CH1图像与数字图像通信

CH1图像与数字图像通信第一页，共68页。教材及参考资料郭宝龙编，电子工业出版社蔡安妮等编著，电子工业出版社第二页，共68页。参考资料（美）比奇（Beach，A.）著，田尊华，程钢

译,/2009-03-01，电子工业出版社杨高波编，电子工业出版社第三页，共68页。美A.H.萨达卡著，科学出版社第四页，共68页。第

1

章图像与数字图像通信1.1图像及其特点

1.2图像的分类及表示方法

1.2.1图像的分类

1.2.2图像的表示方法1.3图像通信系统的基本构成

1.3.1模拟图像通信系统的组成

1.3.2数字图像通信系统的组成第五页，共68页。第

1

章图像与数字图像通信（续）*1.4图像处理系统及外围设备

1.4.1图像处理的输入设备

1.4.2图像处理的输出设备

1.4.3图像数据的存储设备1.5图像通信的发展历程*1.6图像通信的发展方向第六页，共68页。第

1

章图像与数字图像通信（续）1.7图像信息的接受与质量测度

1.7.1人眼的构造

1.7.2视觉特性

1.7.3视觉模型

1.7.4图像的质量测度

第七页，共68页。1.1图像及其特点通常我们将图像分成两部分来理解，即“图”和“像”。图（picture或graphic）表示用手描绘或用摄影器材拍摄得到的人物、景物等的相似物；而像（image）表示直接或间接得到的人或景物的视觉印象。图像是当光照射在客观存在的物体上，经其反射或透射；或由发光物体本身发出光能量，在人的视觉器官中重现出的物体的视觉信息。第八页，共68页。和听觉信息相比，视觉信息及图像信息具有一系列的优点：更直观和确切高效率性与多种业务的结合能力由于图像信息具有这一系列优点，所以传送、接收图像信息的图像通信方式，得到了较快的发展。第九页，共68页。1.2图像的分类及表示方法1.2.1图像的分类1.按照图像信号的传输方式分类模拟图像数字图像2.按照图像的存在形式分类实际图像抽象图像:函数f(x,y)，f(m,n)

第十页，共68页。3.按照图像的光谱特性分类二值图像灰度图像彩色图像4.按照图像是否随时间而变化分类活动图像：视频静止图像第十一页，共68页。图像的分布函数表示A是视觉对象的辐射能量；λ是波长；E(λ)代表波长为λ的单位辐射能量所产生的等效亮度，称为亮度敏感函数。第十二页，共68页。对于彩色图像,通常可按照三基色原理分解为红、绿、蓝三个单色分量图像，即A是视觉对象的辐射能量，E代表波长为ƛ的单位辐射能量所产生的等效亮度，称为亮度敏感函数。第十三页，共68页。1.2.2图像的表示方法对于一幅实际图像，在空间和亮度上的取值都是受限的，即满足：

第十四页，共68页。

这一性质，叫作图像的有界性和非负性。第十五页，共68页。数字图像可以用一个二维序列表示：第十六页，共68页。

可以表示为一个M行N列的矩阵：第十七页，共68页。1.3图像通信系统的基本构成1.3.1模拟图像通信系统的组成图1-1模拟图像通信系统第十八页，共68页。模拟图像通信系统的组成在图像通信系统中，信息源变成图像信息源，作用是进行光电变换后得到图像信息，完成光电变换的设备也称为图像通信系统的输入设备。第十九页，共68页。信号的接收器即信宿，充当图像系统信宿的大多是图像显示器，显示被复原的图像，也称之为图像的输出设备。调制器完成频谱变换的作用，使图像信号更适合于在信道中传输。常用的调制方式为残留边带调制和调频。第二十页，共68页。1.3.2数字图像通信系统的组成

