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1、中国矿业大学信电学院,第一章 图像与数字图像通信,主要内容,1.1 图像及其特点 1.2 图像的分类及表示方法 1.3 图像通信系统的组成 1.4 图像处理系统 1.5 人眼的视觉特性 1.6 图像质量的评估标准及方法 1.7 图像通信的关键技术 1.8 色度学基础及颜色模型,1.1 图像及其特点,图像定义 图像是当光辐射能量照在物体上，经过它的反射或透射，或由发光物体本身发出的光能量，在人的视觉器官中所重现出的物体的视觉信息。,大多数图像是源于自然景物，其原始形态是连 续变换的模拟量，是连续的模拟信号。,1.1 图像及其特点,图像特点 信息量大。“百闻不如一见”，一幅图像中所蕴含的信息量巨大
2、 直观性强。“耳听为虚，眼见为实”。一般的自然景物图像，不需特别的学习即可理解 图像信息具有一定模糊性。同一幅图像，不同人观看，或同一个人不同时刻观看会有不同的理解，即情感信息，无法用概率模型来表示。图像的实体化和形象化。比如传真、远程图像监控、会议电视、“千里眼”等。,1.2 图像的分类及表示方法,按传输方式模拟图像：空间和亮度上连续取值的图像数字图像：空间和亮度上离散的图像,按光谱特性二值图像：图像中像素的取值只有两种灰度图像：图像中像素取值只有一个亮度值彩色图像：多光谱图像，图像中每个像点有多 于一个的局部性质,按是否随时间变化活动图像：随时间变化的图像静止图像：不随时间变化的图像,图像
3、的分类,数字图像,用计算机进行图像处理的前提是图像必须以数字格式存储，我们把以数字格式存放的图像称之为数字图像。数字图像的获取:,获取模拟图像 数字图像(如扫描仪),抽样量化,直接获取数字图像(如数码相机，数码摄象机),物理图像及对应的数字图像,数字图像是以像素像素定义的，且像素作为保存图像的最小单位，都定义有一个灰度值。一幅MN个像素的数字图像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵G表示：,同于书上第3页的式（1-6）,图 数字图像,问题：每个像素的取值定义为？,灰度,灰度,表示光的强度的数量量度。强度大为白色，强度弱为黑色，中间的强度表现为灰色。光强量化到256级，0对应黑色，255对应白色
4、（归一化：0对应黑色，1对应白色）,灰度图像：是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，无彩色信息，通常划分为0255共256个级别，0最暗（全黑），255最亮（全白）。,彩色/灰度/二值图像,灰度图像描述示例,彩色/灰度/二值图像,彩色图像：是指每个像素的信息由RGB三原色构成的图像，其中RGB三个分量是由不同的灰度级（人为地分为0255共256个等级）来描述的。RGB各种不同的组合可以表示出256*256*256（约1600万）种颜色（真彩色）。,彩色图像描述示例,二值图像：图像的每个像素只能是黑（像素值为0）或者白（像素值为1）。,彩色图像灰度图像,使用下面的转换公式：grays
5、cale:I=0.299IR+0.587IG+0.114IB,灰度图像彩色图像,使用不同的颜色(different in hue)来表示灰度图像中不同的图像特征（image features）。,图像信号的数学表达式：,I=f(x,y,z,t)I表示空间某像素点灰度（亮度）I为正值，且有界，0 I Imax(x,y,z)表示成像目标的空间坐标 t 表示时间坐标 表示光的波长,当z=z0 时，表示二维平面图像。当t=t0 时，或I与t无关时，表示静态图像。当为定值时，表示单色图像。,1.2 图像的分类及表示方法,1.2 图像的分类及表示方法,二维函数f(x,y)，用于表示单幅图片（静止图像），其
