1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)1.1光的特性與光源

1.1.1光的特性

光是一種電磁波。電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很寬，按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短的順序排列，依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和宇宙射線等。圖1-1是按波長(zhǎng)的順序排列的電磁波譜。

圖1-1電磁波譜波長(zhǎng)在380～780nm范圍內(nèi)的電磁波能夠使人眼產(chǎn)生顏色感覺，稱為可見光?？梢姽庠谡麄€(gè)電磁波譜中只占極小的一段。1.1光的特性與光源1.1.2光通量和發(fā)光強(qiáng)度1.光通量光通量是按人眼的光感覺來度量的輻射功率，用符號(hào)φ表示，其單位名稱為流明(lm)。當(dāng)λ＝555nm的單色光輻射功率為1W時(shí)，產(chǎn)生的光通量為683lm，或稱1光瓦。在其他波長(zhǎng)時(shí)，由于相對(duì)視敏度V(λ)下降，相同輻射功率所產(chǎn)生的光通量隨之下降。波長(zhǎng)λ的單色光輻射功率為φ(λ)瓦時(shí)，相當(dāng)于波長(zhǎng)555nm的單色光輻射功率為φ(λ)V(λ)瓦，光通量為φ(λ)V(λ)光瓦，或683φ(λ)V(λ)流明。1.1.2光通量和發(fā)光強(qiáng)度非單一波長(zhǎng)的光源，其發(fā)出之光通量，是它在各波長(zhǎng)范圍所發(fā)出的光通量總和。對(duì)于N個(gè)單色光λ1、λ2、…λN組成的光源，Φ=683Σφ(λi)V(λi)[lm]

對(duì)于具有連續(xù)光譜功率分布密度φ(λ)的光源, Φ=683∫φ(λ)V(λ)dλ[lm]常用每瓦流明來表達(dá)一個(gè)光源或顯示器的發(fā)光效率?！?0W的鎢絲燈泡輸出的光通量為468lm，發(fā)光效率為11.7lm/W；◆40W的日光燈可以輸出2100lm的光通量，發(fā)光效率為52.5lm/W；◆電視演播室鹵鎢燈發(fā)光效率可達(dá)80～100lm/W。1.1.2光通量和發(fā)光強(qiáng)度

2.發(fā)光強(qiáng)度

光源在給定方向上發(fā)出波長(zhǎng)555nm的單色輻射，且在此方向上的輻射功率為1/683W/Sr，則稱該光源在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。 發(fā)光強(qiáng)度單位是cd，讀作坎[德拉]。1.1.2光通量和發(fā)光強(qiáng)度1.1.3照度和亮度◆亮度L:單位是cd/m2

，讀作坎/米2

亮度表示單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度。 （同樣的發(fā)光強(qiáng)度面積越小亮度越大）◆照度E：?jiǎn)挝皇莑x，讀作勒克斯 照度表示物體表面受到光照射時(shí)，單位面積上入射的光通量。1lx等于每平方米上有1lm的光通量。1lx=1lm/m2

（同樣的光通量面積越小光照度越大）

1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)1.2.1光的顏色與彩色三要素◆光的分類：●單色光和復(fù)合光單色光是指只含單一波長(zhǎng)成分的色光或者所占波譜寬度小于5nm的色光；復(fù)合光是指包含有兩種或兩種以上波長(zhǎng)成分的光。

1.2彩色三要素與三基色原理1.2.1光的顏色與彩色三要素

●譜色光和非譜色光

太陽輻射的光含有各種單色光的波譜，給人以白光的綜合感覺。若把太陽輻射的一束光投射到棱鏡上，太陽光會(huì)經(jīng)過棱鏡分解成一組按紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫順序排列的連續(xù)光譜，被分解之后的色光，若再次經(jīng)過棱鏡，就不能再分解了，這種單一波長(zhǎng)的色光稱譜色光。把兩個(gè)或者兩個(gè)以上的單色光混合所得，但又不能作為譜色出現(xiàn)在光譜上的色光稱為非譜色光。單色光一定是譜色光，非譜色光一定是復(fù)合光，而復(fù)合光也可能是譜色光。

●直射光、反射光與透射光反射光直射光發(fā)光物體呈現(xiàn)的顏色是由物體本身發(fā)出不同波長(zhǎng)的光所造成；不發(fā)光物體呈現(xiàn)的顏色是光照射物體時(shí)被物體反射出的光所具有的。1.2.1光的顏色與彩色三要素◆描述一種色彩需要用亮度、色調(diào)和色飽和度三個(gè)基本參量，這三個(gè)參量稱為彩色三要素。◆亮度反映光的明亮程度。彩色光輻射的功率越大，亮度越高，反之亮度越低。不發(fā)光物體的亮度取決于它反射光功率的大小。若照射物體的光強(qiáng)度不變，物體的反射性能越好，物體越明亮，反之越暗。對(duì)于一定的物體，照射光越強(qiáng)，物體越明亮，反之越暗。

1.2.1光的顏色與彩色三要素低亮度高亮度1.2.1光的顏色與彩色三要素

◆色調(diào)反映彩色的類別，例如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同顏色。發(fā)光物體的色調(diào)由光的波長(zhǎng)決定，不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)不同的色調(diào)；不發(fā)光物體的色調(diào)由照明光源和該物體的吸收、反射或透射特性共同決定。1.2.1光的顏色與彩色三要素

◆色飽和度反映彩色光的深淺程度。同一色調(diào)的彩色光，會(huì)給人以深淺不同的感覺，深紅、

粉紅是兩種不同飽和度的紅色，深紅色飽和度高，粉紅色飽和度低。

1.2.1光的顏色與彩色三要素飽和度與彩色光中的白光比例有關(guān)，白光比例越大，飽和度越低。高飽和度的彩色光可加白光來沖淡成低飽和度的彩色光。飽和度最高的光稱為純色光或飽和色。1.2.1光的顏色與彩色三要素譜色光就是純色光，其飽和度為100%。飽和度低于100%的彩色稱為非飽和色，日常生活中所見到的大多數(shù)彩色是非飽和色。白光的飽和度為0。色調(diào)與色飽和度合稱為色度。它既說明彩色光的顏色類別，又說明顏色的深淺程度。

380nm780nm1.2.1光的顏色與彩色三要素1.2.2三基色原理及應(yīng)用根據(jù)人眼的視覺特性，在電視機(jī)中重現(xiàn)圖像時(shí)并不要求完全重現(xiàn)原景物反射或透射光的光譜成分，而應(yīng)獲得與原景物相同的彩色感覺。因此仿效人眼三種錐狀細(xì)胞，可以選擇三種基色，將它們按不同比例進(jìn)行組合，可得到自然界中絕大多數(shù)的彩色。這三種基色必須是相互獨(dú)立的，即任一種基色都不能由其他兩種基色混合得到。1.2彩色三要素與三基色原理自然界中絕大多數(shù)的彩色可以分解為三基色，三基色按一定比例混合，可得到自然界中絕大多數(shù)彩色?；旌仙纳{(diào)和飽和度由三基色的混合比例決定，混合色的亮度等于三種基色亮度之和。

1.2.2三基色原理及應(yīng)用

三基色原理是彩色電視系統(tǒng)的基礎(chǔ)，無需逐一去傳送各種彩色信號(hào)，而只需將各種彩色分解成比例不同的三基色傳送出去，再將三基色相加混色，即可產(chǎn)生視覺效果。攝像機(jī)把圖像分解成三基色信號(hào)，電視機(jī)又用三基色信號(hào)還原出原圖像的色彩。三基色光相混合得到的彩色光的亮度等于三種基色亮度之和，這種混合色稱為相加混色。1.2.2三基色原理及應(yīng)用例：當(dāng)R＝G＝B＝1（基色單位）時(shí)R＋G＝黃R＋B＝紫G＋B＝青R＋G＋B＝白1.2.2三基色原理及應(yīng)用

