數(shù)字圖像處理第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)北郵出版社200810

1第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)2.1圖像信號的數(shù)字化2.2*數(shù)字視頻信號和ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)2.3圖像設(shè)備和器件2.4高速DSP22.1圖像信號的數(shù)字化圖像信號的數(shù)字化:--“三部曲”

連續(xù)（模擬）圖像離散（數(shù)字）圖像取樣－－圖像在空間上的離散化的過程量化－－取樣點(diǎn)灰度值的離散化的過程標(biāo)量量化均勻量化非均勻量化矢量量化編碼－－用二進(jìn)制數(shù)來表示量化后樣值的過程3取樣和量化示例模擬圖像數(shù)字圖像數(shù)字化一個像素4圖像的空間分辨率示例16×16512×512256×25664×64128×1285圖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62.1.1圖像信號的頻譜一維信號f(x)的傅氏變換F(f)

：(2.1)(2.2)7二維圖像f(x,y)的傅氏變換Ｆ(u,v)：實(shí)際二維圖像頻譜在頻率域上有界景物的復(fù)雜性有限，“雪花”點(diǎn)似的圖像無實(shí)際意義人眼、顯示器對空間復(fù)雜性（頻率）的分辨率有限度(2.3)(2.4)82.1.2取樣和二維取樣定理(a)原圖像連續(xù)空間(b)數(shù)字圖像離散空間（像素）

xyf(x,y)0x1

y1

f(x1,y1

)f(i,j)0f(i1,j1)iji1

j1

91.二維取樣定理回憶一維取樣定理?！?/p>

模擬圖像信號f(x,y)的頻譜F(u,v)在水平方向、垂直方向的截止頻率分別為Um、Vm

，只要水平方向、垂直方向的空間取樣頻率

U0

≥Um

，V0

≥Vm

，（取樣點(diǎn)的水平間隔、垂直間隔滿足△x≤1/(2Um)，△y≤1/(2Vm)

）則圖像可被精確地恢復(fù)。

二維取樣定理－－由抽樣圖像恢復(fù)原圖像的必要條件。10取樣圖像的頻譜示例圖2.1取樣圖像的頻譜11取樣過程的空域分析用于取樣的沖激陣列取樣后的圖像(2.5)取樣后圖像＝連續(xù)圖像＊取樣陣列(2.6)12取樣過程的頻域分析沖激陣列的頻譜取樣后的頻譜(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)132.從取樣圖像恢復(fù)原圖像滿足取樣定理?xiàng)l件(各頻譜區(qū)域互不交疊)用理想二維低通濾波器H(u,v)可完整地取出原圖像頻譜Fr(u,v)(2.14)(2.11)(2.12)IDFT恢復(fù)的圖像14用理想低通濾波器H(u,v)提取取樣圖像的基本頻譜F(u,v)的示意uvΔuΔvFp(u,v)H(u,v)153.亞取樣和混疊效應(yīng)亞取樣減少數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量；亞取樣取樣定理的條件不滿足混疊。取樣圖像頻譜的各次諧波發(fā)生混疊濾波器不可能將原圖像的頻譜分量濾取出來圖像的恢復(fù)中將會引入混疊失真亞取樣要盡量減少頻譜混疊失真uvLPF16實(shí)例：菱形亞取樣圖2.2菱形亞取樣及其頻譜分布1/(2Δx)1/(2Δy)u(c)vvUmu(b)VmFi(u,v)2Δx2Δyyx(a)fi(x,y)174.實(shí)際取樣脈沖效應(yīng)實(shí)際取樣點(diǎn)陣列：取樣點(diǎn)陣列不是理想δ函數(shù)，有一定的寬度τ

；取樣點(diǎn)陣列不是無限伸展的。產(chǎn)生的影響：取樣脈沖有τ寬度，重建圖像誤差產(chǎn)生高頻失真，頻譜按sinc函數(shù)衰減；點(diǎn)陣非無限，圖像重建時就會產(chǎn)生邊界誤差和模糊現(xiàn)象。結(jié)果：用理想低通濾波器不能無失真地恢復(fù)原來的模擬信號；但只要滿足取樣定理，可用近似恢復(fù)出原模擬信號。18實(shí)際取樣脈沖效應(yīng)的分析實(shí)際取樣脈沖陣列s(x,y)是截短δ函數(shù)陣列d(x,y)通過沖激響應(yīng)為p(x,y)的線性濾波器產(chǎn)生的：有限取樣δ