6、中，x,y是空间坐标，f(x,y)是点（x,y）的幅值三维函数f(x,y,t)，用于表示多帧图片（动态图像），其中，x,y是空间坐标，t是时间，f(x,y,t)是t时刻点（x,y）的幅值,灰度图像表示方法（=0）,根据三基色原理，彩色图像信号为：,I=IR+IG+IB,式中：IR=fR(x,y,z,R,t)IG=fG(x,y,z,G,t)IB=fB(x,y,z,B,t),其中R,G,B 为3基色波长。,1.3 图像通信系统的组成,分为模拟系统和数字系统两种。,1.模拟图像通信系统的组成框图,图像信息源,调制器,信道,解调器,噪声,显示器,图像信源是以一定扫描方式产生电信号。,2.数字图像通信系
7、统的组成框图,图像信息源,信源编码器,信道编码器,调制器,信道,解调器,信道解码器,信源解码器,显示器,预处理,噪声,后处理,信源编码器进行压缩编码，减少信息数据量。信道编码器是为了提高信息在信道上传输质量，减少误码率而采用有冗余编码。,数字图像通信系统的优点,可以多次中继传输而不致引起噪声的严重积累有利于采用压缩编码技术易于与计算机技术结合，实现图像、声音、数据等多种信息内容的综合视听通信业务可采用数字通信中的信道编码技术，以提高传输中的抗干扰性能易于采用数字方法实现保密通信，实现数据隐藏采用大规模集成电路，可以降低功耗，减小体积、重量，提高可靠性，降低成本，便于维护,1.4 图像处理系统,
8、图像输入,图像处理和分析,图像通信,图像存储,图像输出,数字图像处理硬件系统,图像输入装置：如扫描仪、数码相机，电视摄像机等任务:要图像转换为适于计算机处理的数字图像数据,1.图像输入装置,扫描仪:,分类:手持式扫描仪 平板式扫描仪 滚筒式扫描仪,2.图像输出装置：如打印机，显示器等任务：将数字图像重新转换成输出的灰阶图像或彩色图像,图像 硬输出(硬拷贝):在某种介质上能长期保存输出结果 如：打印机、胶片记录仪、绘图仪、图像定位仪等输出 软输出(软拷贝):设备上显示的图像在设备关机后即设备 消失。如：高分辨率/液晶/等离子体显示器,3.图像处理装置：如计算机进行图像处理的PC机配置尽可能高一些
9、，有条件最好采用图形工作站进行处理。,4.图像存贮装置：图像数据量庞大，早期其存储成为问题。到目前为止，除了大容量磁盘可供存储图像数据之外，MO、CD、DVD等光学存储装置以及SAN、NAS等网络存储系统，为存储海量图像数据提供了极好的支持。,数字图像处理软件系统,DOS平台,98/2000系统下,编程软件：VC+，Matlab等,商业软件：如画图软件、Adobe公司的PhotoshopPremiere等,1.5 人眼的视觉特性,人眼通过视觉接受图像。景物由瞳孔通过相当于双凸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。,1.5 人眼的视觉特性,眼的适应性 对比
10、灵敏度 人眼的空间分辨力和时间分辨力 马赫Mach效应,1.眼的适应性,人类视觉系统能适应的亮度范围是非常大的，从最暗到最亮可达1010数量级。,但人类视觉系统并不能同时工作于这样大亮度范围。,亮度适应级：在一定条件下,人视觉系统当前敏感度。人眼在某一时刻能感受主观亮度范围为以此亮度适应级为中心的一个小范围。暗光适应：从亮到暗的适应过程，需1030s。亮光适应：从暗到亮的适应过程，需12s。,亮度适应能力,1.眼的适应性,同时对比度,对于同一物体，由于所处背景不同亮度不同，即使采用相同亮度刺激，人眼对其所感受主观亮度是不一样的。此效应叫同时对比度。由于同时对比由亮度差别引起，又称亮度对比。,色