第二十一页，共68页。数字图像通信系统的组成

与模拟图像通信系统相比，数字图像通信系统增加了信源编码器、信源解码器、信道编码器和信道解码器。信源编码包括三个过程，抽样、量化和编码。

第二十二页，共68页。一幅数字图像所占的总数据量，由其总像素数和表示每个像素的灰度所需的二进制位数(即比特数)决定。图1-3所示的就是两幅数字图像。第二十三页，共68页。第二十四页，共68页。数字图像通信系统与模拟通信系统相比，具有一系列的优点，比如，不会引起长途传输多次中继导致的噪声积累，有利于压缩编码，适宜于多种抗干扰编码技术，易于保密通信，易与计算机联网等.但也有一定的缺点，即占用信道频带较宽。第二十五页，共68页。通过以上分析，我们发现，数字图像所占的数据量大，需要对图像信号进行压缩，降低数码率，以利于图像的传输和存储。这是图像通信领域中需要解决的主要问题之一。第二十六页，共68页。*1.4图像处理系统及外围设备图1-4图像处理系统的构成第二十七页，共68页。1.4.1图像处理的输入设备将景物或模拟图像转换为数字图像，是计算机处理、编码和传输中首先要解决的问题。这一任务是由图像的输入设备完成的。常用的输入设备有摄像机、照相机、各种扫描器（仪），以及光敏二极管矩阵图像传感器等。第二十八页，共68页。1.4.2图像处理的输出设备

图像的输出通常有两种基本形式，即永久性输出和暂时性输出。永久性输出是在纸张、胶片或其他记录介质上通过永久地改变记录介质的光吸收特性而产生的硬拷贝；暂时性输出是在显示屏上产生一个暂时的图像。第二十九页，共68页。图像的输出设备有：监视器、激光扫描器、打印机、投影仪、平板显示器和传真机等。其主要的性能指标包括：输出图像尺寸、光学分辨率、输出校准及频率响应等。常用的图像存储设备有磁盘、磁带和光盘以及半导体存储器件等。第三十页，共68页。1.5图像通信的发展历程在图像通信的历史发展过程中，先后出现了多种图像通信方式，例如传真、广播电视、可视电话、会议电视等，下面分别进行介绍。第三十一页，共68页。传真把文字、图表、照片等用纸记录的静止图像，通过光电扫描方法变换为电信号，经传输后在收端以硬拷贝方式得到和发端原图相类似图象的通信方式称为传真。第三十二页，共68页。首先将需要传真的文件通过光电扫描技术将图像、文字转化为采用霍夫曼编码方式的数字信号，经V.27、V.29方式调制后转成音频信号，然后通过传统电话线进行传送。接收方的传真机接到信号后，会将信号复原然后打印出来，这样，接收方就会收到一份原发送文件的复印件。

第三十三页，共68页。总结一下就是:

