多媒體通信技術第三章圖像技術基礎課件

多媒體通信技術1標題添加點擊此處輸入相關文本內容點擊此處輸入相關文本內容前言點擊此處輸入相關文本內容標題添加點擊此處輸入相關文本內容2第3章圖像技術基礎3.1視覺特性3.2圖像質量評價3.3圖像信號數字化3.4電視技術基礎33.1視覺特性視覺靈敏度人眼對不同波長的光所呈現的視覺感知是不同的，而且因人而異。為了了解人眼的視覺特性，因此國際照明委員會（CIE）特推薦標準視度曲線（人眼視覺光譜靈敏度曲線）4光度測量參數

當描述光源的照明效果時，由于無法直接用輻射光功率來描述，因此實際中是使用兩套參數來分別描述輻射光和照明光。前者與人眼的視覺特性無關，而后者則考慮了人眼的視覺特性。輻射功率和輻射強度發(fā)光強度、亮度和照度5

光通量是指單位時間內發(fā)出的光能量，單位：流明，lm。光通量與面積無關。

發(fā)光強度是指單位立體角內輻射出的光通量，單位：坎德拉，cd。光通量與發(fā)光強度亮度與照度亮度是指發(fā)光面在某一給定方向上的發(fā)光強度與該發(fā)光面積在此方向上的投影之比，單位：尼特，nit。照度是指單位面積上所接收到的光功率，單位：勒克司，lx。6彩色視覺和立體視覺彩色的概念在自然界中，當陽光照射到不同的景物上時，所呈現的色彩不同，這是因為不同的景物在太陽光的照射下，反射（或透射）了可見光譜中的不同成分而吸收了其余部分，從而引起人眼的不同彩色視覺。7彩色視覺從視覺的角度描述彩色的過程中會用到亮度、色度和飽和度三個術語。亮度表示光的強弱；色度是指彩色的類別，如黃色、綠色、藍色等；飽和度則代表顏色的深淺程度，如淺紫色、粉紅色。

色調與飽和度又合稱為色度，可見它既表示彩色光的顏色類別，又表示顏色的深淺程度。自然界中的任何一種顏色都能由這三種單色光混合而成，因而人們稱紅、綠、藍為三基色。8經過大量的驗證測試，人們認識到視網膜上有三種類型的錐狀細胞，它們各自的光譜靈敏度曲線為：9立體視覺立體視覺一般分為雙眼視覺和單眼視覺。雙眼視覺是指雙眼同時觀看一個空間景物時所形成的立體視覺；單眼視覺是指單眼觀看景物時所產生的立體感覺。10人眼的分辨力與空間頻率