11、度对比是由色度差别引起的。,2.对比灵敏度,反映人眼刚能区别亮度差别能力,给定一个均匀照明的足够覆盖整视野平面，光源强度为I且可以变化，现在加一照度增量I，为了使人能感觉到平面中间像有1个圆形亮斑的变化。,I不够亮，则表示无感知变化；I够亮，则表示有感知变化。,I/I 称为对比灵敏度。韦伯比：令I50为对给定背景亮度有50%机会能感知变化的照度增量，即I50表示眼睛刚能分辨出的照度差，则量I50/I称为韦伯比。通常韦伯比为一常数,约等于0.02。,3.视觉系统的分辨率,定义：对于空间上或时间上两相邻的视觉信号，人们刚能鉴别出二者存在的能力称为视觉系统的分辨率。,空间分辨率：人眼区分相邻两个发光
12、点的能力。通常用能够分辨两个发光点之间的最小视角表示。时间分辨率：人眼对于随时间变化目标分辨能力。人眼亮度感觉不会随着观察物体亮度消失而立即消失，称为视觉惰性。当离散画面重复频率不小于24Hz时，形成连续活动画面；若小于24Hz，则出现闪烁感觉。,4.马赫(Mach)带效应针对亮暗分界部分,Mach带：人们在观察一条由均匀黑和均匀白的区域形成的边界时，往往感觉到在亮度变化部位附近的暗区和亮区分别存在一条更黑和更亮的条带，这就是Mach带。,1.6 图像质量的评估标准及方法,1、图像质量的含义,一个是图像的逼真度。即被评价图像与原标准图像的偏离程度。一个是图像的可懂度。即图像能向人或机器提供信息
13、的能力。,2、图像质量的主观评价,定义：图像的主观评价就是通过人来观察图像，对图像的优劣作主观评定,然后对评分进行统计平均，就得出评价的结果。,分类：绝对评价：是由观察者根据一些事先规定的评价尺度或自己的经验，对被评价图像提出质量判断。某些情况下，也可提供一组标准图象作为参考。如双刺激连续质量分级法。相对评价：对一组图像进行相互比较得出好坏并给出评分。如单刺激连续质量分级法。,国际上通行的5级评分的质量尺度和妨碍尺度,2、图像质量的客观评价,对于数字图像，降质图像与理想图像的逼真度可定义为均方误差值 表示：,其中 为待评价图象；为参考图象。,、表示图像尺寸,对于数字图像，降质图像与理想图像的逼
14、真度可定义为信噪比表示：,信噪比SNR：,待评价图像的平均功率,峰值信噪比PSNR,1.7 图像通信的关键技术,图像信号的数字化图像压缩编码技术网络传输技术图像编码的国际标准DSP技术,1.图像信号的数字化,模拟信号转化为数字信号：采样和量化采样和量化的过程影响数字图像的质量,图像采样与数字图像的质量,图像通信的关键技术,图像采样与数字图像的质量,图像通信的关键技术,图像采样与数字图像的质量,图像通信的关键技术,图像量化与数字图像的质量,图像通信的关键技术,2.图像压缩编码技术,用图像固有的统计特性，以及视觉生理、心理学特性，或者记录设备和显示设备等的特性，从原始图像中经过压缩编码提取有效信息
15、，尽量去除无用的或用处不大的冗余信息，以便高效率的进行图像的数字传输或存储，而且在复原时仍能够获得与原始图像相差不多的复原图像。,图像传输与存储需要的信息量空间：,如一部90分钟的彩色电影，每秒放映24帧。把它数字化，每帧512512像素，每像素的R、G、B三分量分别占8bit，则总比特数为 90602451251238bit=97,200M。如一张CD光盘可存600兆字节数据，这部电影光图像（还有声音）就需要160张CD光盘用来存储。因此，传输带宽、速度、存储器容量的限制使得对图象数据进行压缩显得非常必要。,3.网络传输技术,网络传输技术是影响图像通信效果的关键因素之一传输网络数字调制技术,
16、4.图像编码的国际标准,技术的标准化对技术的研究、发展和产业化起了巨大的推动作用JPEG标准H.26x系列标准MPEG系列标准,各种编码标准的主要技术和应用目标,5.DSP技术,在数字图像通信中，有大量的数字信号处理工作要完成，而且往往要求在很短时间内甚至是实时地完成，这些问题地解决，要依靠高速DSP技术的支持，同时也促进了DSP技术朝着高速、并行和多媒体信号处理的方向发展。,1.8 彩色基础及模型,1.色度原理,人类的彩色感觉具有两个属性：亮度和色度。亮度指被感知光的明亮度。色度指被感知光的颜色和深浅程度。包含两个属性特征：色调和饱和度。亮度（Intensity）照射光越强，反射光也越强，看