发送时:扫描图像---->生成数据信号---->对数字信息压缩---->调制成模拟信号---->送入电话网传输

接收时:接收来自电话网的模拟信号---->解调成数字信号---->解压数字信号成初始的图像信号---->打印。第三十四页，共68页。传真图像通信最早实验成功是在1865年法国巴黎和里昂之间的传真通信，早于1876年美国贝尔发明电话的时间。1925年，美国开始使用照片传真，到20世纪60年代，出现了一类机（G1），在一个话路上传输一份ISO标准的A4（210mm×297mm）纸张约需6分钟。到20世纪70年代出现了将传输时间缩短为3分钟的二类机（G2）。第三十五页，共68页。传真1980年8月，CCITT通过了有关三类机（G3）的国际标准建议，由于采用了压缩编码，传输时间压缩为15秒钟。1984年CCITT又通过了有关四类传真机（G4）建议，只需几秒。第三十六页，共68页。广播电视广播电视最早是1925年在英国实现的单色电视广播l936年英国广播公司(BBC)开始使用电视广播l940年实现了彩色电视的传输。此后，广播电视在全世界范围内广泛普及开来。第三十七页，共68页。可视电话1964年在美国纽约出现了最早的可视电话，20世纪70年代初，可视电话开始商品化，传输带宽为1MHz。后来，通过使用频带压缩技术，以及数据处理技术，使数码率降低到64kps和4.8kbps。近十几年来，可视电话的发展更加迅速，并开始结合多种业务形式。第三十八页，共68页。会议电视会议电视最早于1930年诞生在美国贝尔实验室。20世纪70年代中期，采用数字编码技术的会议电视系统得到了发展，相继建立了6.3Mbps和1.5Mbps的会议电视系统。1985年12月召开了一次连接墨西哥、美国、瑞典、阿根廷、希腊和印度等国家的全球电视会议，仅美国就有5万人参加会议。第三十九页，共68页。会议电视按照不同的网络特点划分，会议电视设备目前主要有H.320系统、H.310系统、H.321系统、H.322系统、H.323系统和H.324系统六种类型。目前较为实用的是用于N-ISDN的H.320系统和用于分组网的H.323系统。第四十页，共68页。除此之外，图文电视（Teletext）、可视图文（Videotex）、电缆电视（CATV）等图像通信形式也广泛应用于国民经济的许多领域和人们的日常生活中。第四十一页，共68页。同时，随着大规模集成电路、多媒体技术和计算机网络的发展，图像通信也向着IP方向、无线方向和多媒体方向迈进。VOD视频点播系统、HDTV(HighDefinitionTelevision)高清晰度电视及交互式电视等新型图像通信方式正得到越来越深入的研究和发展。第四十二页，共68页。1.6图像通信的发展方向综上所述，图像通信正向着以下几个方向发展：1.提高硬件处理速度2.多种业务的集成化，进一步降低成本3.终端机趋向智能化4.传输方式趋向数字化5.新理论新算法的研究第四十三页，共68页。图像通信是植根于各种通信网的,因此图像通信的

