图像技术应用基础

图像技术应用基础3-1视觉特性视觉灵敏度人眼对不同波长的光所呈现的视觉感知是不同的，而且因人而异。为了了解人眼的视觉特性，因此国际照明委员会（CIE）特推荐标准视度曲线（人眼视觉光谱灵敏度曲线）光度测量参数

当描述光源的照明效果时，由于无法直接用辐射光功率来描述，因此实际中是使用两套参数来分别描述辐射光和照明光。前者与人眼的视觉特性无关，而后者则考虑了人眼的视觉特性。辐射功率和辐射强度发光强度、亮度和照度光通量与发光强度亮度与照度彩色视觉和立体视觉彩色的概念在自然界中，当阳光照射到不同的景物上时，所呈现的色彩不同，这是因为不同的景物在太阳光的照射下，反射（或透射）了可见光谱中的不同成分而吸收了其余部分，从而引起人眼的不同彩色视觉。彩色视觉从视觉的角度描述彩色的过程中会用到亮度、色度和饱和度三个术语。亮度表示光的强弱；色度是指彩色的类别，如黄色、绿色、蓝色等；饱和度则代表颜色的深浅程度，如浅紫色、粉红色。色调与饱和度又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色类别，又表示颜色的深浅程度。尽管不同波长的光波所呈现的颜色不同，但我们会经常观察到这样的现象。由适当比例的红光和绿光混合起来，可以产生与黄单色光相同的彩色视觉效果。又如日光也可以由红、绿、蓝三种不同波长的单色光以适当的比例组合而成。实际上自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光混合而成，因而人们称红、绿、蓝为三基色。经过大量的验证测试，人们认识到视网膜上有三种类型的锥状细胞，它们各自的光谱灵敏度曲线立体视觉立体视觉一般分为双眼视觉和单眼视觉。双眼视觉是指双眼同时观看一个空间景物时所形成的立体视觉；单眼视觉是指单眼观看景物时所产生的立体感觉人眼的分辨力与空间频率

人眼的分辨力究竟有多高，可用何种方法对其进行描述，一直是人们非常关注的问题。经过长期的研究发现，将人眼等效为一个空间频率滤波器，这样在考虑到分辨力与照度、对比度和噪音等方面影响的同时，便可以利用滤波器的频率特性来表示人眼的分辨力。可见空间频率的概念在图像技术中具有很重要的地位。空间频率时间频率是用单位时间内的某物理量（如电压、电流）周期性变化的次数来定义的，单位为周/秒，其自变量为时间。而空间频率则是某物理量（如亮度、发光强度）在单位空间距离内周期性变化的次数，单位为周/米。人眼的空间频率响应实验研究发现，人眼对不同空间细节的分辨力是变化的，可用视觉空间频率响应曲线表示，如图3-4所示。图中横坐标为空间频率，即单位视角（1°）内所含黑白条数，而纵坐标则表示空间频率的传输特性（MTF）。0.10.31310301.00.3空间频率(线/mm)MTF从图中可以看出，人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。例如原有黑白相同的条纹，当它们距人眼一定距离时，仍能分辨出其黑白间的差别，但如果仍保持其条纹间的距离，只是将黑白条纹换成彩色条纹，此时便无法做出分辨。据资料显示，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此彩色电视系统在传输彩色图像时，细节部分可以不传送彩色信息，而只传送黑白信息，以此来节约传输频带资源。人眼的对比度特性图像的对比度与灰度对比度是指景物或重现图像的最大亮度Lmax与最小亮度Lmin之比，用符号C表示，即而画面的最大亮度与最小亮度之间所能分辨的亮度感觉级数称为亮度层次，也称为灰度。由于人眼的亮度感觉是相对的，即同一亮度在不同的环境亮度下给人的亮度感觉是不同的，因此当人们看电视时，在考虑到环境亮度后，电视图像的对比度为其中为环境亮度。人眼的对比度灵敏度特性亮度感觉在定义亮度时虽然考虑了人眼的光谱灵敏度，但实际观察景物时所获得的亮度感觉，并不仅由景物的亮度决定，而且与其所处的周围环境亮度有关。亮度感觉是指能分辨出不同的亮度层次。人眼视觉的对比度灵敏度人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅（如图3-6所示）明暗差别所需的最低对比度，称为分辨这一空间频率的临界对比度，用Cr表示。临界对比度的倒数1/Cr被称为人眼对于这一空间频率对比度灵敏度。由以上定义可知，临界对比度表示人眼在给定的亮度环境下所能区分景物的最小亮度差别，通常称这一最小亮度差别为一个亮度级（或灰度级）。视觉惰性与闪烁的概念视觉惰性当一个景物突然出现在眼前时，需经过一定的时间才能形成一个稳定的主观亮度感觉；同样当一个实际景物从眼前消失后，所看到的印象都不会立即消失，还会暂留一段时间，由此可见人眼亮度感觉的建立与消失都滞后于实际的光刺激，而且此过程是逐步的，这样一种现象就是视觉惰性。闪烁如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其重复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这种感觉就是闪烁，但当重复频率足够高时，闪烁感觉将消失，随之看到的是一个恒定的亮点。临界闪烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。它与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频率也相应地增高。3-2图像质量的评价

