第二章 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)介紹

1、第二章數(shù)字圖像處理系統(tǒng)介紹北京大學遙感所1內(nèi)容概要：北京大學遙感所22.1 系統(tǒng)簡介2.2 電視攝像機2.3 CCD攝像機2.4 CMOS攝像機2.5 圖像采集卡2.1 系統(tǒng)簡介北京大學遙感所3圖2.1 基本數(shù)字圖像處理系統(tǒng)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成CMOS攝像機電視攝像機CCD攝像機偽彩色圖像采集卡圖像采集設(shè)備：攝像機、數(shù)碼相機、掃描儀和數(shù)字圖像采集卡計算機處理系統(tǒng)：PC機真彩色圖像采集卡顯示和輸出設(shè)備：打印機、繪圖儀北京大學遙感所4 2.2.1黑白電視攝像機 2.2.2彩色電視攝像機北京大學遙感所52.2電視攝像機聚焦極 電子槍 陰 極控制極北京大學遙感所6加速極光電靶偏轉(zhuǎn)磁場輸出R圖2.2

2、光電管式攝像管結(jié)構(gòu)圖2.2.1黑白電視攝像機一、圖像信號的產(chǎn)生圖2.3 電子束的掃描方式ANNACBBA幀掃描逆程幀掃描正程行掃描逆程行掃描正程BA CN主要組成部分及原理光電轉(zhuǎn)換電子束光電靶圖像信號加速陽極 聚焦極123456786464A 陰極+ ERL等效電路北京大學遙感所8靶面像素排列二、電視圖像信號的相關(guān)參數(shù)北京大學遙感所91。攝像機的掃描行數(shù)圖2.4 對角線方向出現(xiàn)的階梯輪廓在顯示器上顯示的效果仍然是模擬量決定圖像的分辨率h：圖像畫面的高度 Z：攝像機的掃描行數(shù) S：象素正方形的邊長a：觀察者距離電視屏的距離：人眼的極限分辨率：觀察者對整個畫面的視角a圖2.5 畫面最少象素的估算b

3、hZ(b/h)Zh/z=SS當=1時,那么人眼正好看到s高度時：tg(/2)= (s/2)/a /2tg(/2)=(h/2)/a 取觀察距離：a 5.5h,則近似取為10oZ h/ S / = 600行設(shè)寬高比：b/h=4/3 則畫面最少象素總數(shù)：N = Z2 b/h = 4.8105北京大學遙感所11%國際標準規(guī)定的電視制式北京大學遙感所12PAL（Phase Alternating Line）制式中國電視畫面掃描行數(shù)為625行NTSC （National Television System Committee）制式美國、日本電視畫面掃描行數(shù)為525行行相位交替制式 平衡正交調(diào)制制式最終存儲

4、在計算機中的總像素數(shù)由圖像卡決定電視圖像顯示頻率（圖像的活動分辨率）視覺暫留（16幅/秒）北京大學遙感所13PAL制式：幀頻 f=50Hz NTSC制式(彩色)：幀頻 f=60Hz每秒50幅畫面 每秒60幅畫面2。圖像的空間分辨率3。圖像信號的頻帶圖像信號的頻率就是指圖像信號的變化的快慢，即亮度變化的快慢a估算圖像信號的最高頻率fmax設(shè)z-每幅圖象的掃描行數(shù)（625行-中國） k-顯示屏的寬高比（4/3）f-圖象變化頻率（50幅/秒-中國） 如此，kz表示每行中所具有的像素數(shù)，如果每行中信號變化次數(shù)為kz/2，再考慮每秒傳送f幅圖像，則f(max) (fkz 2 )/2 13MHZfmax可

5、看成是頻帶寬度，但13MHz如此寬的頻帶不利于記錄和傳輸 利用人眼的視覺暫留特性，將逐行掃描改為隔行掃描(Interleaved Scan)13MHz6.5MHz北京大學遙感所14掃描行數(shù)必須是奇數(shù)一幀周期1/25秒 一幀包括兩場圖2.6 隔行掃描示意圖北京大學遙感所15T場消隱期行消隱期 18%T圖像信號白 電 平黑電平 消隱電平場同步電平行同步電平圖2.7 視頻信號以及行、場同步信號不同制式的電視標準具有不同的幀頻、場頻和行頻4。視頻信號的組成北京大學遙感所162.2.2 彩色電視攝像機一、彩色圖像信號的形成三基色：紅R、綠G、藍B分別用R，G，B表示彩色攝像機是色彩分光設(shè)備，將光分解為紅

