數(shù)字圖像處理第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)北郵出版社

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1、1,數(shù)字圖像處理與圖像通信 朱秀昌 劉 峰 胡 棟 北京郵電大學(xué)出版社,2,第2章 數(shù)字圖像基礎(chǔ),2.1 圖像信號(hào)的數(shù)字化 2.2 * 數(shù)字視頻信號(hào)和ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn) 2.3 圖像設(shè)備和器件 2.4 高速DSP,3,2.1 圖像信號(hào)的數(shù)字化,圖像信號(hào)的數(shù)字化:-- “三部曲” 連續(xù)（模擬）圖像離散（數(shù)字）圖像 取樣圖像在空間上的離散化的過(guò)程 量化取樣點(diǎn)灰度值的離散化的過(guò)程 標(biāo)量量化 均勻量化 非均勻量化 矢量量化 編碼用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示量化后樣值的過(guò)程,4,取樣和量化示例,5,,圖像的空間分辨率示例,6,圖像的灰度分辨率示例,7,,2.1.1 圖像信號(hào)的頻譜 一維信號(hào)f ( x

2、)的傅氏變換F ( f ) ：,,(2.1) (2.2),8,,二維圖像f(x,y)的傅氏變換(u,v) ： 實(shí)際二維圖像頻譜在頻率域上有界 景物的復(fù)雜性有限，“雪花”點(diǎn)似的圖像無(wú)實(shí)際意義 人眼、顯示器對(duì)空間復(fù)雜性（頻率）的分辨率有限度,,,(2.3) (2.4),9,2.1.2 取樣和二維取樣定理,(a) 原圖像連續(xù)空間,(b)數(shù)字圖像離散空間（像素）,10,1.二維取樣定理 回憶一維取樣定理。 模擬圖像信號(hào)f(x,y)的頻譜F(u,v)在水平方向、垂直方向的截止頻率分別為Um、Vm ，只要水平方向、垂直方向的空間取樣頻率 U0 Um ，V0 Vm ， （取樣點(diǎn)的水

3、平間隔、垂直間隔滿足x1/(2 Um)，y1/(2 Vm) ） 則圖像可被精確地恢復(fù)。 二維取樣定理由抽樣圖像恢復(fù)原圖像的必要條件。,11,取樣圖像的頻譜示例,圖2.1 取樣圖像的頻譜,12,取樣過(guò)程的空域分析,,用于取樣的沖激陣列,取樣后的圖像,(2.5),取樣后圖像連續(xù)圖像取樣陣列,(2.6),,,13,取樣過(guò)程的頻域分析,沖激陣列的頻譜,取樣后的頻譜,(2.7),,,,,,,,(2.8),(2.9),(2.10),14,,2. 從取樣圖像恢復(fù)原圖像 滿足取樣定理?xiàng)l件(各頻譜區(qū)域互不交疊) 用理想二維低通濾波器H(u,v)可完整地取出原圖像頻譜Fr(u,v),,,,,(2.14),

4、(2.11),(2.12),IDFT,恢復(fù)的圖像,15,用理想低通濾波器H(u,v)提取取樣圖像的基本頻譜F(u,v)的示意,16,3.亞取樣和混疊效應(yīng) 亞取樣 減少數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量； 亞取樣 取樣定理的條件不滿足 混疊。 取樣圖像頻譜的各次諧波發(fā)生混疊 濾波器不可能將原圖像的頻譜分量濾取出來(lái) 圖像的恢復(fù)中將會(huì)引入混疊失真 亞取樣要盡量減少頻譜混疊失真,17,實(shí)例：菱形亞取樣,18,,4.實(shí)際取樣脈沖效應(yīng) 實(shí)際取樣點(diǎn)陣列： 取樣點(diǎn)陣列不是理想函數(shù)，有一定的寬度 ； 取樣點(diǎn)陣列不是無(wú)限伸展的。 產(chǎn)生的影響： 取樣脈沖有寬度，重建圖像誤差產(chǎn)生高頻失真，頻譜按sinc函數(shù)衰減； 點(diǎn)陣非無(wú)限，圖像重建