陣列取樣后的圖像(2.16)取樣后圖像＝連續(xù)圖像＊取樣陣列(2.18)(2.17)DFT(2.19)有限取樣陣列19實(shí)際取樣脈沖的不理想對重建圖像的影響圖2.3 實(shí)際取樣脈沖的頻譜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FT

v=0的截面FTFT

Sa(uπ/2)Sa(uπ/2)202.1.3量化和編碼1、數(shù)字化“三部曲”：取樣，空間上被離散成為像素，像素值還是連續(xù)變化量；量化，將像素的連續(xù)值轉(zhuǎn)化為有限個離散值（均勻、非均勻量化）；編碼，賦予量化后的像素值以不同碼字，形成數(shù)字圖像。2、均勻量化：量化層數(shù)K取為用2的n次冪，即K=2n；像素值用n比特自然二進(jìn)制碼表示，形成PCM編碼；通常圖像8比特量化，28=256，256個灰度等級。21經(jīng)過取樣、量化和編碼以后，形成數(shù)字圖像一個數(shù)字圖像的實(shí)例9892958075826850979194797481674995899277727965479387907570776345918588736875614389838671667359418788846964715739857982676269553722例如：圖像的某一樣本幅度（灰度）為127.2，則量化為127，可用二進(jìn)制長碼01111111（8比特）表示。量化區(qū)間量化步長判決電平量化電平量化誤差量化噪聲d0d1d2didi+1dk－1dk判決電平

e0e1量化電平

eiek－1

量化示意圖233.均勻量化誤差、量化噪聲、量化信噪比（1）量化誤差：e=真值－量化值。e相當(dāng)于“噪聲”，“量化噪聲”。（2）量化誤差的均方值

設(shè)：n比特PCM編碼，量化步長為1/2n，取樣值是均勻分布,

則可以證明：量化誤差的均方值（3）量化信噪比(2.21)(2.20)可見：每抽樣的編碼比特?cái)?shù)

n

直接關(guān)系到數(shù)字化的圖像質(zhì)量，每增減1比特，就使量化信噪比增減約6分貝。一般應(yīng)用：電視廣播、視頻通信等，8bit量化，已能滿足。特殊應(yīng)用：高質(zhì)量靜止圖像、遙感圖像等，10比特以上精度。242.2數(shù)字視頻信號和ITU-RBT.601標(biāo)準(zhǔn)2.2.1視頻信號的數(shù)字化PAL/NTSC制模擬信號數(shù)字化，即A/D轉(zhuǎn)換視頻信號的數(shù)字化也包括取樣、量化、編碼掃描體制在時間t

維已離散掃描體制在垂直y

維已離散在x維可以自行取樣電視信號視頻信號序列信號視頻序列活動圖像信號25三維電視信號圖2.4電視信號的掃描及取樣一幀電視畫面xytF(u,v)k-1幀k幀k-1幀26電視圖像的取樣頻率水平方向最高時間頻率Fm和最高空間頻率Um

由取樣定理，空間域取樣間隔ΔxΔt為掃描Δx間隔所需的時間綜合以上三式可得：結(jié)論同一維取樣定理掃描行電視幀τ圖2.5掃描間隔和最高頻率a0t空間最高頻率Um時間最高頻率Fm(2.22)(2.23)(2.24)(2.25)272.2.2ITU-RBT.601數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)1.復(fù)合數(shù)字系統(tǒng)直接對復(fù)合視頻信號取樣、A/D、形成復(fù)合數(shù)字視頻PAL制fsc＝4.43MHzNTSC制fsc＝3.59MHz表2.1復(fù)合數(shù)字系統(tǒng)的取樣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)取樣頻率Bit/取樣數(shù)據(jù)率（Mb/s）NTSC3fsc885.9NTSC4fsc8114.5PAL3fsc8106.3PAL4fsc8141.8282.ITU-RBT.601分量數(shù)字系統(tǒng)目標(biāo)：不同制式的視頻在數(shù)字域互通分量編碼：對亮度信號(Y)和兩個色差(U、V)信號分別編碼統(tǒng)一的Y取樣頻率13.5MHz，色差U、V的取樣頻率6.75MHz取樣頻率與彩色副載波頻率無關(guān)29表2.2ITU-RBT.601建議的主要參數(shù)（亮、色取樣頻率為4:2:2）

