第三章图像数字化

第三章图像数字化

第一节电视信号基础一、成像与显像方式

电视成像与图像显示的方式与人的视觉特性密切相关的。在人们观察电视图像时，由于荧光屏的余辉作用以及人眼的视觉滞后和视觉暂留的影响，利用该特性，人们就可以看到连续的图像。

黑白电视信号:在光导管摄像机里，通过光学系统将要拍摄的图像成像在光电靶上，然后利用电子束从左到右、从上到下依次轰击靶面上各点，根据被轰击点的明暗程度，转变成强弱不同的视频信号。电子束的依次轰击作用称为扫描。光导管部分结构简图

计算机中的CRT（CathodeRayTube）实现一个由电到光的成像过程。CRT是一个电真空器件，由电子枪、偏转装置和荧光屏构成。CRT结构

扫描方式有逐行扫描和隔行扫描之分。逐行扫描示意图

在隔行扫描中，无论是摄像机还是CRT显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。隔行扫描示意图（a）偶数场(b)奇数场(c)一帧图像（略去奇偶场的逆程）

在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间。每秒钟扫描多少行称为行频，每秒钟扫描多少场称为场频，每秒扫描多少帧称帧频。

根据人视觉特性，人眼的平均分辨率1′（最小视角），对画面的最佳观察角度为10°，因此使人眼最不易疲劳的电视最佳行数N应为N=最佳观察角度/最小视角=10°/1′=600

同步：要求接收端的行、场扫描频率和发送端的一样，同时行、场扫描信号的相位也保持一致，做到同频同相，这就叫同步。

扫描分为水平扫描和垂直扫描，水平方向的扫描同步称为水平同步，也称为行同步，垂直方向的扫描同步称为垂直同步，也称为场同步，两种同步混合在一起称为复合同步

在电视扫描中有行正程、行逆程、场正程、场逆程图为黑白全电视信号的一个行周期信号。

一个场周期的黑白全电视信号二、电视制式

目前世界上现行的彩色电视制式有三种(不包括高清晰度彩色电视HDTV)：1.NTSC制2.PAL制3.SECAM制NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式

为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足下列几方面的要求：(1)必须采用与黑白电视相同的一些基本参数(2)需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以及代表色度的两个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。

PAL电视制的主要扫描特性是：（1）625行（扫描线）／帧，25帧／秒（40ms／帧）（2）电视画面的宽高比：4：3（3）隔行扫描，2场／帧，312.5行／场（4）颜色模型：YUV

其中Y为亮度信号，U、V为色差信号，Y、U、V和三基色RGB的关系为:彩色全电视信号可表示为:其中ωSC为彩色副载波频率。

为了色同步在信号的消隐期间加载色同步信号，其如图示。

在PAL电视制中:1.一帧图像的总行数为625，分两场扫描。2.行扫描频率是15625HZ，周期为64μs；3.场扫描频率是50Hz，周期为20ms；4.帧频是25Hz，是场颇的一半，周期为40ms。

NTSC彩色电视制的主要特性是：（1）525行／帧，30帧／秒（2）电视画面的高宽比：电视画面的长宽比（电视为4：3；高清晰度电视为16：9）（3）隔行扫描，一帧分成2场（field），262.5线／场（4）在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此只有485条线的可视数据（5）每行63.5μs，水平回扫时间10μs（包含5μs的水平同步脉冲），所以显示时间是53．5μs（6）颜色模型：YIQ

SECAM（法文：SequentialColeurAvecMemoirs）制式是法国开发的一种彩色电视广播标准，称为顺序传送和存储彩色电视。这种制式与PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号是频率调制（FM），它的两个色差信号：红色差（R’－Y’）和蓝色差（B’－Y’）是按行的顺序传输的。

在彩色电视中，使用Y，C1，C2有两个重要优点：（1）Y和C1，C2是独立的（2）可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率彩色电视信号的类型有（1）复合电视信号（compositevideosignal）：包含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号，又称为全电视信号。（2）分量电视信号（componentvideosignal）：是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基色既可以分别用R，G和B，也可以用亮度一色差表示，使用分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽的带宽和同步信号。(3)S-Video信号:分离电视信号(Separatedvideo－VHS）是亮度和色差分离的一种电视信号，是分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方案。

第二节常见的成像设备

一、摄像机

摄像机的主要功能:按照一定的扫描规律通过光电转换把自然图像变换成电信号。

采用电子束扫描的摄像管构成摄像机，其基本原理是：通过光学系统将自然景像成像在摄像管的光电靶上，然后利用电子束依次轰击靶上各点，根据被轰击点的明暗程度，转换成强弱不同的电信号。图为采用氧化铝摄像管的三管式彩色摄像机的组成方框图。

CCD电荷耦合器件是20世纪70年代初发展起来的半导体器件，这种器件的突出特点是以电荷作为信号。构成CCD的基本单元是MOS（金属一氧气物一半导体）结构。CCD的基本功能是电荷的产生、存储和电荷的转移。