相加混色不僅運(yùn)用三基色原理，還進(jìn)一步利用人眼的視覺特性，產(chǎn)生較相減混色更寬的彩色范圍。常用的相加混色方法有以下三種：時(shí)間混色法空間混色法生理混色法1.2.2三基色原理及應(yīng)用◆時(shí)間混色法：將三種基色光按一定的比例，順序輪流投射到同一平面上，只要輪換速度足夠快，由于人眼的視覺惰性，分辨不出三種基色，而是看到混合彩色的效果。這是順序制彩色電視圖像顯示的基礎(chǔ)。1.2.2三基色原理及應(yīng)用◆空間混色法：將三種基色光分別投射到同一表面的相鄰三點(diǎn)上，只要三點(diǎn)相隔足夠近，由于人眼的分辨力有限，故看到的不是三種基色，而是看到混合彩色的效果。1.2.2三基色原理及應(yīng)用彩色CRT顯示屏、LCD顯示屏、PDP顯示屏都是根據(jù)空間混色法得到彩色圖像的?！羯砘焐ó?dāng)兩只眼睛同時(shí)觀看不同的顏色，人們所感覺到的彩色不是兩種單色，而是它們的混合色，稱為生理混色法。1.2.2三基色原理及應(yīng)用相減混色

在彩色印刷、彩色膠片和繪畫中的混色采用相減混色。相減混色是利用顏料、染色的吸色性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)?；旌项伭蠒r(shí)，每增加一種顏料，都要從白光中減去更多的光譜成分，因此，顏料混合的過程稱為相減混色。1.2.2三基色原理及應(yīng)用1.RGB顏色空間模型在RGB模型中，顏色空間里所有的顏色都是由R、G、B

(紅、綠、藍(lán))三種光依不同的比例相加而成。RGB的每一色光，含有亮度成分，例如R的成分越多，表示越紅越亮。各色光混合后，會(huì)比原來單獨(dú)的色光還亮，稱為相加混色；適合在以主動(dòng)光源顯示影像的場(chǎng)合使用，如電視、電腦、投影等。1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系綠(0,1,0)青(0,1,1)黃(1,1,0)黑(0,0,0)藍(lán)(0,0,1)品紅(1,0,1)白(1,1,1)紅(1,0,0)1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系RGB顏色000黑001藍(lán)010綠011青100紅101品紅110黃111白1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系RGB模型的優(yōu)缺點(diǎn)選擇RGB顏色空間簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的架構(gòu)與設(shè)計(jì)；由于RGB顏色空間使用了多年，采用RGB顏色空間設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以利用大量已有的軟件模塊；處理現(xiàn)實(shí)世界圖像時(shí)，生成任何一種顏色RGB三個(gè)分量都需要占用相同帶寬，使得每個(gè)顏色分量的幀緩沖需要同樣的像素深度和顯示分辨率，不是很有效；為了修改給定像素的亮度或顏色值，必須同時(shí)從幀緩沖中讀出顏色的三個(gè)分量，重新計(jì)算顏色和亮度，執(zhí)行修改計(jì)算新的RGB值寫回幀緩沖，不是很有效，若能直接以亮度和顏色格式存儲(chǔ)圖像會(huì)更有效。1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系2.CMY/CMYK顏色空間模型在彩色印刷、彩色膠片和繪畫中的混色采用相減混色。彩色印刷或彩色打印的紙張是不能發(fā)射光線的，因而印刷機(jī)或彩色打印機(jī)就只能使用一些能夠吸收特定的光波而反射其他光波的油墨或顏料。任何一種由顏料呈現(xiàn)的顏色都可以用青（Cyan）、品紅（Magenta）和黃（Yellow）這三種基色按不同的比例混合而成，我們稱這種顏色空間為CMY顏色空間。由于彩色墨水和顏料的化學(xué)特性，用等量的CMY三基色得到的黑色不是真正的黑色，因此在印刷術(shù)中常加一種真正的黑色墨水（BlackInk），于是CMY顏色空間也稱為CMYK顏色空間。1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系青(Cyan)——紅色的補(bǔ)色品紅(Magenta)——綠色的補(bǔ)色黃

(Yellow))——藍(lán)色的補(bǔ)色1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系

Y

KMC

CMYK模型1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系C(青色)M(品紅)Y(黃色)顏色000白001黃010品紅011紅100青101綠110藍(lán)111黑1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系

RGB

CMYRGB和CMY值都?xì)w一到[0，1]1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系YUV是PAL（PhaseAlternatingLine，逐行倒相）制彩色電視系統(tǒng)所采用的一種顏色空間模型，其中Y表示亮度，U表示藍(lán)色色差（即B-Y），V代表紅色色差（R-Y）。采用YUV色彩空間的重要性：亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的，解決彩色電視和黑白電視兼容的問題?？梢岳萌搜蹖?duì)彩色的敏感度低于對(duì)亮度的敏感度的視覺特性，用較窄的頻帶傳送U、V信號(hào)，優(yōu)化彩色電視信號(hào)的傳輸。3.YUV顏色空間模型1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系

RGBYUV1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系

YIQ顏色空間是由YUV推導(dǎo)而來，是NTSC制彩色電視系統(tǒng)所采用的一種顏色空間模型；

I代表“同相”，Q代表“正交”，它們指的是用于發(fā)射顏色信息的調(diào)制方法；

I、Q是通過將U、V軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)33度獲得的。優(yōu)點(diǎn)：由人眼彩色視覺的特性表明，人眼分辨紅、黃之間顏色變化的能力最強(qiáng)，而分辨藍(lán)、紫之間顏色變化的能力最弱。通過一定的變化，I對(duì)應(yīng)于人眼最敏感的色度，而Q對(duì)應(yīng)于人眼最不敏感的色度。這樣，傳送Q可以用較窄的頻帶，而傳送分辨率較強(qiáng)的I信號(hào)時(shí)，可以用較寬的頻帶。

4.YIQ顏色空間模型1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系

RGBYIQ1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系由YUV顏色空間派生的一種顏色空間模型。主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)，是YUV顏色空間的縮放和偏移版本。5.YCbCr顏色空間模型1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系HSV(hue,saturationandvalue)的縮寫A.R.Smith根據(jù)顏色的直觀特性于1978年創(chuàng)建的,也稱六角錐體模型(hexconemodel)HSV的表示方法色調(diào)（H）：用角度度量，0°～360°。紅色為0°，按逆時(shí)針方向計(jì)算，綠色為120°，藍(lán)色為240°飽和度（S）：取值范圍為0.0～1.0亮度值（V）：取值范圍為0.0(黑色)～1.0(白色)HSV和RGB之間沒有轉(zhuǎn)換矩陣，但可對(duì)它們之間的轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行描述6.HSV顏色空間模型1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系HSV顏色空間1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系HSL/HSB(hue,saturationandlightness/brightness)的縮寫利用三條軸定義顏色，用六角形錐體表示用于臺(tái)式機(jī)圖形程序定義顏色HSL與HSVHSL用光亮度(lightness)作坐標(biāo)，HSV用亮度(luminance)作坐標(biāo)HSL顏色飽和度最高時(shí)的光亮度L定義為0.5，而HSV則為1.0

7.HSL/HSB/HSI顏色空間模型1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系1.2.3幾種典型的顏色空間模型及轉(zhuǎn)換關(guān)系RGB

HSI對(duì)任何3個(gè)［0，1］范圍內(nèi)的R、G、B值，其對(duì)應(yīng)HSI模型中的H

、

I、S分量的計(jì)算公式為當(dāng)S＝0時(shí)對(duì)應(yīng)的是無色彩的中心點(diǎn)，這時(shí)H就沒有意義，此時(shí)定義H為0。當(dāng)I＝0時(shí)，S也沒有意義。假設(shè)S、I的值在［0，1］之間，R、G、B的值也在［0，1］之間，則HSI轉(zhuǎn)換為RGB的公式為(分成3段以利用對(duì)稱性)：（1）當(dāng)H在［0°，120°］之間RGB

HSI(2)當(dāng)H在［120°，240°］之間

RGB

HSI(3)當(dāng)H在［240°，360°］之間

RGB

HSI1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)1.3人眼的視覺特性

人眼的視覺系統(tǒng)對(duì)顏色的感知可歸納出如下幾個(gè)特性：眼睛可類比于一個(gè)攝像機(jī)。人的視網(wǎng)膜通過神經(jīng)元來感知外部世界的顏色。每個(gè)神經(jīng)元或者是一個(gè)對(duì)亮度和顏色敏感的錐體細(xì)胞，或者是一個(gè)只對(duì)亮度敏感而對(duì)顏色不敏感的桿體細(xì)胞。1.3.1視覺光譜光視效率曲線1.光譜光視效率視覺效應(yīng)是由可見光刺激人眼引起的。如果光的輻射功率相同而波長(zhǎng)不同，則引起的視覺效果也不同，不僅顏色感覺不同，而且亮度感覺也不同。在產(chǎn)生相同亮度感覺的情況下，測(cè)出各種波長(zhǎng)光的輻射功率Ф(λ)，定義光譜光視效能：