图像质量的评价方法有两种，即主观评价和客观评价影响图像质量的基本因素发送环境：照度和闪烁接收环境：室内照明、显示器、视距图像通信系统变换与反变换图像质量的主观评价主观评价是指观察者依据自己的感觉对图像质量进行评价，是一种最直观、最可靠的评价方法受到人的感觉和心理状态等的影响，即图像质量的最终评价与观察者心理因素有关图像的客观评价图像逼真度计量法数学公式会议电视系统的图像质量评价因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时、运动补偿3-3图像信号数字化3.3.1图像信号的表述连续图像信号转化为离散数字信号包括三大部分，即取样、量化和编码。取样又称为抽样，它是指图像信号空间离散化的过程。这时所选取的点就是取样点、抽样点或样点，也被称为像素。由此可见，一幅图像是由许多大小有限的像素组成，而且每个像素既是时间、空间的函数，同时又有其光学特性图像中的任何一个像素P通常可用8个物理量表示，即其中（x,y,z）表示像素的空间变量，L,H,S分别代表像素的亮度、色调和饱和度，R则表示图像的分辨率（即每一个像素面积在图像总面积中的比例，t是该像素产生上述物理量的时间。图像信号的频谱图像通信系统是一个二维信息系统，因此可以进行类似的定义，二维函数f（x,y）与其频谱F(μ,ν)的关系：从频率域上来观察图像时，大多数情况下其频谱多局限在一定的范围之内二维取样定理一个模拟信号f（x,y）的傅氏频谱为F(μ,ν),如果其水平方向的截止频率为Um,而垂直方向的截止频率为Vm，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为U0≥2Um和V0≥2Vm（水平间隔Δx≤1/(2Um),垂直间隔Δy≤1/(2Vm),就可以精确地恢复出原图像，这就是二维取样定理。3.3.2取样与二维取样定理其中如果图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以看出，抽样后的图像信号fp(x,y)的频谱是原频谱F(μ,ν)沿μ轴和ν轴分别以Δu，Δv为间隔无限地周期重复的结果只要Δu>2Um，Δv>2Vm

，抽样后的图像信号频谱就不会出现混叠。因此通常在进行取样之前，图像信号首先经过一个低通滤波器，使其成为一个限带信号。当以满足上述条件的取样间隔进行取样时，取样后的图像频谱不会出现混叠的现象，这样可以利用一个低通滤波器将原图像频谱滤出，从而可无失真地重建原图像，这就是二维取样定理，也称为二维奈奎斯特取样定理。亚取样当取样频率小于奈奎斯特取样频率时，通常称其为亚抽样。

