平间隔、垂直间隔满足△x≤1/(2Um)，△y≤1/(2Vm)）则图像可被精确地恢复。二维取样定理－－由抽样图像恢复原图像的必要条件。11取样图像的频谱示例图2.1取样图像的频谱12取样过程的空域分析ijyjyxixyxs),(),(ijiijiipyjyxixyjxifyjyxixyxfyxsyxfyxf),(),(),(),(),(),(),(用于取样的冲激阵列取样后的图像(2.5)),(),(),(yxsyxfyxfip取样后图像＝连续图像＊取样阵列(2.6)13取样过程的频域分析冲激阵列的频谱取样后的频谱(,)(,)(,)piFuvFuvSuv(2.7)ijyjvxiuyxvuS),(1),(ijipyjvxiuyxvuFvuF),(1),(),(ijivjvuiuFyx),(1ijipvjvuiuFyxvuF),(1),((2.8)(2.9)(2.10)142.从取样图像恢复原图像满足取样定理条件(各频谱区域互不交叠)用理想二维低通滤波器H(u,v)可完整地取出原图像频谱Fr(u,v)elseVvUuvuHmm||||01),(和),(vuHFFpr(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)Sa[()]Sa[()]rpiijiijfxyfxyhxyfixjyxixyjyhxyfixjyxixyjyxy(2.14)(2.11)(2.12)IDFT恢复的图像15用理想低通滤波器H(u,v)提取取样图像的基本频谱F(u,v)的示意uvΔuΔvFp(u,v)H(u,v)163.亚取样和混叠效应亚取样减少数字图像的数据量；亚取样取样定理的条件不满足混叠。取样图像频谱的各次谐波发生混叠滤波器不可能将原图像的频谱分量滤取出来图像的恢复中将会引入混叠失真亚取样要尽量减少频谱混叠失真uvLPF17实例：菱形亚取样图2.2菱形亚取样及其频谱分布1/(2Δx)1/(2Δy)u(c)vvUmu(b)VmFi(u,v)2Δx2Δyyx(a)fi(x,y)184.实际取样脉冲效应实际取样点阵列：取样点阵列不是理想δ函数，有一定的宽度τ；取样点阵列不是无限伸展的。产生的影响：取样脉冲有τ宽度，重建图像误差产生高频失真，频谱按sinc函数衰减；点阵非无限，图像重建时就会产生边界误差和模糊现象。结果：用理想低通滤波器不能无失真地恢复原来的模拟信号；但只要满足取样定理，可用近似恢复出原模拟信号。19实际取样脉冲效应的分析实际取样脉冲阵列s(x,y)是截短δ函数阵列d(x,y)通过冲激响应为p(x,y)的线性滤波器产生的：(,)(,)[(,)(,)]piFuvFuvDuvPuv(,)(,)(,)(,)(,)IJpiiiIjJfxyfxysxyfixjypxixyjy有限取样δ阵列取样后的图像(2.16)),(),(),(yxsyxfyxfip取样后图像＝连续图像＊取样阵列(2.18)(,)(,)(,)(,)IJiIjJsxydxypxyxixyjyIiIiJjJjyjyxixyxd),(),((2.17)DFT(2.19)有限取样阵列20实际取样脉冲的不理想对重建图像的影响图2.3实际取样脉冲的频谱0xf(x,y)0uFi(u,v)-umums(x,y)0x01ΔxusτS(u,v)-us2us-2usu0xfp(x,y)0uFp(u,v)-umumus-us2us-2usy=0的截面FTv=0的截面FTFTSa(uπ/2)Sa(uπ/2)212.1.3量化和编码1、数字化“三部曲”：取样，空间上被离散成为像素，像素值还是连续变化量；量化，将像素的连续值转化为有限个离散值（均匀、非均匀量化）；编码，赋予量化后的像素值以不同码字，形成数字图像。2、均匀量化：量化层数K取为用2的n次幂，即K=2n；像素值用n比特自然二进制码表示，形成PCM编码；通常图像8比特量化，28=256，256个灰度等级。22经过取样、量化和编码以后，形成数字图像一个数字图像的实例9892958075826850979194797481674995899277727965479387907570776345918588736875614389838671667359418788846964715739857982676269553723例如：图像的某一样本幅度（灰度）为127.2，则量化为127，可用二进制长码01111111（8比特）表示。量化区间量化步长判决电平量化电平量化误差量化噪声d0d1d2didi+1dk－1dk判决电平e0e1量化电平eiek－1量化示意图243.均匀量化误差、量化噪声、量化信噪比（1）量化误差：e=真值－量化值。