K(λ)=

1/Ф(λ)K(λ)用來衡量視覺對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的敏感程度。1.3人眼的視覺特性1.3.1視覺光譜光視效率曲線當(dāng)λ=555nm時(shí)，有最大的光譜光視效能：

Km=K(555) 任意波長(zhǎng)光的光譜光視效能K(λ)與Km之比稱為

光譜光視效率（相對(duì)視敏度），用函數(shù)V(λ)表示：

V(λ)也可用得到相同主觀亮度感覺時(shí)所需各波長(zhǎng)光的輻射功率Ф(λ）表示：

V(λ)=Ф（555）/Ф(λ)1.明暗視覺亮環(huán)境下錐狀細(xì)胞、桿狀細(xì)胞共同起作用，分辨明暗、彩色，稱為明視覺。暗環(huán)境下只有桿狀細(xì)胞起作用，只能分辨明暗，稱為暗視覺。暗視覺比明視覺相比，其相對(duì)視敏度曲線向左移，表現(xiàn)為對(duì)波長(zhǎng)短的光敏感程度有所增大。1.3.2人眼的亮度感覺特性1.3人眼的視覺特性明視覺暗視覺1933年CIE測(cè)得的明視覺與暗視覺的光譜光視效率曲線1.3.2人眼的亮度感覺特性2.亮度感覺

人在觀察景物時(shí)所得到的亮度感覺并不直接由景物的亮度所決定，而且還與周圍環(huán)境的背景亮度有關(guān)。主觀亮度感覺與亮度關(guān)系曲線1.3.2人眼的亮度感覺特性人眼察覺亮度變化的能力是有限的

要使人眼感覺到兩個(gè)畫面有亮度差別，必須使兩者的亮度差達(dá)到ΔBmin，ΔBmin稱為可見度閾值。1.3.2人眼的亮度感覺特性對(duì)于不同的背景亮度B，人眼可覺察的最小亮度差ΔBmin也不同。但在一個(gè)均勻亮度背景下，ΔBmin/B是在一定的亮度范圍內(nèi)近似不變,并等于一個(gè)常數(shù)ξ。ξ

=ΔBmin/B稱為韋伯-費(fèi)涅爾系數(shù)。

BB+

Bmin1.3.2人眼的亮度感覺特性韋伯

(ErnstHeinrichWeber)

德國(guó)生理學(xué)家費(fèi)涅爾（GustavTheodora

Fechner）德國(guó)物理學(xué)家、心理物理學(xué)1.3.2人眼的亮度感覺特性視覺范圍是指人眼所能感覺到的亮度的范圍。視覺范圍非常寬。人眼能感覺的絕對(duì)亮度范圍，從千分之幾直到幾百萬cd/m2。因?yàn)檠劬Φ母泄庾饔糜须S外界光的強(qiáng)弱而自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，即適應(yīng)性，但人眼不能同時(shí)感受這么寬的亮度范圍。分段感受。當(dāng)人眼適應(yīng)了某一環(huán)境的平均亮度之后，所能感覺的亮度范圍將變小。對(duì)于適應(yīng)了B點(diǎn)亮度的眼睛來說，A點(diǎn)的實(shí)際亮度感覺很暗。3.視覺范圍及明暗感覺的相對(duì)性1.3.2人眼的亮度感覺特性人眼的這種視覺特性具有很重要的實(shí)際意義。重現(xiàn)圖像的亮度不需要等于實(shí)際景象的亮度，只需要保持二者的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin之比值C不變。此比值C＝Bmax/Bmin稱為對(duì)比度。對(duì)于人眼不能察覺的亮度差別，在重現(xiàn)圖像時(shí)也不必精確復(fù)制出來，只要保證重現(xiàn)圖像和原景物有相同的亮度層次。人眼的明暗（黑白）感覺是相對(duì)的。正因?yàn)槿绱?，電影和電視中的景物?shí)際上并不反映實(shí)景亮度，卻能給人以真實(shí)的亮度感覺。3.視覺范圍及明暗感覺的相對(duì)性1.3.2人眼的亮度感覺特性1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性1.人眼的分辨力■人眼的分辨力是指人在觀看景物時(shí)人眼對(duì)景物細(xì)節(jié)的分辨能力?！鋈搜蹖?duì)被觀察物體上剛能分辨的最緊鄰兩黑點(diǎn)或兩白點(diǎn)的視角θ的倒數(shù)1/θ,稱為人眼的分辨力或視覺銳度。1.3人眼的視覺特性若θ以分為單位，則根據(jù)圖示幾何關(guān)系，得到：或θdL1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性查視力=

檢測(cè)人眼分辨力？◆人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨力要低于對(duì)黑白細(xì)節(jié)的分辨力。

例如，若把人眼剛好能分辨的黑白相間的條紋換成不同顏色的相間條紋，則眼睛就不能再分辨出條紋。如果條紋紅綠相間的，則我們感覺到的是一片黃色。◆人眼對(duì)不同彩色的細(xì)節(jié)分辨力也不一樣。一般來說，人眼對(duì)紅綠色的分辨力比對(duì)藍(lán)色的分辨力要高。

1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性2.彩色細(xì)節(jié)分辨力人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨力遠(yuǎn)比對(duì)黑白細(xì)節(jié)的分辨力低。細(xì)節(jié)色別黑白黑綠黑紅黑藍(lán)綠紅紅藍(lán)綠藍(lán)分辨力100%94%90%26%40%23%19%1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性◆大面積著色原理：由于人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨力低，所以在彩色電視系統(tǒng)傳送彩色圖像時(shí)，對(duì)于圖像的細(xì)節(jié)，可只傳黑白的亮度信號(hào)，而不傳彩色信息。這就是所謂的彩色電視大面積著色原理。利用這個(gè)原理可以節(jié)省傳輸?shù)念l帶。1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性3.視覺惰性

◆當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于視網(wǎng)膜時(shí)，人眼并不能立即產(chǎn)生穩(wěn)定的亮度感覺，而須經(jīng)過一個(gè)短暫過程后才會(huì)形成穩(wěn)定的亮度感覺。另外，當(dāng)作用于人眼的光突然消失后，亮度感覺并不立即消失，也需經(jīng)過一段時(shí)間的過渡過程。人眼視覺暫留時(shí)間，在白天約為0.02秒，夜晚約為0.2秒。

◆人眼亮度感覺變化滯后于實(shí)際亮度變化，以及光線消失后的視覺暫留現(xiàn)象，總稱為視覺惰性。

◆電視中利用人眼的視覺惰性和熒光粉的余輝作用以及電子束高速反復(fù)運(yùn)動(dòng)，使屏幕上原本不連續(xù)的光亮，產(chǎn)生整個(gè)屏幕同時(shí)發(fā)光的效果。

4.臨界閃爍頻率

當(dāng)人眼受周期性的光脈沖照射時(shí)，如果光脈沖頻率不高，則會(huì)產(chǎn)生一明一暗的閃爍感覺。如果將光脈沖頻率提高到某一定值以上，由于視覺惰性，眼睛便感覺不到閃爍，感到是一種均勻的連續(xù)的光刺激。

剛好不引起閃爍感覺的光脈沖最低頻率，稱為臨界閃爍頻率，它主要與光脈沖的亮度有關(guān)。為了不產(chǎn)生閃爍感覺，在電影中采用遮光的辦法使每幅畫面放映兩次，實(shí)際上相當(dāng)于每秒鐘放映48格畫面，其閃爍頻率為48Hz。1.3.3人眼的分辨力與視覺惰性1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)