6、綠藍，光電轉(zhuǎn)換后為不同比 例的三種電信號：ER、 EG、 EB彩色攝像機分為三種三管式 單管式北京大學遙感所17兩管式a 三管式彩色攝像機G R B反綠膜反藍膜圖2.8 三管式彩色攝像機原理圖a 單管式彩色攝像機比三管或雙管結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低 隨R、G、B分離方式（時間）的不同而種類各異 條紋濾色片a 雙管式彩色攝像機比單管分辨率高二、色的三要素和色度圖北京大學遙感所19三要素：色調(diào)（Hue） ：表明顏色的種類 取決于主波長120種飽和度（Saturation） ：表示顏色濃淡程度的物理量 比較同一色調(diào)的兩種光，飽和度愈大，則顏色顯示愈深（濃）亮度（Intensity） ：表示人眼所感覺

7、到的顏色明暗程度的物理量 主觀亮度與波長有關(guān)主要是色調(diào)和飽和度%三基色混合出的任一種色彩的國際標準（CIE國際照明協(xié)會（1931年制定）NTSC制式：PAL制式:Q 使用方法：確定彩色顯象管 中的R、G、B所在位置，三 點連成三角形，為所有可以 顯示的顏色。圖2.9 馬蹄形色度圖（Chromaticity Diagram）北京大學遙感所20R:x=0.670,y=0.323G:x=0.214,y=0.710B:x=0.140,y=0.084R:x=0.640,y=0.330G:x=0.290,y=0.600B:x=0.150,y=0.0601。三基色RGB與亮度Y的關(guān)系白色（亮度）如果用相應(yīng)的

8、電信號表示，其數(shù)學表達式為： EY=(1 ER)+(1 EG)+(1 EB)其中，ER、 EG、 EB表示相應(yīng)的電信號 EY是眼視覺白色亮度信號EY=(0.3 ER)+(0.59 EG)+(0.11 EB)上式為三基色與亮度之間的關(guān)系式人的視覺對其顏色敏感程度的差異，等量的混合不能得到白色，故其混合比例要調(diào)整北京大學遙感所21三、彩色信號的傳輸2。彩色信號傳輸?shù)男盘柫勘本┐髮W遙感所22三個信號：Ey-黑白接受機需要的亮度信號 將R、G、B信號換成色差信號EU=EB EY EV=ER -EY由此三個信號可推出：EG-EY = -0.51（ER ERY） -0.19 （EBEY）Ey、 EU 、

9、EV總稱復合視頻信號3。亮度信號和色差信號兼容的技術(shù)實現(xiàn)nFH(n+1)FH(n+2)FH圖2.10 亮度信號Ey的頻譜分析分析：分布不連續(xù)而且能量集中在低頻區(qū)，主譜線附近 各主譜線以FH行頻為間距排列北京大學遙感所234。頻譜間置fH北京大學遙感所24f(MHz)亮度信號EY色信號C12345圖2.11 色副載波頻率fH與EY頻帶分配% 目前世界上彩色電視的三種標準北京大學遙感所25NTSC制（National Television System Committee平衡正交調(diào)制） PAL制（Phase Alternating Line行相位交替） SECAM制（Sequentiel Coul

10、eur avec Memoire順序傳送彩色與存貯）不同制式的色副載波頻率不同NTSC制式：fH=3.58MHzPAL制式：fH=3.58MHz SECAM制式：奇數(shù)行fH=4.4MHz，偶數(shù)行fH=4.25MHz圖2.12 NTSC平衡正交調(diào)制數(shù)字化梳狀濾波器 構(gòu)成圖像的亮度和色度信號在視頻信號中是混在一起的北京大學遙感所26EcEcEREYEBEYEREY-(EREY)EBEYECEcEcEcn+1行n行視覺疊加效果圖2.13 NTSC制因相角的改變造成的 色度誤差圖2.14 PAL制糾正因相角差造成的串色北京大學遙感所272.3 CCD攝像機北京大學遙感所28CCDCharge-Coup