发展方向必然要从属于通信网的发展方向。

1.向“多媒体”方向发展由于通信发展的多媒体趋势,终端设备要处理不同的信号,如图像、声音、文本等。多媒体通信是多媒体技术和通信的结合。近20年来,随着信息技术的发展,所有利用电子通信的信号都相继走上数字化,以至原来区分电话、电视、电脑的技术界线变得模糊,或基本消失。这样多媒体突破了计算机、电话、电视等传统产业的界线,把计算机的交互性、通信网的分布性和电视广播的真实性融为一体,向人们提供综合的信息服务。第四十四页，共68页。2.向“IP”方向发展宽带IP骨干网技术近年来经历了一个发展和演化的过程,从IPoverATM,IPoverSDH到IPoverDWDM。目前GbE(10GbE)格式己成为宽带IP首选方案,也已经开始用于WAN[8]。由于基于IP技术的Internet商业化的巨大成功,世界各国都将把Internet作为当前多媒体通信的主流,甚至作为未来宽带多媒体通信网络的第一阶段。因此,在以IP协议为基础的网络上开展图像通信业务将成为今后的主要发展趋势。第四十五页，共68页。3.向“无线”方向发展移动通信的发展将使移动用户超过固定用户,成为世界上用户最多的一种通信形式。移动通信从第一代的模拟移动网,发展到今天的第2代数字移动网,现在正向第3代宽带数字移动网(3G)迈进。3G的两个主要目标是高速优质的数据传输和承载多媒体业务。我国已经提出了关于3G的TD-SCDMA标准,在国际移动通信领域占有一席之地,为我国图像通信无线方向奠定了坚实的基础第四十六页，共68页。图像通信经过几十年的发展,主要取得以下进展:首先,图像压缩编码理论方法和技术实现已经达到实用水平。基于运动补偿/帧间预测熵编码的经典压缩方法因其压缩比高、重建图像质量好、算法的VLSI实现可行,已被许多国际标准所采用。同时,矢量量化、子带编码、模型编码、基于图像内容的编码等各种新的图像编码方式不断取得新的突破。第二,国际标准化问题已经得到解决,图像压缩标准体系正在形成。第三,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,目前市场上多种通用的图像处理芯片问世。最后,宽带数字通信网络正在形成。这些都为图像通信带来了机遇,极大地推动了图像通信的发展。第四十七页，共68页。图像通信虽然取得了巨大的成就,但也面临着巨大的挑战：一是高质量的图像压缩编码算法,特别是在现有的图像压缩国际标准下,最优的图像编码方法,如最优的运动估计、自适应量化、码率控制、传输缓存等。二是高速的智能的通信网络建设。三是接入网“最后一公里”问题的解决。这也是图像通信产业发展面临的研究课题。第四十八页，共68页。1.7图像信息的接受与质量测度对于大多数图像通信系统，图像的最终接受对象是人。人们利用其视觉系统对图像的观察和理解获取图像中的信息。因此，我们把人的视觉过程用一个简单的数学模型表述出来，用这个模型描述主要的视觉特性，进而研究人的视觉机构及视觉特性，在研究视觉特性的基础上，研究图像与视觉之间的对应关系，同时了解图像的质量评价方法。第四十九页，共68页。1.7.1人眼的构造从解剖学上看，眼睛是将外部的景物转换为视觉信号的最为重要的器官。除了眼睛，人的视觉系统还包括视神经联络通路、外侧膝状体和视觉皮层三个部分，而这三部分位于大脑内部，主要完成视觉信号的传输和处理。第五十页，共68页。人眼的构造从物理的角度，眼睛就是一个由角膜、晶状体和视网膜等构成的光学成像和光电转换系统景物由瞳孔通过相当于双突透镜的晶状体在视网膜上成像，然后由视网膜中作为光传感器的视细胞转换为视觉信号。第五十一页，共68页。人眼的构造第五十二页，共68页。1.7.2视觉特性1.眼的适应性人眼的适应性包括暗适应性和亮适应性。人眼还存在着对比现象。第五十三页，共68页。视觉特性2.对比灵敏度大量的实验表明，视觉系统很难正确判断亮度的绝对大小。但是当判定两个亮度中何者较大时，视觉系统有较好的能力，也就是说，人眼具有较好的对比灵敏度。第五十四页，共68页。视觉特性3.人眼的空间分辨力和时间分辨力空间分辨力指人眼区分相邻的两个发光点的能力。从空间频率域上看，人眼视觉呈现低通特性。时间分辨力指人眼对于随时间而变化的目标的分辨能力。从时间频率域上看，人眼视觉也呈现低通特性。第五十五页，共68页。视觉特性4.马赫（Mach）效应当亮度发生跃变时，视觉上会感到边缘的亮侧更亮些，而暗侧更暗些，称此现象为马赫效应。第五十六页，共68页。马赫（Mach）效应第五十七页，共68页。视觉特性5.可见度阈值可见度阈值是指正好可以被看到的干扰值，低于该阈值的干扰是觉察不出来的。测量发现，在边缘的亮、暗两侧情况相似，即临近边缘处的可见度阈值比远离边缘处增加3~4倍。这就是说，边缘“掩盖”了边缘邻近像素的信号干扰。这种效应称为视觉掩盖效应。第五十八页，共68页。可见度阈值应注意不要将马赫效应与掩盖效应相混淆，前者是指边缘两边亮度分别有更亮和更暗的感觉。可见度阈值和掩盖效应对图像编码量化器的设计有重要作用，利用这一视觉特性，在图像的边缘区域可以容忍较大的量化误差，因而可使量化级减少些，从而可降低数码率。第五十九页，共68页。1.7.3图像的质量测度

图像质量的含义包括两方面：图像的保真度（Fidelity）和理解度（Intelligibility）。保真度是指一幅图像与参考图像之间的相似程度，反映图像传输和处理性能的优劣；理解度则指图像与人们的某种目的的符合程度。第六十页，共68页。图像的质量测度图像质量的评价方法可以分为主观法和客观法。主观法是由观察者根据一些事先规定的尺度，对图像的质量进行评价。主观法的测试结