彩色圖像信號(hào)一般表示為式中，x、y、z

表示空間某個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；λ為光的波長(zhǎng)；t為時(shí)間軸坐標(biāo)。當(dāng)

t=t0（常數(shù)）時(shí)，則表示靜態(tài)圖像；當(dāng)

z=z0

（常數(shù)）時(shí)，則表示二維圖像；當(dāng)λ=λ0（常數(shù)）時(shí)，則表示單色圖像。由三基色原理知，其中

1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.圖像信號(hào)的表示2.圖像信號(hào)的采樣

圖像采樣就是將二維空間上模擬的連續(xù)亮度（即灰度）或彩色信息，轉(zhuǎn)化為一系列有限的離散數(shù)值來表示。由于圖像是一種二維分布的信息，所以采樣就是對(duì)圖像在水平方向和垂直方向上進(jìn)行等間隔的采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)組成圖像的基本單位，稱為像素（pixel），如圖1-8所示。被分割的圖像若水平方向上有N個(gè)采樣點(diǎn)，垂直方向上有M個(gè)采樣點(diǎn)，則一幅圖像畫面就被表示成M×N個(gè)像素構(gòu)成的離散像素點(diǎn)的集合，M×N表示圖像的空間分辨率。1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化在進(jìn)行采樣時(shí)，采樣點(diǎn)間隔的選取是一個(gè)重要的問題，它決定了采樣后的圖像是否能真實(shí)地反映原圖像的程度。一般來說，采樣間隔越大，所得圖像像素?cái)?shù)越少，空間分辨率低，圖像質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)馬賽克效應(yīng)；采樣間隔越小，所得圖像像素?cái)?shù)越多，空間分辨率高，圖像質(zhì)量好，但數(shù)據(jù)量大。(a)256×256(b)128×128(c)32×32(d)16×16

采樣點(diǎn)數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化模擬圖像經(jīng)過采樣后，在時(shí)間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值（灰度級(jí)）仍是一個(gè)有無窮多個(gè)取值的連續(xù)量。量化是指將具有無限多個(gè)取值的樣值用有限個(gè)離散值來表示的過程。3.圖像信號(hào)的量化1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化

用有限個(gè)離散灰度值表示無窮多個(gè)連續(xù)灰度的量必然引起誤差，稱為量化誤差，有時(shí)也稱為量化噪聲。量化分層越多，則量化誤差越小。對(duì)于不同的圖像，量化方法分為兩種：等間隔量化（均勻量化或線性量化）非等間隔量化

等間隔量化就是簡(jiǎn)單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進(jìn)行量化。對(duì)于像素灰度級(jí)在黑-白范圍分布較均勻的圖像，這種量化方法可以得到較小的量化誤差。1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化一幅圖像在采樣時(shí)，行、列的采樣點(diǎn)與量化時(shí)每個(gè)像素量化的級(jí)數(shù)，既影響數(shù)字圖像的質(zhì)量，也影響到該數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量的大小。假定圖像取M×N個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)像素量化后的灰度二進(jìn)制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的字節(jié)數(shù)B為4.采樣與量化精度對(duì)圖像質(zhì)量的影響

1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化對(duì)一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)M×N對(duì)圖像質(zhì)量有著顯著的影響。采樣點(diǎn)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)減少時(shí)，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。(a)256×256(b)128×128(c)32×32(d)16×16

采樣點(diǎn)數(shù)與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化同理，當(dāng)圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，采用不同量化級(jí)數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。量化級(jí)數(shù)越多，所得圖像層次越豐富，圖像質(zhì)量越好，但數(shù)據(jù)量大；量化級(jí)數(shù)越少，圖像層次欠豐富，圖像質(zhì)量越差，會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，但數(shù)據(jù)量小。量化級(jí)數(shù)最小的極端情況就是二值圖像（即非黑即白，灰度級(jí)沒有中間過渡的圖像）。1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化5.數(shù)字圖像的表示

從數(shù)字圖像的獲取過程可以知道，一幅采樣圖像由M（行）、N（列）個(gè)采樣點(diǎn)組成，每個(gè)采樣點(diǎn)（像素）是組成圖像的基本單位。黑白圖像的像素只有1個(gè)亮度值，彩色圖像的像素是矢量，它由多個(gè)彩色分量組成，一般有3個(gè)分量：R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)），因此，采樣圖像在計(jì)算機(jī)中的表示方法是：?jiǎn)紊珗D像用一個(gè)矩陣來表示；彩色圖像用一組（一般是3個(gè)）矩陣來表示，矩陣的行數(shù)稱為圖像的垂直分辨率，列數(shù)稱為圖像的水平分辨率，矩陣中的元素是像素顏色分量的亮度值，使用整數(shù)表示。1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化

一幅M×N的數(shù)字圖像可用矩陣表示為

數(shù)字圖像中的每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)于矩陣中相應(yīng)的元素。把數(shù)字圖像表示成矩陣的優(yōu)點(diǎn)在于，能應(yīng)用矩陣?yán)碚搶?duì)圖像進(jìn)行分析處理。5.數(shù)字圖像的表示1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化

(a)256級(jí)灰度圖象(b)子圖(c)子圖對(duì)應(yīng)的量化數(shù)據(jù)

數(shù)字圖像實(shí)例1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)黑白電視制式:掃描行數(shù)、場(chǎng)頻、帶寬、隔行掃描方式例如：625行制：625行/幀，50場(chǎng)，6MHz，隔行掃描

525行制：525行/幀，60場(chǎng)，4.2MHz，隔行掃描彩色電視制式:除上述外，亮度和色差信號(hào)的處理方式現(xiàn)行三大彩色電視制式：

均為兼容制；區(qū)別在于色差信號(hào)是否同時(shí)傳送，以及對(duì)副載波的調(diào)制方式上：NTSC——同時(shí)制，正交平衡調(diào)幅。PAL——同時(shí)制，逐行倒相正交平衡調(diào)幅。SECAM——順序-同時(shí)制，順序傳送彩色與存儲(chǔ)。1.5彩色模擬電視制式編碼矩陣解碼矩陣顯像管RGBY(R-Y)(B-Y)Y(R-Y)(B-Y)RBG攝像機(jī)處理反處理傳輸帶寬同黑白處理方法不同，形成了不同的彩色電視制式（目的是減少亮色干擾，提高圖像質(zhì)量）

NTSC（NationalTelevisionSystemCommittee）制是1953年由美國(guó)國(guó)家電視制式委員會(huì)指定的一種兼容制彩色電視制式，它對(duì)兩個(gè)色差信號(hào)采用了正交平衡調(diào)幅技術(shù)，因此又稱為正交平衡調(diào)幅制。1.5彩色模擬電視制式1.5.1NTSC制一般調(diào)幅波調(diào)制信號(hào)：u(t)載波信號(hào)：uc(t)=Uccosωt已調(diào)制信號(hào)：uAM(t)=[Uc+u(t)]cosωt=uc

(t)+u(t)cosωt平衡調(diào)幅波濾除一般調(diào)幅波中的載波成份：

uBM

(t)=u(t)cosωt平衡調(diào)幅波是調(diào)制信號(hào)與單位幅度載波的乘積可用乘法器實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)幅1.5彩色模擬電視制式一般調(diào)幅波與平衡調(diào)幅波頻譜波形圖（設(shè)u(t)=UmcosΩt）取樣點(diǎn)1.5彩色模擬電視制式平衡調(diào)幅波的特點(diǎn)①去掉載頻，只發(fā)送邊頻②調(diào)制信號(hào)為零，即u(t)=0時(shí)，平衡調(diào)幅波uBM(t)=0③調(diào)制信號(hào)u(t)為正時(shí),平衡調(diào)幅波uBM

(t)與原載波同相;調(diào)制信號(hào)u(t)為負(fù)時(shí),平衡調(diào)幅波uBM

(t)與原載波反相正交平衡調(diào)幅將兩個(gè)調(diào)制信號(hào)分別對(duì)頻率相等、相位相差90°的兩個(gè)正交載波進(jìn)行平衡調(diào)幅，然后再將這兩個(gè)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行相加（頻帶寬度沒有增加），這一調(diào)制方式稱正交平衡調(diào)幅。

1.5彩色模擬電視制式色度信號(hào)的形成:色差信號(hào)（R-Y）、（B-Y）分別對(duì)兩個(gè)頻率相同、相位相差90°的副載波平衡調(diào)幅紅色度分量：