11、led Devices電荷耦合器件CCD攝像機圖像信號產(chǎn)生的原理： 兩個階段集聚期（Integration Perior）：形成電荷包輸出期（Readout Perior）：輸出電荷圖2.15 勢阱（Potential well）形成的電荷包北京大學遙感所291 2 3A B CD EFGPixelPixel12 3 1 2 3圖2.16 三相驅(qū)動下， 電荷包從一個象素傳 到另一個象素的傳輸 過程CD EABFG輸出寄存器輸出段圖2.17 面陣CCD信號傳輸過程示意圖集聚期：光被集聚并轉(zhuǎn)換電荷全部行同時傳送，末端行的電荷傳送進輸出寄存器輸出寄存器傳送到輸出端輸出寄存器中所有像素信號傳到輸出端后

12、再傳送下一行的像 素至輸出寄存器2.4 CMOS攝像機CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor) 互補金屬氧化物半導體圖2.18 CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖北京大學遙感所32%CMOS攝像機的優(yōu)點工藝成本低和片內(nèi)高度集成%低功耗，單電壓提高電源使用效率%可對興趣區(qū)域像素進行隨機讀取，增加了工作的靈活性%沒有拖影、光暈等假信號，保證更高質(zhì)量的圖像信號北京大學遙感所332.5 圖像采集卡圖2.19 圖像采集卡方框圖視 頻 信 號A/D 轉(zhuǎn)換器幀存儲器（2）查尋 表 LUTD/AD/AD/AR北京大學遙感所34GB視頻信號輸入一、偽

13、彩色圖像采集卡幀存儲器（1）1。A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter-ADC）tO（1）采樣h(t)圖2.20 電壓模擬信號圖2.21 脈沖信號北京大學遙感所35Oh(t)ty(t)-fcfcf1/T-fc1/T-fc圖2.22 函數(shù)抽樣過程的圖解說明tH(f)*(f)抽樣函數(shù)：波形抽樣函數(shù)y（t）%奈奎斯特抽樣定理采樣頻率低時傅氏變換出現(xiàn)混疊效應(yīng)混疊效應(yīng)在視頻圖象上表現(xiàn)為一種被稱為 morie的漣漪狀的干擾孔闌效應(yīng)產(chǎn)生高頻衰減原圖北京大學遙感所37因此，不造成波形混疊的條件是： F=1/T2fc北京大學遙感所38fc 是輸入函數(shù)h(t)的傅立葉變換的 最高頻率

14、（截止頻率）實際抽樣的抽樣脈沖序列為有一定寬度的矩形周期脈沖序列 其頻譜在幅度上受sin(/2)/(/2)(是脈沖寬度)加權(quán)由圖可見，抽樣頻率大于2倍頻譜最高頻率時，信號的頻譜無混疊奈奎斯特抽樣定理： 要從抽樣信號中無失真的恢復原信號，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號最高頻率。北京大學遙感所40%黑白圖像的最高采樣頻率北京大學遙感所41彩色制式N制的頻率 fmax5.5MHz彩色制式P制的頻率fmax6.5MHz圖像卡的采樣頻率多為10MHz，符合奈奎斯特采樣定理（2）量化1模擬量的度量方法電壓比較法：歸一化，電壓比較轉(zhuǎn)換值111 110 101 1000110100010000.1250.31250.

15、43750.750b=3bit為例 轉(zhuǎn)換器的分辨能力圖2.23 A/D轉(zhuǎn)換 關(guān)系圖V模擬輸入電壓北京大學遙感所422。偽彩色查尋表LUT（Look-up Table）偽彩色（False Color or Pseudo-Color）按飽和度 由0100 遞增排列 可構(gòu)成25631677萬種彩色最簡單的組合色彩是 256級圖2.24 LUT的構(gòu)成三個寄存器 256種色彩012255D/A北京大學遙感所433。圖像采集卡與攝像機的同步北京大學遙感所44采集卡與攝像機具有相同的行頻和場頻行同步水平同步（Horizontal Synchronization-H.Sync ）信號 場同步垂直同步（Vertical Synchronization-V.Sync ）信號 復合同步（Composite Synchronization-H.Sync ）信號內(nèi)同步：由圖象采集卡去同步攝像機，由它輸出一個同步信號去驅(qū)動攝 機的行、場同步像外同步：由攝像機的復合信號中提取同步信號去驅(qū)動采集卡二、真彩色圖像卡1 / 2 北京大學遙感所45213( RG ) ( R B )(G B)min(R, G, B)( RG )( R B)/ 2 3 ( RG B )H arccosS 1I (R G B)色的三要素和圖像三基色的相互轉(zhuǎn)換1。從RGB空間轉(zhuǎn)換到HIS空