參量NTSC制(525行/60場)PAL制(625行/50場)編碼信號Y/R-Y/B-Y全行Y858864取樣點(diǎn)數(shù)R-Y/B-Y429432

取樣結(jié)構(gòu)正交，按行/場/幀重復(fù)，每行中的R-Y/B-Y取樣與奇數(shù)（1,3,5,…）點(diǎn)Y取樣同位取樣頻率(MHz)Y13.5R-Y/B-Y6.75編碼方式亮度信號和色差信號均為PCM8bit每行有效取樣點(diǎn)數(shù)Y720R-Y/B-Y36030圖2.6不同格式的樣點(diǎn)位置示意圖(a)4:2:2格式(b)4:4:4格式表示Y樣點(diǎn)位置表示U/V樣點(diǎn)位置(d)4:2:0格式(c)4:1:1格式不屬于601標(biāo)準(zhǔn)31BT601標(biāo)準(zhǔn)中每一掃描行的采樣結(jié)構(gòu)如圖所示。PAL制的亮度信號，每一掃描行采樣864個樣本；NTSC制的亮度信號，每一掃描行采樣858個樣本。所有的制式，每一掃描行的有亮度有效樣本數(shù)為720個。色度有效樣本數(shù)為360個。ITU-RBT.656格式視頻標(biāo)準(zhǔn)。（CommonIntermediateFormat，

CIF）視頻標(biāo)準(zhǔn)。

122像素720像素16像素NTSC制132像素720像素12像素PAL制有效采樣樣本322.3圖像設(shè)備和器件2.3.1模擬信號源視頻攝像機(jī)、照相機(jī)錄像機(jī)激光視盤(LD)等33

2.3.2數(shù)字信號源和圖像信號采集1.彩色掃描儀2.數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

家用攝像機(jī)專業(yè)用攝像機(jī)簡易攝像頭343.數(shù)碼相機(jī)4.圖像采集卡352.3.3圖像信號顯示1.CRT（陰極射線管：CathodeRayTube）顯示器圖2.7顯像管的基本結(jié)構(gòu)(a)實(shí)物剖面陽極帽電子束偏轉(zhuǎn)線圈電子槍熒光屏(b)示意圖鋁膜362.液晶顯示器（LCD：LiquidCrystalDisplay）3.彩色等離子顯示器（PDP：PlasmaDisplayPanel

）英寸PDPPP42M5SBX42液晶顯示器372.3.4數(shù)字視頻和模擬視頻的轉(zhuǎn)換模擬視頻數(shù)字視頻復(fù)合模擬視頻信號經(jīng)過A-D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，在數(shù)字域中將Y/U/V實(shí)行分離，形成Y/U/V數(shù)字分量（或R/G/B）。數(shù)字視頻模擬視頻將Y/U/V（或R/G/B）數(shù)字分量經(jīng)D-A變換器變?yōu)槟MY/C分量，插入行、場同步和色同步信號后合成為模擬視頻信號。382.4高速DSP2.4.1圖像數(shù)據(jù)對DSP的要求圖像處理對DSP的要求：處理的數(shù)據(jù)量龐大處理的數(shù)據(jù)量突發(fā)性強(qiáng)處理復(fù)合性數(shù)據(jù)多同步性和實(shí)時性要求高高速DSP的特點(diǎn)：實(shí)時性很強(qiáng)靈活性較大成本越來越低392.4.2高速DSP的常用結(jié)構(gòu)單指令、多數(shù)據(jù)流（SIMD：signalinstructionstreams,multipledatastreams）