人眼的分辨力究竟有多高，可用何種方法對其進行描述，一直是人們非常關注的問題。經過長期的研究發(fā)現，將人眼等效為一個空間頻率濾波器，這樣在考慮到分辨力與照度、對比度和噪音等方面影響的同時，便可以利用濾波器的頻率特性來表示人眼的分辨力?？梢娍臻g頻率的概念在圖像技術中具有很重要的地位。11空間頻率時間頻率是用單位時間內的某物理量（如電壓、電流）周期性變化的次數來定義的，單位為周/秒，其自變量為時間。而空間頻率則是某物理量（如亮度、發(fā)光強度）在單位空間距離內周期性變化的次數，單位為周/米。人眼的空間頻率響應實驗研究發(fā)現，人眼對不同空間細節(jié)的分辨力是變化的，可用視覺空間頻率響應曲線表示。120.10.31310301.00.3空間頻率(線/mm)MTF彩色亮度13從圖中可以看出，人眼對彩色細節(jié)的分辨能力遠比對亮度細節(jié)的分辨能力低。例如原有黑白相同的條紋，當它們距人眼一定距離時，仍能分辨出其黑白間的差別，但如果仍保持其條紋間的距離，只是將黑白條紋換成彩色條紋，此時便無法做出分辨。據資料顯示，人眼分辨景物彩色細節(jié)的能力很差。因此彩色電視系統(tǒng)在傳輸彩色圖像時，細節(jié)部分可以不傳送彩色信息，而只傳送黑白信息，以此來節(jié)約傳輸頻帶資源。14人眼對不同波長的光有不同的色調感覺。將人眼分辨出色調差別的最小波長變化值稱為色調分辨閾，它是隨著波長的變化而變化的。15人眼的對比度特性圖像的對比度與灰度對比度是指景物或重現圖像的最大亮度Lmax與最小亮度Lmin之比，用符號C表示，即而畫面的最大亮度與最小亮度之間所能分辨的亮度感覺級數稱為亮度層次，也稱為灰度。16由于人眼的亮度感覺是相對的，即同一亮度在不同的環(huán)境亮度下給人的亮度感覺是不同的，因此當人們看電視時，在考慮到環(huán)境亮度后，電視圖像的對比度為其中為環(huán)境亮度。17人眼的對比度靈敏度特性亮度感覺在定義亮度時雖然考慮了人眼的光譜靈敏度，但實際觀察景物時所獲得的亮度感覺，并不僅由景物的亮度決定，而且與其所處的周圍環(huán)境亮度有關。亮度感覺是指能分辨出不同的亮度層次。18人眼視覺的對比度靈敏度人眼區(qū)分某一給定空間頻率的正弦光柵明暗差別所需的最低對比度，稱為分辨這一空間頻率的臨界對比度，用Cr表示。臨界對比度的倒數1/Cr被稱為人眼對于這一空間頻率對比度靈敏度。由以上定義可知，臨界對比度表示人眼在給定的亮度環(huán)境下所能區(qū)分景物的最小亮度差別，通常稱這一最小亮度差別為一個亮度級（或灰度級）。19視覺惰性與閃爍的概念視覺惰性當一個景物突然出現在眼前時，需經過一定的時間才能形成一個穩(wěn)定的主觀亮度感覺；同樣當一個實際景物從眼前消失后，所看到的印象都不會立即消失，還會暫留一段時間，由此可見人眼亮度感覺的建立與消失都滯后于實際的光刺激，而且此過程是逐步的，這樣一種現象就是視覺惰性。20閃爍如果觀察者觀察到一個具有周期性的光脈沖，當其重復頻率不夠高時，便會產生一明一暗的感覺，這種感覺就是閃爍，但當重復頻率足夠高時，閃爍感覺將消失，隨之看到的是一個恒定的亮點。臨界閃爍頻率就是指閃爍感覺剛剛消失時的頻率。它與脈沖亮度有關，脈沖的亮度越高，臨界閃爍頻率也相應地增高。21掩蔽效應背景亮度變化越劇烈，人眼的對比度靈敏度越低。22視覺的彩色掩蔽效應233.2圖像質量的評價

圖像質量的評價方法有兩種，即主觀評價和客觀評價影響圖像質量的基本因素發(fā)送環(huán)境：照度和閃爍接收環(huán)境：室內照明、顯示器、視距圖像通信系統(tǒng)變換與反變換24圖像質量的主觀評價主觀評價是指觀察者依據自己的感覺對圖像質量進行評價，是一種最直觀、最可靠的評價方法受人的感覺和心理狀態(tài)的影響，即圖像質量的最終評價與觀察者心理因素有關25圖像的客觀評價圖像逼真度計量法數學公式會議電視系統(tǒng)的圖像質量評價因素：圖像清晰度、幀速率、唇音同步、延時、運動補償263.3圖像信號數字化3.3.1圖像信號的表述連續(xù)圖像信號轉化為離散數字信號包括三大部分，即取樣、量化和編碼。取樣又稱為抽樣，它是指圖像信號空間離散化的過程。這時所選取的點就是取樣點、抽樣點或樣點，也被稱為像素。由此可見，一幅圖像是由許多大小有限的像素組成，而且每個像素既是時間、空間的函數，同時又有其光學特性。27圖像中的任何一個像素P通?？捎?個物理量表示，即其中（x,y,z）表示像素的空間變量，L，H，S分別代表像素的亮度、色調和飽和度，R則表示圖像的分辨率（即每一個像素面積在圖像總面積中的比例，t是該像素產生上述物理量的時間。28圖像信號的頻譜圖像通信系統(tǒng)是一個二維信息系統(tǒng)，因此可以進行類似的定義，二維函數f（x,y）與其頻譜F(μ,ν)的關系：從頻率域上來觀察圖像時，大多數情況下其頻譜多局限在一定的范圍之內29二維取樣定理一個模擬信號f(x,y)的傅氏頻譜為F(μ,ν)，如果其水平方向的截止頻率為Um，而垂直方向的截止頻率為Vm，那么只要水平和垂直方向的取樣頻率分別為U0≥2Um和V0≥2Vm（水平間隔Δx≤1/(2Um），垂直間隔Δy≤1/(2Vm),就可以精確地恢復出原圖像，這就是二維取樣定理。3.3.2取樣與二維取樣定理其中30如果圖像信號為有限帶寬的信號，那么根據上式可以看出，抽樣后的圖像信號fp(x,y)的頻譜是原頻譜F(μ,ν)沿μ軸和ν軸分別以Δu，Δv為間隔無限地周期重復的結果只要Δu>2Um，Δv>2Vm，抽樣后的圖像信號頻譜就不會出現混疊。因此通常在進行取樣之前，圖像信號首先經過一個低通濾波器，使其成為一個限帶信號。當以滿足上述條件的取樣間隔進行取樣時，取樣后的圖像頻譜不會出現混疊的現象，這樣可以利用一個低通濾波器將原圖像頻譜濾出，從而可無失真地重建原圖像，這就是二維取樣定理，也稱為二維奈奎斯特取樣定理。31亞取樣當取樣頻率小于奈奎斯特取樣頻率時，通常稱其為亞抽樣。