（R-Y）cosωsct藍(lán)色度分量：

（B-Y）cos（ωsct-90°）=（B-Y）sinωsc

t色度信號(hào)：

CF

(t)=（R-Y）cosωsct+（B-Y）sinωsct

1.5彩色模擬電視制式色度信號(hào)矢量：

CF

=C

sin（ωsct+θ)色度矢量模：

代表副載波的瞬時(shí)振幅，由色差信號(hào)的幅度決定。色度矢量的相角：代表副載波的初相位，由色差信號(hào)的比例決定。

0~360度取值，由R-Y和B-Y的符號(hào)決定象限。R-YB-YθCCF1.5彩色模擬電視制式正交調(diào)幅的色度信號(hào)是調(diào)幅調(diào)相波1．其幅度主要反映彩色的飽和度。

2．其相位主要反映彩色的色調(diào)。CB-YR-Y正交平衡調(diào)幅平衡調(diào)制R-YB-Y平衡調(diào)制900移相加正交平衡調(diào)幅優(yōu)點(diǎn)節(jié)省帶寬：只用一個(gè)副載波實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)色差信號(hào)的傳輸，在解調(diào)端采用同步解調(diào)分離出紅色差與藍(lán)色差分量。減少色度信號(hào)對(duì)亮度信號(hào)的干擾：去除了高頻振蕩的副載波。傳送黑白圖像時(shí)色度信號(hào)為零，不存在對(duì)亮度信號(hào)的干擾。1.5彩色模擬電視制式同步檢波解調(diào)平衡調(diào)幅波采用同步檢波技術(shù)。方法：用與副載波同頻同相的本振載波乘色度信號(hào)信號(hào)。色度信號(hào)：

CF

(t)=（R-Y）cosωsct+（B-Y）sinωsct用2cosωSCt相乘，解出(R-Y)分量:低通濾波:濾去二倍頻副載波信號(hào)，得到(R-Y)信號(hào)。同理，用sinωSCt去乘CF

(t)

，再經(jīng)低通濾波后，可得到(B-Y)信號(hào)

1.5彩色模擬電視制式乘法器乘法器ec(t)低通放大低通放大(B-Y)(R-Y)一種正交同步檢波框圖數(shù)學(xué)分析：DxDyQ、I色差信號(hào)兼容制彩色電視系統(tǒng)———亮度、色差信號(hào)在同一頻帶傳輸。如色度信號(hào)以雙邊帶傳送，對(duì)于帶寬為4.2MHz的制式來說，采用頻譜交錯(cuò)，亮度、色差信號(hào)頻帶將重疊過寬，相互干擾將很嚴(yán)重。如色度信號(hào)以不對(duì)稱邊帶傳送，將在檢波解調(diào)時(shí)引起串色。解決辦法——不傳U、V信號(hào)，傳送Q、I信號(hào)人眼視覺特性———對(duì)紅黃之間顏色的分辨力最強(qiáng)對(duì)藍(lán)品之間顏色的分辨力最弱在色度圖中： 以I軸表示人眼最敏感的色軸，Q軸表示最不敏感的色軸1.5彩色模擬電視制式Q、I正交軸與U、V正交軸有33°夾角的關(guān)系，Q、I正交軸與U、V正交軸關(guān)系：

Qcos33°sin33°U=

I

－sin33°cos33°V

Ucos33°－sin33°Q=Vsin33°cos33°IVIUQ33°33°1.5彩色模擬電視制式NTSC制的主要技術(shù)1.采用正交平衡調(diào)幅方法,把色差信號(hào)的頻譜搬移到亮度頻譜的高端,減少亮色的干擾。2.充分利用人眼的視覺特性，采用I、Q色差信號(hào),進(jìn)一步壓縮色差信號(hào)的帶寬,減少亮色的干擾。3.精確選擇副載頻，實(shí)現(xiàn)亮色的頻譜交錯(cuò),減少亮色的干擾。1.5彩色模擬電視制式NTSC編碼方框圖1.5彩色模擬電視制式NTSC解碼方框圖1.5彩色模擬電視制式NTSC制的主要性能優(yōu)點(diǎn)：1信號(hào)處理方法簡(jiǎn)單，電路易集成化，接收機(jī)價(jià)格便宜。

2無行順序效應(yīng)。

3亮、色頻譜以最大間隔錯(cuò)開，亮色干擾小，兼容性好。缺點(diǎn)：1色度信號(hào)的幅度變化影響重現(xiàn)彩色的飽和度。（主要是

微分增益失真的影響）。2色度信號(hào)相位變化影響重現(xiàn)彩色的色調(diào)。（相位敏感性）（1）微分相位失真的影響；

（2）不對(duì)稱邊帶的影響；

（3）多經(jīng)接收的影響。1.5彩色模擬電視制式

PAL（PhaseAlternationLine，逐行倒相）制是1962年由前聯(lián)邦德國(guó)德律風(fēng)根（Telefunken）公司研制成功的一種兼容制彩色電視制式，它對(duì)色度信號(hào)U、V分量中的V分量逐行倒相后再采用正交平衡調(diào)幅的技術(shù)。1.5彩色模擬電視制式1.5.2PAL制F=Usinωsct±Vcosωsct半行頻方波P±cosωsctU平衡調(diào)幅V平衡調(diào)幅90o移相180o倒相PAL開關(guān)sinωsct+cosωsct-cosωsctUV±VcosωsctUsinωsct12紅色差分量逐行倒相PAL制色度信號(hào)的形成1.5彩色模擬電視制式平衡調(diào)幅平衡調(diào)幅副載波發(fā)生器移相器(900)PAL開關(guān)fsc(00)U(t)V(t)ec(t)逐行倒相正交平衡調(diào)幅框圖:fscn:+900n+1:-900PAL制色度信號(hào)的形成PAL色度信號(hào)：其中：Φk(t)表示逐行取值為+1和-1的2H為周期的開關(guān)函數(shù)1.5彩色模擬電視制式PAL色度信號(hào)頻譜:①U分量對(duì)副載波sinωct平衡調(diào)幅，頻譜仍以fH為間隔，對(duì)稱地分布在色副載波fsc兩旁。②逐行倒相的V

分量對(duì)副載波cosωct平衡調(diào)幅，也可看成是V分量對(duì)逐行倒相的色副載波ΦK(t)

cosωct的平衡調(diào)幅?；ń穷l率：開關(guān)函數(shù)：逐行倒相的色副載波的各頻率分量為：1.5彩色模擬電視制式

圖中虛線為供U信號(hào)調(diào)制用的副載波，實(shí)線為供V信號(hào)調(diào)制用的副載波。可以看出，調(diào)制V信號(hào)的副載波是譜線群，調(diào)制U信號(hào)的副載波是一根譜線。1.5彩色模擬電視制式U分量與V分量的主譜線剛好錯(cuò)開1/2行頻。NTSC制U、V信號(hào)頻譜是重合的，而PAL制色度信號(hào)本身完成了頻譜交錯(cuò)。這也是PAL制色度不容易失真的原因。1.5彩色模擬電視制式合理選擇fsc，使亮度Y信號(hào)與色度信號(hào)的主譜線相互錯(cuò)開。fsc要盡量的高，但其上邊頻不能超過規(guī)定的6MHz

①1/4行頻間置：

1.5彩色模擬電視制式只采用1/4行頻間置，亮度信號(hào)Y的fv場(chǎng)頻副譜線與色度信號(hào)U、V的fv場(chǎng)頻副譜線的間距只有1/8fv，容易造成亮色串?dāng)_。1.5彩色模擬電視制式②

1/2場(chǎng)頻偏置：

采用1/2場(chǎng)頻偏置（25Hz偏置）后，使亮度信號(hào)Y與色度信號(hào)U、V的副譜線間距增加3倍，為3/8fV，進(jìn)一步減少亮色串?dāng)_。1.5彩色模擬電視制式PAL制編碼器1.5彩色模擬電視制式同步檢波同步檢波再生副載波發(fā)生器移相器(900)PAL開關(guān)fsc(00)fscn:+900n+1:-900U(t)V(t)接收端同步解調(diào)框圖PAL制克服NTSC制相位敏感性的主要技術(shù):1.采用逐行倒相正交平衡調(diào)幅的色度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)色度信號(hào)的頻譜交錯(cuò)。(頻分原則)2接受端解調(diào)時(shí)，先經(jīng)梳狀濾波器分離再同步檢波。（先分離再檢波）