17、起来越亮。亮度是非彩色属性，彩色图像中亮度对应于黑白图像中灰度。,注意：不同颜色的光，强度相同时照射同一物体会产生不同亮度感觉。,色调（Hue）色调是一种或多种波长的光作用于人眼所引起的彩色感觉。,色调描述纯色的属性，如纯黄色、橘色或红色。,饱和度（Saturation）,饱和度是颜色的纯度（即惨入白光的程度）或颜色的深浅程度。饱和度的深浅与色光中白光成分多少有关。对于同一色调彩色光，饱和度越深，颜色越纯，加入白光成分越少。,2.彩色混合的三基色原理,图像的三基色,在计算机上显示一幅彩色图像时，每一个像素的颜色是通过三种基本颜色（即红、绿、蓝）合成的，即最常见的RGB颜色模型。国际照明委员会（
18、CIE）规定以700nm(红)、546.1nm(绿)、435.8nm(蓝)三个色光为三基色。又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以通过选用这三基色按不同比例混合而成。,混色模式：分两类：,增色模式（相加混色）RGB三基色应用在相加混色中。如R+B=M（紫）、B+G=C（青）、R+G=Y（黄）。减色模式（相减混色）CMY（紫黄青）基色应用于相减混色中。如白光减去紫色表现为绿色。,图像的彩色模型,分类：面向诸如视频监视器、彩色摄像机之类的显示硬 件设备：RGB模型 面向以彩色处理为目的的应用：HSI模型 硬拷贝设备，如打印机，印刷工业：CMY色彩系统 电视传播系统：YUV色彩系统 数字电视系统以
19、及图像、视频压缩标准：YCbCr色彩空间,RGB加色混合色彩模型,该模型中各种颜色都是由红、绿、蓝三基色以不同比例相加混合而成。C=aR+bG+cB（C为任意彩色光）,RGB模型是基于笛卡儿坐标系统的。RGB模型用三维空间中的一个点来表示一种颜色。每个点有三个分量，分别代表该点颜色的红、绿、蓝亮度值，亮度值限定在0,1。,RGB模型单位立方体,灰度线，从黑到白的灰度值分布在此线上,黑色：坐标（0,0,0），任一基色均没亮度,白色：坐标（1,1,1），三基色达最高亮度,紫色,CMY减色混合色彩模型,CMY表色系统是通过青色（Cyan）、深红色（Magenta）和黄色（Yellow）三种颜色基于相
20、减混合来产生其他颜色的，称这种方式为减色合成法(Subtractive Color Synthesis)。,CMY是RGB三基色的补色。CMY与RGB存在关系：,CMY使用时相当于从白光中减去某种颜色。如青色是从白光中减去红色。,YIQ和YUV模型应用于传输彩色电视信号,在这两个模型中，Y表示亮度（强度）。Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息。,世界上三种不同电视制式系统：PAL系统：大多数西欧国家和包括中国以及中东的亚洲国家NTSC系统：北美和包括日本在内部分亚洲国家和地区SECAM系统：前苏联、东欧、法国以及一些中东国家,YIQ模型用于NTSC系统；YUV模型用于PAL系统。I、Q分量和U、V分量都表示色度和饱和度。,电视信号在发射时，将RGB信号转换成YUV形式，接受时再将YUV形式信号还原成RGB三基色信号，由显像管显示。,RGB与YUV之间的对应关系,RGB与YIQ之间的对应关系,I和Q分量是U和V分量旋转33度后的结果。,YCbCr彩色空间,Y指亮度,与YIQ和YUV的Y相同Cb和Cr由U和V调整得到用于数字电视、压缩标准采用的彩色空间与YUV表色系统不同的是它充分考虑了色彩组成时RGB三色的重要因素。YUV考虑的是简单，YCbCr考虑的是压缩时可以充分取出冗余量。,YCbCr彩色空间,RGB到YCbCr的转换,YCbCr 到RGB的转换,谢谢,