5、時(shí)就會(huì)產(chǎn)生邊界誤差和模糊現(xiàn)象。 結(jié)果： 用理想低通濾波器不能無(wú)失真地恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)； 但只要滿足取樣定理，可用近似恢復(fù)出原模擬信號(hào)。,19,實(shí)際取樣脈沖效應(yīng)的分析 實(shí)際取樣脈沖陣列s(x,y)是截短函數(shù)陣列d(x,y)通過(guò)沖激響應(yīng)為p(x,y)的線性濾波器產(chǎn)生的：,,有限取樣 陣列,取樣后的圖像,(2.16),取樣后圖像連續(xù)圖像取樣陣列,(2.18),,,,(2.17),,DFT,,(2.19),有限取樣陣列,20,,,實(shí)際取樣脈沖的不理想對(duì)重建圖像的影響,Sa(u/2),Sa(u/2),21,,2.1.3 量化和編碼 1、數(shù)字化“三部曲”： 取樣，空間上被離散成為像素，像素值還

6、是連續(xù)變化量； 量化，將像素的連續(xù)值轉(zhuǎn)化為有限個(gè)離散值（均勻、非均勻量化）； 編碼，賦予量化后的像素值以不同碼字，形成數(shù)字圖像。 2、均勻量化：,,量化層數(shù)K取為用2的n次冪，即K=2n ； 像素值用n比特自然二進(jìn)制碼表示，形成PCM編碼； 通常圖像8比特量化，28=256，256個(gè)灰度等級(jí)。,22,,經(jīng)過(guò)取樣、量化和編碼以后，形成數(shù)字圖像,23,,例如： 圖像的某一樣本幅度（灰度）為127.2， 則量化為127， 可用二進(jìn)制長(zhǎng)碼 01111111（8比特）表示。 量化區(qū)間 量化步長(zhǎng) 判決電平 量化電平 量化誤差 量化噪聲,,,,24,,3.均勻量化誤差、量化噪聲、量化信噪比 （1）量化誤差：

7、e=真值量化值。 e 相當(dāng)于“噪聲”，“量化噪聲”。 （2）量化誤差的均方值 設(shè)：n比特PCM編碼，量化步長(zhǎng)為1/2n ，取樣值是均勻分布, 則可以證明：量化誤差的均方值 （3）量化信噪比,(2.21),,(2.20),可見：每抽樣的編碼比特?cái)?shù) n 直接關(guān)系到數(shù)字化的圖像質(zhì)量，每增減 1 比 特， 就使量化信噪比增減約6分貝。 一般應(yīng)用：電視廣播、視頻通信等，8 bit量化，已能滿足。 特殊應(yīng)用：高質(zhì)量靜止圖像、遙感圖像等，10比特以上精度。,25,2.2 數(shù)字視頻信號(hào)和ITU-R BT.601標(biāo)準(zhǔn),2.2.1 視頻信號(hào)的數(shù)字化 PAL/NTSC制模擬信號(hào)數(shù)字化，即A/D轉(zhuǎn)換 視頻信號(hào)的

8、數(shù)字化也包括取樣、量化、編碼 掃描體制在時(shí)間 t 維已離散 掃描體制在垂直 y 維已離散 在 x 維可以自行取樣 電視信號(hào) 視頻信號(hào) 序列信號(hào) 視頻序列 活動(dòng)圖像信號(hào),26,三維電視信號(hào),圖2.4電視信號(hào)的掃描及取樣,27,電視圖像的取樣頻率 水平方向最高時(shí)間頻率Fm和最高空間頻率Um 由取樣定理，空間域取樣間隔x t為掃描x間隔所需的時(shí)間 綜合以上三式可得： 結(jié)論同一維取樣定理,,,,,(2.22),(2.23),(2.24),(2.25),28,2.2.2 ITU-R BT.601數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn) 1.復(fù)合數(shù)字系統(tǒng) 直接對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)取樣、A/D、形成復(fù)合數(shù)字視頻 PAL 制fsc4.