(或先解調(diào)，由于相鄰兩行串色極性相反，利用基帶延時(shí)將相鄰兩行平均，獲得無失真的色調(diào)。）３再利用視覺平均改善由于小幅度串色引起的彩色偏差。（視覺平均）1.5彩色模擬電視制式PAL制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.對(duì)相位失真不敏感，重現(xiàn)彩色受傳輸誤差的影響小。（1）微分相位的影響小，容限:+400（2）不對(duì)稱邊帶影響小（3）多徑接受影響小2.亮色頻譜交錯(cuò)，相互干擾小缺點(diǎn)：（1）色信號(hào)處理較NTSC制復(fù)雜，接收機(jī)價(jià)格高一些。（2）彩色的清晰度較NTSC制差。（3）有行順序效應(yīng)。1.5彩色模擬電視制式SECAM是法文SéquentialCouleurAvecMémoire的縮寫，意為順序傳送彩色信號(hào)與存儲(chǔ)復(fù)用。SECAM制是由法國(guó)工程師亨利·弗朗斯提出，1967年制定的一種兼容制彩色電視制式。它也是為了克服NTSC制對(duì)相位失真敏感而設(shè)計(jì)的。1.5彩色模擬電視制式1.5.3SECAM制DRDB半行頻方波9行識(shí)別信號(hào)行消隱半行頻方波同步、消隱

矩陣低通視頻預(yù)加重限幅調(diào)制高頻預(yù)加重鑒相低通門電路

陷波

延時(shí)+EREGEBfSRfSBEYFBYSSECAM制編碼原理框圖1.5彩色模擬電視制式SECAM制傳送特點(diǎn)

因此，SECAM制又稱“輪換調(diào)頻制”

（1）它是傳送Y、R-Y、B-Y三種信號(hào)。每一行都傳送亮度信號(hào)，而兩色差信號(hào)逐行順序傳送，

（2）色度信號(hào)的間置采用調(diào)頻方式，即分別用兩個(gè)不同頻率的副載波傳送兩個(gè)色差信號(hào)。ER-Y載波頻率為：fSR=282fH=282×15625=4.40625MHzEB-Y副載波頻率為：fSB=272fH=272×15625=4.25MHz（3）SECAM制不發(fā)送色同步信號(hào)，只傳送識(shí)別信號(hào)。1.5彩色模擬電視制式

制式

內(nèi)容調(diào)制方式色副載波(MHz)色同步信號(hào)兼容否NTSC制正交平

衡調(diào)幅3.58有(180o)兼容PAL制逐行倒相正交平衡調(diào)幅4.43有(±135o)兼容SECAM制輪換調(diào)頻4.406254.25無(但有識(shí)別信號(hào))兼容三種彩色電視制式的比較1.5彩色模擬電視制式1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)視頻是動(dòng)態(tài)的序列圖像一幀電視畫面xytF(u,v)k-1幀k+1幀k幀k-1幀1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.6

視頻信號(hào)的數(shù)字化在時(shí)間軸上(t軸)分為一系列離散的幀。每幀圖像在垂直方向(y軸)上離散為一條一條的掃描行。每行在水平方向(x軸)上采樣，得到一個(gè)一個(gè)像素。對(duì)彩色電視信號(hào)的數(shù)字化處理主要有分量數(shù)字編碼和復(fù)合數(shù)字編碼兩種方式。復(fù)合數(shù)字編碼：首先用一個(gè)高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)彩色全電視信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，然后在數(shù)字域中進(jìn)行亮、色分離，以獲得所希望的YCbCr，或RGB分量數(shù)據(jù)。分量數(shù)字編碼：首先把模擬的彩色全電視信號(hào)分離成YUV、YIQ或RGB彩色空間中的分量信號(hào)，然后用三個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)它們進(jìn)行數(shù)字化。1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化彩色全電視信號(hào)1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化分量視頻（ComponentVideo）視頻分配采用獨(dú)立的YUV分量對(duì)于視頻黑白信號(hào)，Y信號(hào)為700mVY在-300mV處攜帶同步信息U&V信號(hào)的峰-峰值是700mVpk-pk.0在350mV

350mV0mV700mV-300mVYVU1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化分量數(shù)字編碼優(yōu)點(diǎn)避免了復(fù)合數(shù)字編碼時(shí)因反復(fù)解碼所引起的質(zhì)量損傷和器件的浪費(fèi)，而且編碼幾乎與電視制式無關(guān)。后期制作的處理方便。時(shí)分復(fù)用方式，不會(huì)像復(fù)合數(shù)字編碼那樣因頻分復(fù)用帶來亮、色串?dāng)_，可獲得高質(zhì)量的圖像。亮度信號(hào)和色度信號(hào)的帶寬根據(jù)需要取不同值。1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.6.1ITU-RBT.601建議參數(shù)625行/50場(chǎng)525行/60場(chǎng)有效掃描行數(shù)576480編碼信號(hào)Y，CB，CR每行樣點(diǎn)數(shù)亮度信號(hào)864858色差信號(hào)432429每行有效樣點(diǎn)數(shù)亮度信號(hào)720色差信號(hào)360采樣結(jié)構(gòu)正交，按行、場(chǎng)、幀重復(fù)，每行中的CR，CB的樣點(diǎn)同位置，并與每行第奇數(shù)個(gè)亮度的樣點(diǎn)同位置采樣頻率亮度信號(hào)13.5MHz色差信號(hào)6.75MHz編碼方式亮度和色差信號(hào)的每個(gè)樣值為8bit均勻量化量化級(jí)亮度信號(hào)共220個(gè)量化級(jí)，消隱電平對(duì)應(yīng)于第16量化級(jí)，峰值白電平對(duì)應(yīng)于第235量化級(jí)色差信號(hào)共224個(gè)量化級(jí)，色差信號(hào)的零電平對(duì)應(yīng)于第128量化級(jí)同步第0級(jí)和第255級(jí)保留1.1光的特性與光源1.2彩色三要素與三基色原理1.3人眼的視覺特性1.4圖像信號(hào)的數(shù)字化1.5彩色模擬電視制式1.6視頻信號(hào)的數(shù)字化1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用1.8小結(jié)第1章數(shù)字視頻基礎(chǔ)知識(shí)

Matlab是MatrixLaboratory的縮寫，是當(dāng)今很流行的科學(xué)計(jì)算軟件。信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，科學(xué)計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在諸如控制論、時(shí)間序列分析、系統(tǒng)仿真、圖像信號(hào)處理等方面產(chǎn)生了大量的矩陣及其他計(jì)算問題，，Matlab軟件適時(shí)推出，為人們提供了一個(gè)方便的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)。1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用

Matlab為用戶提供了特殊的函數(shù)，用于從圖像格式的文件中讀寫圖像數(shù)據(jù)。其中，讀取圖形文件格式的圖像需要用imread函數(shù)，寫入一個(gè)圖形文件格式的圖像需要調(diào)用imwrite函數(shù)；而獲取圖形文件格式的圖像的信息需要調(diào)用imfinfo＼ind2rgb函數(shù)，以Mat文件加載或保存矩陣數(shù)據(jù)用load＼save函數(shù)，顯示加載到Matlab中的圖像用image＼imagesc。1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用

1.圖形圖像文件的讀取

利用函數(shù)imread可以完成圖形圖像文件的讀取操作，其語法如下：

A=imread(filename,fmt)

［X,map］=imread(filename,fmt)

［…］=imread(filename)

［…］=imread(filename,idx)（只對(duì)TIF格式的文件）［…］=imread(filename,ref)（只對(duì)HDF格式的文件）1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用2.圖像文件的顯示

在Matlab中，顯示一幅圖像可以用image函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將創(chuàng)建一個(gè)圖形對(duì)象句柄，語法格式為：

image(C)image(x,y,C)image(′PropertyName′,PropertyValue,image(′PropertyName′,PropetyValue,…)handle=image(…)

其中，x,y分別表示圖像顯示位置的左上角坐標(biāo)，C表示所需顯示的圖像。1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用