CCD的电荷注入方法基本有两类：1.光注入，2.电注入

电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCD，又简称为ICCD，其光敏单元为光注入方式。

CCD有两种基本类型：1.表面沟道CCD2.体沟道CCD

采用CCD器件构成摄像机，其基本原理是:通过光学系统将自然图像成像在CCD的像敏面上，像敏面将照在每一个像敏单元的图像照度转换为少数载流子数密度信号存储在像敏单元中，然后再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，形成强弱不同的电信号。CCD图像传感器分线阵和面阵。

CCD彩色摄像机主要组成部分:1.光学系统2.定时系统3.CCD驱动电路4.信号处理5.校正电路CCD彩色摄像机可分:1.三片式2.二片式3.单片式三片式彩色CCD摄像机结构框图单片式彩色CCD摄像机的结构框图

单片式彩色CCD摄像机只有一个面阵CCD，在CCD前面不是分光棱镜，而是彩色滤色阵列（ColorFilterArray,CFA）,结构如图。二、数码相机

数码相机的特点在于数字图像处理技术，图给出了典型的数字静止相机框图。数码相机所使用的成像芯片有CCD和CMOS两种。

数码相机图像的质量不仅仅取决于CCD的分辨率，诸如镜头质量、图像处理算法的优劣等因素都对其图像的质量产生重大影响。数码相机输出的图像是数字的，最大的优点在于可利用计算机进行各种图像处理，且拍摄图像的清晰度高。

计算机获取数码相机图像的方法:1.使用通用软件如Photoshop2.应用软件直接调用数码相机制造商提供的驱动程序

三、扫描仪

扫描仪是一种具有高分辨率的图像输入设备。有手持式和平板式扫描仪之分。

扫描仪的主要技术指标：1.分辨率2.彩色与灰度bit位3.微机接口方式4.最大扫描幅度等

第三节图像数字化

一、黑白视频图像数字化视频信号的预处理包括:1.放大，2.箝位

A/D有三个方面的考虑：（1）采样频率（2）采样方式（3）量化级数

采样频率：根据奈奎斯特准则，采样频率必须大于或等于被采信号的最大频率的2倍，这样被采样的信号能保留连续信号的全部信息，也能由采样信号恢复出连续信号。对于PAL标准的黑白图像视频带宽为6MHz,那么采样频率应不低于12MHz。

由于图像采样属于二维采样，其采样频率的具体确定还与采样方式有关。图为二维采样方式的示意图。

用多少个量化级来量化一幅图像将取决以下2个方面因素：（1）要考虑整个图像系统的噪声大小（2）从图像的应用角度来考虑，如果图像是用来进行某种测量目的，则可根据系统测量精度的要求

二、彩色视频图像数字化

彩色视频图像数字化与黑白视频图像数字化有所不同，有两种数字化方法：1.将一个复合的彩色视频信号分解成RGB信号或YUV信号，然后对它们进行采样、量化。

2.用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得RGB、YUV或YCbCr分量数据。

彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采样方法:1.使用相同的采样频率对图像的亮度信号和色差信号进行采样2.另一种是对亮度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样

如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采样（subsampling）其特点为：1.人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号去掉一些而使人察觉不出2.人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察觉

目前使用的子采样格式有如下几种：

(1)4：4：4采样方式(2)4：2：2采样方式(3)4：1：1采样方式(4)4：2：0采样方式4：4：4子采样格式4：2：2子采样格式4：1：1子采样格式4：2：0子采样格式三、图像数字化标准

（一）彩色空间之间的转换在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系用下式表示：(3-1)

（二）采样频率CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于远程图像通信中的电视图像信号采样。

对PAL制、SECAM制，采样频率fs为fs=625×25×N=15625×N=13．5MHzN＝864其中，N为每一扫描行上的采样数目。对NTSC制，采样频率为fs=525×29.97×N=15734×N=13．5MHZ，N=858其中，N为每一扫描行上的采样数目。

采样频率和同步信号之间的关系如图在电视信号采样中，Δy的间距以行距为准。为了适应人们眼睛的特点，电视的宽高比和电影一样为4：3，PAL制标准一帧图像为625行，其中50行为奇偶两场的消隐，正程显示行为625－50＝575行，为了等距采样，每一行的采样点数N为N=575×4/3≈767根据PAL－D制标准,行周期为64μs,行消隐为11.8μs,行正程52.2μs,那么Δx的时间间隔T0应为T0＝52.2μs/767≈68ns于是采样频率fs为fs＝1/T0≈14.67MHz实际最终选择采样频率为14.625MHz。该频率经过936分频正好是行频15625Hz，再则936是偶数，14.625MHz能形成半行频。满足了三方面的要求。这时Δx：Δy≈1.01：1,接近1：1。在实际中行上的采样点不是767，而是取768点。（三）有效显示分辨率对PAL制和SECAM制的亮度信号，每一条扫描行采样864个样本；对NTSC制的亮度信号，每一条扫描行采样858个样本。对所有的制式，每一扫描行的有效样本数均为720个。每一扫描行的采样结构如图所示。ITU－RBT601的亮度采样结构（四）ITU－RBT601标准摘要