9、43 MHz NTSC制fsc3.59 MHz,表2.1 復(fù)合數(shù)字系統(tǒng)的取樣參數(shù),,29,2. ITU-R BT.601分量數(shù)字系統(tǒng) 目標(biāo)：不同制式的視頻在數(shù)字域互通 分量編碼：對(duì)亮度信號(hào)(Y)和兩個(gè)色差(U、V)信號(hào)分別編碼 統(tǒng)一的Y取樣頻率13.5MHz，色差U、V的取樣頻率6.75MHz 取樣頻率與彩色副載波頻率無(wú)關(guān),30,表 2.2 ITU-R BT.601建議的主要參數(shù)（亮、色取樣頻率為4:2:2）,,31,圖2.6 不同格式的樣點(diǎn)位置示意圖,不屬于 601標(biāo)準(zhǔn),32,BT 601標(biāo)準(zhǔn)中每一掃描行的采樣結(jié)構(gòu)如圖所示。 PAL 制的亮度信號(hào)，每一掃描行采樣864個(gè)樣本； NTSC制的亮

10、度信號(hào)，每一掃描行采樣858個(gè)樣本。 所有的制式，每一掃描行的有亮度有效樣本數(shù)為720個(gè)。 色度有效樣本數(shù)為360個(gè)。 ITU-R BT.656格式視頻標(biāo)準(zhǔn)。 （Common Intermediate Format， CIF）視頻標(biāo)準(zhǔn)。,33,2.3 圖像設(shè)備和器件,2.3.1 模擬信號(hào)源 視頻攝像機(jī)、照相機(jī) 錄像機(jī) 激光視盤(LD)等,34,,2.3.2 數(shù)字信號(hào)源和圖像信號(hào)采集,1.彩色掃描儀,35,3.數(shù)碼相機(jī),4.圖像采集卡,36,,2.3.3 圖像信號(hào)顯示 1.CRT（陰極射線管：Cathode Ray Tube）顯示器,圖2.7 顯像管的基本結(jié)構(gòu),(a) 實(shí)物剖面,37

11、,,2.液晶顯示器（LCD：Liquid Crystal Display ）,3. 彩色等離子顯示器（PDP：Plasma Display Panel ）,英寸PDP PP42M5SBX42,液晶顯示器,38,2.3.4 數(shù)字視頻和模擬視頻的轉(zhuǎn)換 模擬視頻 數(shù)字視頻 復(fù)合模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A-D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)， 在數(shù)字域中將Y/U/V實(shí)行分離，形成Y/U/V數(shù)字分量（或R/G/B）。 數(shù)字視頻 模擬視頻 將Y/U/V（或R/G/B）數(shù)字分量經(jīng)D-A變換器變?yōu)槟MY/C分量， 插入行、場(chǎng)同步和色同步信號(hào)后合成為模擬視頻信號(hào)。,39,2.4 高速DSP,2.4.1 圖像數(shù)據(jù)對(duì)DSP的要求

12、圖像處理對(duì)DSP的要求： 處理的數(shù)據(jù)量龐大 處理的數(shù)據(jù)量突發(fā)性強(qiáng) 處理復(fù)合性數(shù)據(jù)多 同步性和實(shí)時(shí)性要求高 高速DSP的特點(diǎn)： 實(shí)時(shí)性很強(qiáng) 靈活性較大 成本越來(lái)越低,40,,2.4.2 高速DSP的常用結(jié)構(gòu) 單指令、多數(shù)據(jù)流（SIMD：signal instruction streams, multiple data streams） 分裂算邏部件（Slip-ALU: arithmetic and logical unit） 超長(zhǎng)指令字超長(zhǎng)指令字 （VLIW：very long instruction word） 多指令、多數(shù)據(jù)流（MIMD：multiple instruction stream

13、s，multiple data streams） ,41,,2.4.3 新型高速DSP 1. Philips公司的PNX1500、 PNX1700 2. TI公司的TMS32064xx系列和Davinci系列 3. Equator公司的MAP-CA 4. AD公司的BF533、BF561系列 5. 其它 補(bǔ)充：TI公司的“Davince”芯片：ARM+TMS320642,42,,示例：AD公司雙核BF561高速DSP 美國(guó)模擬器件公司（ADI） 756MHz速度，支持并行處理。 指令集中包含視頻專用指令,43,,2.4.4 高速DSP芯片的發(fā)展趨勢(shì) 高速：1GHz；低功耗：0.1mW/MIPS；高密度：0.05微米； 多種圖像處理協(xié)處理器和多樣化接口； 多處理器并行工作：28個(gè)DSP核； DSP和CPU結(jié)合的OSC（片上系統(tǒng)）； DSP和FPGA、ASIC結(jié)合； 精良的開發(fā)環(huán)境； 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象：FPGA、ASIC。,