即如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起失真？菱形亚取样量化与量化信噪比经过取样后所获得的图像是由一系列空间上离散的样值序列构成，每个样值是一个有无穷多个取值的连续变量。量化是指将具有无限多个取值的样值用有限个离散值来表示的过程，并且可以赋予不同的码字，从而成为真正意义上的数字图像。均匀量化时的信噪比非均匀量化时的量化信噪比编码每增加/减小1bit，就使量化信噪比增加/减小约6dB取样值的编码比特数n，直接决定图像的质量3.3.3量化与编码3.3.4取样、量化对图像质量的影响实际取样脉冲宽度的影响量化误差的影响量化误差所造成图像质量下降的主要原因有斜率过载、颗粒噪声、边缘忙乱和伪轮廓四种：斜率过载发生在图像灰度急剧变化的边界，正是由于此处灰度变化太大，即使使用最大的量化值，仍无法反映期间的变化，因此使图像轮廓变得模糊。颗粒噪声出现在图像灰度变化很小的区域，这时最小的量化间隔仍不足以反映其缓慢的变化过程，因此可能会在两个最小量化电平之间出现来回振荡的局面，造成解码后所恢复的图像中其灰度平坦区域出现颗粒状的细斑。边缘忙乱是指在变化不太快的边缘出现闪烁不定的现象。这是由于原始图像中存在噪声，它造成不同图像帧之间在同一像素位置产生的量化噪声不同，从而引起缓慢变化的边缘出现这种不确定的现象。伪轮廓发生在图像亮度缓慢变化的区域，此时预测误差较小，但实际系统中所采用量化间隔过大，则会在图像亮度缓慢增加或减小的区域，出现这种伪轮廓的现象。3-4电视技术基础3.4.1电视系统的组成电视是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行远距离传输，然后再还原为光图像的一门技术，其系统结构如图3-11所示。在发送端首先经过摄像设备，如摄像机，将景物进行图像分解，完成空时、光电变换（在后面介绍），然后送至信道进行图像信息的传送。在接收端再由显像设备，如显示器，对接收信号进行图像复合，还原成原图像，而其中的同步系统，则负责发送与接收数据之间的同步关系，这只是初略的划分，一般来说，整个电视系统主要由成像、电视信号形成、信号处理、传输系统、电视信号接收与显示等部分组成。3.4.2彩色电视信号的形成与传送原理电视信号的形成在实用电视系统中是采用扫描的方式来完成图像的分解与变换，即用时间的一维函数来代表像素信息的物理量，完成扫描功能的设备就是摄像机，如图3-11所示。在目前的电视系统中普遍使用电真空摄像器件，以此通过电子束扫描来实现光电转换，但随着CCD摄像机的不断投入使用，也可以利用各种脉冲数字电路来实现光电转换。电视系统的亮度方程彩色电视系统是按照三基色的原理而设计的，三基色原理告诉我们任何一种彩色都可以由另外的三种彩色按不同的比例混合而成。通常选择红、绿、蓝为标准的三基色，用这三个摄像管分别提取景物光学图像中的这三种彩色分量，以此来模仿人眼中的三种锥形细胞的视觉效果。这样便形成了彩色电视系统中的红、绿、蓝三个基色分量。彩色电视系统的设计应考虑到与已有的黑白电视系统的兼容问题:传输1个亮度分量和2个色差分量。另外还有2个色差信号U和V，U表示所传输的蓝基色分量与亮度分量的差值信号，而V表示所传送的红基色分量与亮度分量的差值信号，它们存在下述关系：如果系统是黑白电视系统，R=G=B=0,可以得出这样的结论，即U=V=0.如果系统是彩色电视系统，除了亮度之外，图像的色调和饱和度都是表示图像质量的重要参数，它们与U、V的关系如下：图像的色调=

图像的饱和度=为什么彩色电视系统不直接传送R、G、B信号，而传送Y、U、V信号？消除了相关性兼容性（彩色与黑白电视）彩色电视制式：PAL、NTSC、SECAM扫描——空间频率与时间频率的转换逐行扫描逐行扫描是指电子束按一行接一行的规律，从上到下的对整个一幅（帧）画面进行扫描的方式。人们将一个正程和逆程所用的时间称为扫描周期，用TH表示，由此可以得出行扫描频率（行频）fH：场扫描频率（场频）：场频与行频之间的关系：隔行扫描为了使人眼在观看连续图像时，无闪烁感觉，则要求场扫描频率高于临界闪烁频率，同时又能达到人眼对图像清晰度的要求，这就要求扫描行应在500行以上，这样需为其提供10MHz以上的频带。可见无论信道的利用率，还是设备的复杂程度都要求很高。为了减小图像信号所占用的带宽，可以通过降低场频来实现，但随之又会带来闪烁的问题，而降低扫描行数，又会使图像的清晰度下降。为了解决这一矛盾，人们采用隔行扫描方式。奇数场、偶数场电视信号的频谱特点与频道分配策略静止图像和活动图像频谱静止图像的频谱是由行频正弦波及其各次谐波构成的离散型线状谱，其频率成分可以用fn=nfH±mfv来表示，即行频及其谐波是以fH为间隔分布的，而且谐波次数越高，其振幅也越小。对于活动图像，由于行与行、场与场之间存在一定的相关性（相邻行、相邻场的内容变化不大），所以活动图像具有准周期性，其频谱分布结构基本不变，只是行频及其谐波两侧的谱线更密频谱交错原理和平衡正交调制频谱交错原理平衡正交调制频率分配策略分量电视信号的数字化ITU-RBT601建议，建议采用分量编码，亮度和色差信号的取样频率fY和fC分别为:其中fHNTSC和fHPAL分别代表NTSC制和PAL制中的行频。如果对亮度信号和色差信号进行量化，而且都采用8位码，那么三个分量信号数字化后的数据量为：3.4.3视频信息的数字化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)。图像子采样4:4:44:2:24:1:1