即如何在亞取樣情況下，減少頻譜混疊而引起失真？菱形亞取樣32量化與量化信噪比經過取樣后所獲得的圖像是由一系列空間上離散的樣值序列構成，每個樣值是一個有無窮多個取值的連續(xù)變量。量化是指將具有無限多個取值的樣值用有限個離散值來表示的過程，并且可以賦予不同的碼字，從而成為真正意義上的數字圖像。均勻量化時的信噪比非均勻量化時的量化信噪比3.3.3量化與編碼33編碼每增加/減小1bit，就使量化信噪比增加/減小約6dB取樣值的編碼比特數n，直接決定圖像的質量343.3.4取樣、量化對圖像質量的影響實際取樣脈沖寬度的影響量化誤差的影響量化誤差所造成圖像質量下降的主要原因有斜率過載、顆粒噪聲、邊緣忙亂和偽輪廓四種：斜率過載發(fā)生在圖像灰度急劇變化的邊界，正是由于此處灰度變化太大，即使使用最大的量化值，仍無法反映期間的變化，因此使圖像輪廓變得模糊。35顆粒噪聲出現在圖像灰度變化很小的區(qū)域，這時最小的量化間隔仍不足以反映其緩慢的變化過程，因此可能會在兩個最小量化電平之間出現來回振蕩的局面，造成解碼后所恢復的圖像中其灰度平坦區(qū)域出現顆粒狀的細斑。邊緣忙亂是指在變化不太快的邊緣出現閃爍不定的現象。這是由于原始圖像中存在噪聲，它造成不同圖像幀之間在同一像素位置產生的量化噪聲不同，從而引起緩慢變化的邊緣出現這種不確定的現象。36偽輪廓發(fā)生在圖像亮度緩慢變化的區(qū)域，此時預測誤差較小，但實際系統(tǒng)中所采用量化間隔過大，則會在圖像亮度緩慢增加或減小的區(qū)域，出現這種偽輪廓的現象。373.4電視技術基礎