ITU－RBT．601用于对隔行扫描电视图像进行数字化，对NTSC和PAL制彩色电视的采样频率和有效显示分辨率都作了规定。表3－1给出了ITU－RBT．601推荐的采样格式、编码参数和采样频率。（五）CIF、QCIF和SQCIF为了既可用625行的电视图像又可用525行的电视图像，国际电报电话咨询委员会规定了称为公用中分辨率格式1/4公用中分辨率图像格式和格式，具体规格如表所示。

第四节数字图像处理系统硬件结构

一、面向图像帧存的图像处理系统

一般的面向图像帧存的图像系统硬件结构的框图二、面向计算机内存的图像系统

图示的是目前通用数字图像处理系统广泛采用的结构形式，这是一种面向计算机内存的图像处理系统。

面向计算机内存的图像硬件系统结构也有多种形式，一种带硬件处理的面向计算机内存的图像处理系统结构如图3－28所示。图3－28有硬件处理的面向计算机内存的图像系统结构三、基于DSP的图像处理系统

DSP组成的数字图像处理系统的优点：1.电路结构简单2.图像处理算法丰富3.体积小基于DSP的图像处理系统基本方框图第五节图像种类与属性

一、图像的种类在计算机中，静态图像可分两种表达方式：一种是矢量图（vectorbasedimage）一种是位图（bitmappedimage）

矢量图的优点是：

1.图像文件数据量小2.图像的缩小放大3.图像不失真4.目标图像的移动、拷贝、旋转可以很容易的做到

位图同矢量图的比较：位图获取方式比较容易，显示速度快，容易进行复制，变形等操作。而矢量图相比容易进行绘制。两者之间可以通过程序软件进行转化，其中矢量图转换成位图可采用光栅化技术，点位图转化为矢量图采用跟踪技术。

位图还分灰度图（gray-scaleimage）和彩色图（colorimage）。一般由黑白视频源采集到图像为灰度图。根据灰色的程度，可分为若干个等级。彩色图像是由RGB三基色来描述，这三种颜色可合成任何颜色。二、分辨率

在计算机中的图像分辨率实际有两种：一是图像显示分辨率二是图像分辨率图像显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。三、像素深度

像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。四、真彩色、伪彩色与直接色

真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度。伪彩色所显示的图像不是原来每个基色分量的数值直接决定的，而是通过一种变换而获得要显示的图像的R，G，B值所产生的彩色。直接色是R，G，B分量作为单独的索引值，通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色图像。第六节图像文件格式

一、BMP文件格式BMP位图文件是由4个部分组成，如表所示：

位图头文件：在Windows3.0以上版本的位图文件中用BITMAPFILEHEADER数据结构进行定义它包含有关于文件类型、文件大小和存放位置等信息。位图信息头：用BITMAPINFOHEADER数据结构定义，它包含有位图文件的大小、压缩类型和颜色格式。

调色板：对于24位真彩色图像就不使用调色板，因为位图中的RGB值就代表了每个像素的颜色。

位图数据：紧跟在调色板之后的是图像数据字节阵列，用BYTE数据结构。二、GIF文件格式

GIF图像文件格式是CompuServe公司开发的图像文件存储格式，其目的是在不同的系统平台上交流和传输图像。

GIF文件结构

数据块可分成3类：1.控制块（controlblock）2.图形描绘块（Graphic-Rendering）3.专用块（SpecialPurposeBlock）

控制块：控制块包含有用来控制数据流（DataStream）或者设置硬件参数的信息。其成员包括：1.GIF文件头（Header）2.逻辑屏幕描述块（LogicalScreenDescriptor）3.图形控制扩展块（GraphicControlExtension）4.文件结束块（Trailer）

图形描绘块：包含有用来描绘在显示设备上显示图形的信息和数据其成员包括：1.图像描述块（ImageDescriptor）2.无格式文本扩展块（PlainTextExtension）

特殊用途数据块：包含有与图像处理无关的信息其成员包括：1.注释扩展块（CommentExtension）2.应用扩展块（ApplicationExtension）三、JPEG格式

JPEG2000的优势（1）高压缩率（2）同时支持有损和无损压缩（3）实现了渐进传输(4)支持感兴趣区域压缩

JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记。在JPEG文件存储格式中，每一个标记都是JPEG文件的一部分，因此JPEG文件实际上就是由以下的8个部分组成。

（1）SOI0xD8图像开始（2）APP00xE0JFIF应用数据块（3）APP