Matlab圖像處理工具箱提供了一個(gè)高級(jí)的圖像顯示函數(shù)imshow。其語法格式為

imshow(I,n)imshow(I,［lowhigh］)imshow(BW)imshow(X,map)imshow(RGB)imshow(…,display_option)imshow(x,y,A,…)imshowfilenameh=imshow(…)1.7MATLAB在數(shù)字圖像與視頻處理中的應(yīng)用Question?2.1引言2.2圖像的灰度變換2.3圖像平滑與去噪2.4圖像銳化2.5圖像的同態(tài)濾波2.6基于Retinex理論的圖像增強(qiáng)

2.7彩色增強(qiáng)2.8MATALAB編程實(shí)例第2章圖像增強(qiáng)對(duì)比度下降在圖像的形成、存儲(chǔ)、傳輸?shù)冗^程中，由于多種因素的影響，會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。2.1引言圖像增強(qiáng):

不考慮圖像降質(zhì)的原因，并不要求改善后的圖像去逼近原始圖像，而是根據(jù)一定的要求將圖像中感興趣的部分加以處理或突出有用的圖像特征（如邊緣、輪廓、對(duì)比度等），抑制不需要的信息，以改善圖像的主觀視覺效果或便于后續(xù)的圖像分析和識(shí)別。圖像復(fù)原:

針對(duì)圖像降質(zhì)的具體原因，設(shè)法補(bǔ)償降質(zhì)因素，從而使改善后的圖像盡可能地逼近原始圖像。改善降質(zhì)圖像（退化圖像）的方法:2.1引言

（1）空間域法：是在空間域內(nèi)直接對(duì)圖像的像素值進(jìn)行運(yùn)算操作?？臻g域法又分為點(diǎn)運(yùn)算處理法和鄰域運(yùn)算處理法。點(diǎn)運(yùn)算處理法：是指直接對(duì)圖像的各像素點(diǎn)逐一進(jìn)行灰度變換的處理方法。例如，圖像的灰度變換、直方圖修正等都采用點(diǎn)運(yùn)算處理法。鄰域運(yùn)算處理法：是對(duì)圖像像素的某一鄰域進(jìn)行處理的方法。例如，圖像平滑、圖像銳化等都采用鄰域運(yùn)算處理法。

（2）頻率域法：在頻率域上對(duì)圖像的變換系數(shù)進(jìn)行處理，增強(qiáng)感興趣的頻率分量，然后再進(jìn)行反變換到空間域，得到增強(qiáng)后的圖像。常用的方法包括低通濾波、高通濾波以及同態(tài)濾波等。

圖像增強(qiáng)算法分類圖像增強(qiáng)算法分類圖像增強(qiáng)點(diǎn)運(yùn)算處理灰度變換直方圖修正鄰域運(yùn)算處理圖像平滑圖像銳化彩色增強(qiáng)假彩色增強(qiáng)偽彩色增強(qiáng)真彩色增強(qiáng)空域法(圖像域)頻域法低通濾波高通濾波同態(tài)濾波(變換域)2.1引言2.2圖像的灰度變換

2.3圖像平滑與去噪2.4圖像銳化2.5圖像的同態(tài)濾波2.6彩色增強(qiáng)2.7MATALAB編程實(shí)例第2章圖像增強(qiáng)2.2.1灰度的線性變換

假定原圖像f(x,y)

的灰度范圍為［a,b］，變換后圖像g(x,y)的灰度范圍擴(kuò)為［c,d］，則采用線性變換：圖2-2灰度的線性變換(a)原圖像(b)變換后的圖像

若圖像灰度在［0,Mf］

范圍內(nèi)，其中大部分像素的灰度級(jí)分布在區(qū)間［a,b］，很小部分的灰度級(jí)超出了此區(qū)間，為改善增強(qiáng)的效果，可令2.2.1灰度的線性變換

為了突出感興趣的目標(biāo)或灰度區(qū)間，相對(duì)抑制那些不感興趣的灰度區(qū)域，可采用分段線性變換，如常用的三段線性變換法。圖2-4分段線性變換2.2.1灰度的線性變換采用非線性變換函數(shù)（例如對(duì)數(shù)函數(shù)、冪指數(shù)函數(shù)等）

對(duì)數(shù)變換式

a、b、c是調(diào)整曲線的位置和形狀的參數(shù)。

指數(shù)變換式

a、b、c

是調(diào)整曲線的位置和形狀的參數(shù)。2.2.2灰度的非線性變換

2.2.3直方圖修正1.直方圖的概念

如果將圖像中像素亮度（灰度級(jí)）看成是一個(gè)隨機(jī)變量，則其分布情況就反映了圖像的統(tǒng)計(jì)特性?；叶戎狈綀D是灰度級(jí)的函數(shù)，它表示圖像中具有某種灰度級(jí)的像素的個(gè)數(shù)，反映了圖像中每種灰度級(jí)出現(xiàn)的概率，如圖2-10所示。圖2-10圖像的灰度直方圖2.直方圖的概念設(shè)圖像總像素個(gè)數(shù)為n，共有L

級(jí)灰度，rk

為圖像的第k級(jí)灰度值，并且具有灰度級(jí)rk

的像素?cái)?shù)為nk，則：2.灰度直方圖的定義（1）直方圖是一幅圖像中各像素灰度值出現(xiàn)的頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，它只反映該圖像中不同灰度值出現(xiàn)的次數(shù)，而未反映某一灰度值像素所在的位置。（2）任一幅圖像，都能唯一地確定出一幅與它對(duì)應(yīng)的直方圖，但不同的圖像，可能有相同的直方圖。（3）如果一幅圖像由兩個(gè)不連續(xù)的區(qū)域組成，并且每個(gè)區(qū)域的直方圖已知，則整幅圖像的直方圖是這兩個(gè)區(qū)域的直方圖之和。3.直方圖的性質(zhì)圖2-11圖像與直方圖間的多對(duì)一關(guān)系直方圖均衡化：將原圖像的直方圖通過變換函數(shù)修正為均勻的直方圖，從而增加像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果。直方圖均衡化后，圖像的直方圖是平直的，即各灰度級(jí)具有相同的出現(xiàn)頻數(shù)，那么由于灰度級(jí)具有均勻的概率分布，圖像看起來就更清晰了。

4.直方圖均衡化為使變換后的灰度仍保持從黑到白的單一變化順序，且變換范圍與原先一致，以避免整體變亮或變暗。必須規(guī)定：（1）在0≤r≤1中，T(r)是單調(diào)遞增函數(shù)，且0≤T(r)≤1；（2）反變換r=T-1(s)，T-1(s)也為單調(diào)遞增函數(shù)，0≤s≤1。

用累計(jì)分布函數(shù)(CumulativeDistributionFunction,CDF)作為灰度變換函數(shù)s=T(r),

從而將原始圖像的關(guān)于灰度r

的分布直方圖，轉(zhuǎn)換為關(guān)于灰度s

的均勻分布。直方圖均衡化方法直方圖均衡化方法例2-1

給定一幅圖像的灰度級(jí)概率密度函數(shù)為

求其直方圖的均衡化，計(jì)算出變換函數(shù)T(r)。解：為使其變換為一幅灰度級(jí)均勻分布的圖像，即直方圖均勻化處理，必須求出變換函數(shù)T(r)。由式（2-12）得

均衡化前后的直方圖如圖2-14所示。圖2-14將非均勻概率密度函數(shù)變換成均勻概率密度函數(shù)

對(duì)于離散圖像，假定數(shù)字圖像中的總像素為n，灰度級(jí)總數(shù)為L(zhǎng)個(gè)，第k個(gè)灰度級(jí)的值為rk，圖像中具有灰度級(jí)rk

的像素?cái)?shù)目為nk

，則該圖像中灰度級(jí)rk

像素出現(xiàn)的概率（或稱為頻數(shù)）為對(duì)其進(jìn)行直方圖均衡化處理的變換函數(shù)為相應(yīng)的逆變換函數(shù)為

直方圖均衡化的實(shí)現(xiàn)步驟1.統(tǒng)計(jì)原始圖像的直方圖： 其中，是歸一化的輸入圖像灰度級(jí)。2.計(jì)算直方圖累積分布曲線3.用累積分布函數(shù)作變換函數(shù)進(jìn)行圖像灰度變換：根據(jù)計(jì)算得到的累積分布函數(shù)，建立輸入圖像與輸出圖像灰度級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即重新定位累計(jì)分布函數(shù)（與歸一化灰度等級(jí)比較，尋找最接近的一個(gè)作為原灰度級(jí)k變換后的新灰度級(jí)）。2.2.4直方圖規(guī)定化假設(shè)Pr(r)是原始圖像灰度分布的概率密度函數(shù)，Pz(z)是希望得到的圖像的灰度分布概率密度函數(shù)。將灰度直方圖從Pr(r)