e相当于“噪声”，“量化噪声”。（2）量化误差的均方值设：n比特PCM编码，量化步长为1/2n，取样值是均匀分布,则可以证明：量化误差的均方值（3）量化信噪比)(68.101)212(lg102dbnNSnqPP(2.21)2)21)(121(nqN(2.20)可见：每抽样的编码比特数n直接关系到数字化的图像质量，每增减1比特，就使量化信噪比增减约6分贝。一般应用：电视广播、视频通信等，8bit量化，已能满足。特殊应用：高质量静止图像、遥感图像等，10比特以上精度。252.2数字视频信号和ITU-RBT.601标准2.2.1视频信号的数字化PAL/NTSC制模拟信号数字化，即A/D转换视频信号的数字化也包括取样、量化、编码扫描体制在时间t维已离散扫描体制在垂直y维已离散在x维可以自行取样电视信号视频信号序列信号视频序列活动图像信号26三维电视信号图2.4电视信号的扫描及取样一帧电视画面xytF(u,v)k-1帧k帧k-1帧27电视图像的取样频率水平方向最高时间频率Fm和最高空间频率Um由取样定理，空间域取样间隔ΔxΔt为扫描Δx间隔所需的时间综合以上三式可得：结论同一维取样定理扫描行电视帧τ图2.5扫描间隔和最高频率a0t空间最高频率Um时间最高频率FmmmUaFmUxa2axtmFt21(2.22)(2.23)(2.24)(2.25)282.2.2ITU-RBT.601数字视频标准1.复合数字系统直接对复合视频信号取样、A/D、形成复合数字视频PAL制fsc＝4.43MHzNTSC制fsc＝3.59MHz表2.1复合数字系统的取样参数标准取样频率Bit/取样数据率（Mb/s）NTSC3fsc885.9NTSC4fsc8114.5PAL3fsc8106.3PAL4fsc8141.8292.ITU-RBT.601分量数字系统目标：不同制式的视频在数字域互通分量编码：对亮度信号(Y)和两个色差(U、V)信号分别编码统一的Y取样频率13.5MHz，色差U、V的取样频率6.75MHz取样频率与彩色副载波频率无关30表2.2ITU-RBT.601建议的主要参数（亮、色取样频率为4:2:2）参量NTSC制(525行/60场)PAL制(625行/50场)编码信号Y/R-Y/B-Y全行Y858864取样点数R-Y/B-Y429432取样结构正交，按行/场/帧重复，每行中的R-Y/B-Y取样与奇数（1,3,5,…）点Y取样同位取样频率(MHz)Y13.5R-Y/B-Y6.75编码方式亮度信号和色差信号均为PCM8bit每行有效取样点数Y720R-Y/B-Y36031图2.6不同格式的样点位置示意图(a)4:2:2格式(b)4:4:4格式表示Y样点位置表示U/V样点位置(d)4:2:0格式(c)4:1:1格式不属于601标准32BT601标准中每一扫描行的采样结构如图所示。PAL制的亮度信号，每一扫描行采样864个样本；NTSC制的亮度信号，每一扫描行采样858个样本。所有的制式，每一扫描行的有亮度有效样本数为720个。色度有效样本数为360个。ITU-RBT.656格式视频标准。（CommonIntermediateFormat，CIF）视频标准。122像素720像素16像素NTSC制132像素720像素12像素PAL制有效采样样本332.3图像设备和器件2.3.1模拟信号源视频摄像机、照相机录像机激光视盘(LD)等342.3.2数字信号源和图像信号采集1.彩色扫描仪2.数字摄像机家用摄像机专业用摄像机简易摄像头353.数码相机4.图像采集卡362.3.3图像信号显示1.CRT（阴极射线管：CathodeRayTube）显示器图2.7显像管的基本结构(a)实物剖面阳极帽电子束偏转线圈电子枪荧光屏(b)示意图铝膜372.液晶显示器（LCD：LiquidCrystalDisplay）3.彩色等离子显示器（PDP：PlasmaDisplayPanel）英寸PDPPP42M5SBX42液晶显示器382.3.4数字视频和模拟视频的转换模拟视频数字视频复合模拟视频信号经过A-D变换器转换为数字视频信号，在数字域中将Y/U/V实行分离，形成Y/U/V数字分量（或R/G/B）。数字视频模拟视频将Y/U/V（或R/G/B）数字分量经D-A变换器变为模拟Y/C分量，插入行、场同步和色同步信号后合成为模拟视频信号。392.4高速DSP2.4.1图像数据对DSP的要求图像处理对DSP的要求：处理的数据量庞大处理的数据量突发性强处理复合性数据多同步性和实时性要求高高速DSP的特点：实时性很强灵活性较大成本越来越低402.4.2高速DSP的常用结构单指令、多数据流（S