3.4.1電視系統(tǒng)的組成電視是利用光電和電光轉換原理，將光學圖像轉換為電信號進行遠距離傳輸，然后再還原為光圖像的一門技術。在發(fā)送端首先經過攝像設備，如攝像機，將景物進行圖像分解，完成空時、光電變換然后送至信道進行圖像信息的傳送。在接收端再由顯像設備，如顯示器，對接收信號進行圖像復合，還原成原圖像，而其中的同步系統(tǒng)，則負責發(fā)送與接收數據之間的同步關系，這只是初略的劃分，一般來說，整個電視系統(tǒng)主要由成像、電視信號形成、信號處理、傳輸系統(tǒng)、電視信號接收與顯示等部分組成。383.4.2彩色電視信號的形成與傳送原理電視信號的形成在實用電視系統(tǒng)中是采用掃描的方式來完成圖像的分解與變換，即用時間的一維函數來代表像素信息的物理量，完成掃描功能的設備就是攝像機，如圖3-11所示。在目前的電視系統(tǒng)中普遍使用電真空攝像器件，以此通過電子束掃描來實現光電轉換，但隨著CCD攝像機的不斷投入使用，也可以利用各種脈沖數字電路來實現光電轉換。39電視系統(tǒng)的亮度方程彩色電視系統(tǒng)是按照三基色的原理而設計的，三基色原理告訴我們任何一種彩色都可以由另外的三種彩色按不同的比例混合而成。通常選擇紅、綠、藍為標準的三基色，用這三個攝像管分別提取景物光學圖像中的這三種彩色分量，以此來模仿人眼中的三種錐形細胞的視覺效果。這樣便形成了彩色電視系統(tǒng)中的紅、綠、藍三個基色分量。彩色電視系統(tǒng)的設計應考慮到與已有的黑白電視系統(tǒng)的兼容問題:傳輸1個亮度分量和2個色差分量。40另外還有2個色差信號U和V，U表示所傳輸的藍基色分量與亮度分量的差值信號，而V表示所傳送的紅基色分量與亮度分量的差值信號，它們存在下述關系：如果系統(tǒng)是黑白電視系統(tǒng)，R=G=B=0,可以得出這樣的結論，即U=V=0.41如果系統(tǒng)是彩色電視系統(tǒng)，除了亮度之外，圖像的色調和飽和度都是表示圖像質量的重要參數，它們與U、V的關系如下：圖像的色調=圖像的飽和度=42為什么彩色電視系統(tǒng)不直接傳送R、G、B信號，而傳送Y、U、V信號？消除了相關性兼容性（彩色與黑白電視）彩色電視制式：PAL、NTSC、SECAM43掃描——空間頻率與時間頻率的轉換逐行掃描逐行掃描是指電子束按一行接一行的規(guī)律，從上到下的對整個一幅（幀）畫面進行掃描的方式。人們將一個正程和逆程所用的時間稱為掃描周期，用TH表示，由此可以得出行掃描頻率（行頻）fH：場掃描頻率（場頻）：場頻與行頻之間的關系：44隔行掃描為了使人眼在觀看連續(xù)圖像時，無閃爍感覺，則要求場掃描頻率高于臨界閃爍頻率，同時又能達到人眼對圖像清晰度的要求，這就要求掃描行應在500行以上，這樣需為其提供10MHz以上的頻帶?？梢姛o論信道的利用率，還是設備的復雜程度都要求很高。為了減小圖像信號所占用的帶寬，可以通過降低場頻來實現，但隨之又會帶來閃爍的問題，而降低掃描行數，又會使圖像的清晰度下降。為了解決這一矛盾，人們采用隔行掃描方式。奇數場、偶數場45電視信號的頻譜特點與頻道分配策略靜止圖像和活動圖像頻譜靜止圖像的頻譜是由行頻正弦波及其各次諧波構成的離散型線狀譜，其頻率成分可以用來表示，即行頻及其諧波是以fH為間隔分布的，而且諧波次數越高，其振幅也越小。對于活動圖像，由于行與行、場與場之間存在一定的相關性（相鄰行、相鄰場的內容變化不大），所以活動圖像具有準周期性，其頻譜分布結構基本不變，只是行頻及其諧波兩側的譜線更密頻譜交錯原理和平衡正交調制頻譜交錯原理平衡正交調制頻率分配策略46分量電視信號的數字化ITU-RBT601建議，建議采用分量編碼，亮度和色差信號的取樣頻率fY和fC分別為:其中fHNTSC和fHPAL分別代表NTSC制和PAL制中的行頻。如果對亮度信號和色差信號進行量化，而且都采用8位碼，那么三個分量信號數字化后的數據量為：3.4.3視頻信息的數字化47如果對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣。48圖像子采樣4:4:44:2:24:1:14:2:049CIF、QCIF和SQCIFCIF：CommonIntermediateFormatQCIF：QuarterCIFSQCIF：Sub-QuarterCIF50復合電視信號的數字化如果對亮度和色度信號的共頻帶所形成的復合電視信號直接進行數字化，那么只需要一個取樣頻率即可。但若所選擇取樣頻率略高于信號最高的2倍時，對系統(tǒng)中所使用的濾波器和量化的要求過于嚴格，否則由副載波所引起的混疊失真將造成圖像質量的下降。高頻解調電路YC分離電路解調電路反矩陣電路composite來自電