變換到Pz(z)的處理，稱為直方圖規(guī)定化處理。如何建立Pr(r)和Pz(z)之間的聯(lián)系是直方圖規(guī)定化處理的關(guān)鍵。

首先對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，則有假定已經(jīng)得到了所希望的圖像，并且它的概率密度函數(shù)是Pz(z)，對(duì)這幅圖像也做均衡化處理，即其反變換函數(shù)為因?yàn)閷?duì)于兩幅圖像（這兩幅圖像只是灰度分布概率密度不同）同樣做了均衡化處理，所以，Ps(s)=Pu(u)=1。直方圖規(guī)定化的步驟

這樣，如果用從原始圖像中得到的均勻灰度級(jí)s代替式(2-18)中的u，即

則得到的灰度級(jí)z便是所希望的規(guī)定化后的圖像的灰度級(jí)。根據(jù)以上思路，可以總結(jié)出直方圖規(guī)定化處理的步驟如下。（1）對(duì)原圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理。（2）規(guī)定希望的灰度概率密度函數(shù)Pz(z)，并用式（2-17）求得變換函數(shù)G(z)。（3）將步驟（1）中所得到的灰度級(jí)s用到逆變換函數(shù)直方圖規(guī)定化的步驟01/72/73/74/75/76/71rkPr(rk)01/72/73/74/75/76/71zkPz(zk)a原始直方圖b用戶希望得到的直方圖我們需要獲得從直方圖a變換到直方圖b的一個(gè)映射首先，將直方圖a均衡化，得到均勻化灰度級(jí)sk然后，將直方圖b也均衡化，得到均勻化灰度級(jí)uk將直方圖a和b均衡化后，所得到的２個(gè)均勻化的直方圖對(duì)應(yīng)一幅圖像，則sk=uk．1.對(duì)原始直方圖pr(rk)進(jìn)行均衡化。2.對(duì)希望的直方圖pz(zk)進(jìn)行均衡化。3.用sk與uk理論上相等的關(guān)系，通過公式：

uk=sk=G-1(zk)，得到sk與zk的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4.利用步驟1所得到的sk與rk的對(duì)應(yīng)關(guān)系，和步驟3所得到的sk與zk的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到rk與zk的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即得到了zk所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)目。5.根據(jù)步驟4中所得到的像素?cái)?shù)目除以總像素?cái)?shù)目得到進(jìn)行規(guī)定化直方圖處理后圖像的直方圖。直方圖規(guī)定化的步驟2.1引言2.2圖像的灰度變換2.3圖像平滑與去噪

2.4圖像銳化2.5圖像的同態(tài)濾波2.6基于Retinex理論的圖像增強(qiáng)

2.7彩色增強(qiáng)2.8MATALAB編程實(shí)例第2章圖像增強(qiáng)2.3圖像平滑與去噪2.3.1模板操作和卷積運(yùn)算

模板操作實(shí)現(xiàn)了一種鄰域運(yùn)算，即某個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果不僅與本像素灰度有關(guān)，而且與其鄰域點(diǎn)的值有關(guān)。模板操作的數(shù)學(xué)含義是卷積（或互相關(guān)）運(yùn)算。常用的模板有：

鄰域平均法是一種局部空間域處理的算法。

基本思想：用鄰域像素灰度的平均值代替每個(gè)像素的灰度值。假定有一幅N×N像素的圖像f(x,y)，平滑處理后得到一幅圖像g(x,y)：

式中，x,y=0，1,2,…,N-1；S是以點(diǎn)(x,y)為中心的鄰域的集合，但不包括點(diǎn)(x,y)；M是集合內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)的總數(shù)。2.3.2鄰域平均法鄰域平均法優(yōu)點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快。缺點(diǎn)：在降低噪聲的同時(shí)容易模糊圖像邊沿和細(xì)節(jié)處。改進(jìn)：采用閾值法

式中T是一個(gè)非負(fù)閾值，當(dāng)一些點(diǎn)和它們鄰值的差值小于T

時(shí)，保留這些點(diǎn)的像素灰度值。(a)原始圖像(b)鄰域平均后的結(jié)果圖2-20采用鄰域平均法的效果2.3.3中值濾波

中值濾波是對(duì)一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)的諸像素灰度值排序，用中值代替窗口中心像素的原來灰度值，因此它是一種非線性的圖像平滑法。在一定的條件下，中值濾波可以克服線性濾波器所帶來的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對(duì)濾除脈沖干擾及圖像椒鹽噪聲非常有效；但是，對(duì)一些細(xì)節(jié)多，特別是點(diǎn)、線、尖頂細(xì)節(jié)較多的圖像則不宜采用中值濾波的方法。中值濾波的作用是在保護(hù)圖像邊緣的同時(shí)，去除噪聲。中值濾波的依據(jù)：噪聲以孤立點(diǎn)的形式出現(xiàn)，這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)很少，而圖像則是由像素?cái)?shù)較多、面積較大的塊構(gòu)成。中值濾波的目的就是要把這些孤立的點(diǎn)去除掉。中值濾波方法：選一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的窗口W，將這個(gè)窗口在圖像上移動(dòng)，把該窗口中所含的像素點(diǎn)按灰度值進(jìn)行升（或降）序排列，取位于中間的灰度值，來代替該點(diǎn)的灰度值。將原圖像中所有的像素點(diǎn)都執(zhí)行上述操作后就得到中值濾波的結(jié)果圖像。2.3.3中值濾波

例：有一個(gè)序列為{0,3,4,0,7}，當(dāng)窗口m＝5時(shí)，試求出采用中值濾波的結(jié)果。解：該序列重新排列后為{0,0,3,4,7}則中值濾波的結(jié)果

M{0,0,3,4,7}=3圖像的平滑除了在空間域中進(jìn)行外，也可以在頻率域中進(jìn)行。2.3.5頻率域低通濾波卷積理論是頻率域技術(shù)的基礎(chǔ)。設(shè)函數(shù)f(x,y)與算子h(x,y)的卷積結(jié)果是g(x,

y)，即g(x,y)=h(x,y)

*f(x,y)，那么根據(jù)卷積定理，在頻率域有： 其中G(u,v)，H(u,v)，F(xiàn)(u,v)分別是g(x,y)，h(x,y)，

f(x,y)的傅立葉(或其它)變換H(u,v)是傳遞函數(shù)

由于噪聲主要集中在高頻部分，為去除噪聲改善圖像質(zhì)量，可采用低通濾波器H(u,v)，來抑制F(u,v)的高頻分量，濾波得到G(u,v)，然后再進(jìn)行傅立葉反變換獲得濾波圖像，就可達(dá)到平滑圖像的目的。2.3.5頻率域低通濾波1.理想低通濾波器（ILPF）設(shè)傅立葉平面上理想低通濾波器離開原點(diǎn)的截止頻率為D0，則理想低通濾波器（ILPF）的傳遞函數(shù)為：含義：以D0為半徑的圓內(nèi)所有頻率分量無損的通過，圓外的所有頻率分量完全衰減。由于高頻成分包含有大量的邊緣信息，因此，采用該濾波器在去噪聲的同時(shí)將會(huì)導(dǎo)致邊緣信息損失而使圖像邊模糊。2.Butterworth低通濾波器

n階Butterworth濾波器的傳遞函數(shù)為：2.Butterworth低通濾波器

它的特性是連續(xù)性衰減，而不象理想濾波器那樣陡峭變化，即明顯的不連續(xù)性。因此采用該濾波器濾波在抑制噪聲的同時(shí)，圖像邊緣的模糊程度大大減小，沒有振鈴效應(yīng)產(chǎn)生；但計(jì)算量大于理想低通濾波器。3.高斯低通濾波器Gauss濾波器的傳遞