1第2章數字圖像基礎2.1圖像信號的數字化2.2*數字視頻信號和ITU-RBT.601標準2.3圖像設備和器件2.4高速DSP22.1圖像信號的數字化圖像信號的數字化:--“三部曲”

連續（模擬）圖像離散（數字）圖像取樣－－圖像在空間上的離散化的過程量化－－取樣點灰度值的離散化的過程標量量化均勻量化非均勻量化矢量量化編碼－－用二進制數來表示量化后樣值的過程3取樣和量化示例模擬圖像數字圖像數字化一個像素4圖像的空間分辨率示例16×16512×512256×25664×64128×1285圖像的灰度分辨率示例8灰度4灰度

2灰度64灰度

32灰度

16灰度62.1.1圖像信號的頻譜一維信號f(x)的傅氏變換F(f)

：(2.1)(2.2)7二維圖像f(x,y)的傅氏變換Ｆ(u,v)：實際二維圖像頻譜在頻率域上有界景物的復雜性有限，“雪花”點似的圖像無實際意義人眼、顯示器對空間復雜性（頻率）的分辨率有限度(2.3)(2.4)82.1.2取樣和二維取樣定理(a)原圖像連續空間(b)數字圖像離散空間（像素）

xyf(x,y)0x1

y1

f(x1,y1

)f(i,j)0f(i1,j1)iji1

j1

91.二維取樣定理回憶一維取樣定理?！?/p>

模擬圖像信號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

，（取樣點的水平間隔、垂直間隔滿足△x≤1/(2Um)，△y≤1/(2Vm)

）則圖像可被精確地恢復。

二維取樣定理－－由抽樣圖像恢復原圖像的必要條件。10取樣圖像的頻譜示例圖2.1取樣圖像的頻譜11取樣過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＝連續圖像＊取樣陣列(2.6)12取樣過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)132.從取樣圖像恢復原圖像滿足取樣定理條件(各頻譜區域互不交疊)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)(2.11)(2.12)IDFT恢復的圖像14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uvΔuΔvFp(u,v)H(u,v)153.亞取樣和混疊效應亞取樣減少數字圖像的數據量；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生混疊濾波器不可能將原圖像的頻譜分量濾取出來圖像的恢復中將會引入混疊失真亞取樣要盡量減少頻譜混疊失真uvLPF16實例：菱形亞取樣圖2.2菱形亞取樣及其頻譜分布1/(2Δx)1/(2Δy)u(c)vvUmu(b)VmFi(u,v)2Δx2Δyyx(a)fi(x,y)174.實際取樣脈沖效應實際取樣點陣列：取樣點陣列不是理想δ函數，有一定的寬度τ

；取樣點陣列不是無限伸展的。產生的影響：取樣脈沖有τ寬度，重建圖像誤差產生高頻失真，頻譜按sinc函數衰減；點陣非無限，圖像重建時就會產生邊界誤差和模糊現象。結果：用理想低通濾波器不能無失真地恢復原來的模擬信號；但只要滿足取樣定理，可用近似恢復出原模擬信號。18實際取樣脈沖效應的分析實際取樣脈沖陣列s(x,y)是截短δ函數陣列d(x,y)通過沖激響應為p(x,y)的線性濾波器產生的：有限取樣δ

陣列取樣后的圖像(2.16)取樣后圖像＝連續圖像＊取樣陣列(2.18)(2.17)DFT(2.19)有限取樣陣列19實際取樣脈沖的不理想對重建圖像的影響圖2.3 實際取樣脈沖的頻譜0xf(x,y)0uFi(u,v)-umums(x,y)0x01ΔxusτS(u,v)-us2us-2usu0xfp(x,y)0uFp(u,v)-umumus-us2us-2usy=0的截面FT

v=0的截面FTFT

Sa(uπ/2)Sa(uπ/2)202.1.3量化和編碼1、數字化“三部曲”：取樣，空間上被離散成為像素，像素值還是連續變化量；量化，將像素的連續值轉化為有限個離散值（均勻、非均勻量化）；編碼，賦予量化后的像素值以不同碼字，形成數字圖像。2、均勻量化：量化層數K取為用2的n次冪，即K=2n；像素值用n比特自然二進制碼表示，形成PCM編碼；通常圖像8比特量化，28=256，256個灰度等級。21經過取樣、量化和編碼以后，形成數字圖像一個數字圖像的實例9892958075826850979194797481674995899277727965479387907570776345918588736875614389838671667359418788846964715739857982676269553722例如：圖像的某一樣本幅度（灰度）為127.2，則量化為127，可用二進制長碼01111111（8比特）表示。量化區間量化步長判決電平量化電平量化誤差量化噪聲d0d1d2didi+1dk－1dk判決電平

e0e1量化電平

eiek－1

量化示意圖233.均勻量化誤差、量化噪聲、量化信噪比（1）量化誤差：e=真值－量化值。e相當于“噪聲”，“量化噪聲”。（2）量化誤差的均方值

設：n比特PCM編碼，量化步長為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：每抽樣的編碼比特數

n

直接關系到數字化的圖像質量，每增減1比特，就使量化信噪比增減約6分貝。一般應用：電視廣播、視頻通信等，8bit量化，已能滿足。特殊應用：高質量靜止圖像、遙感圖像等，10比特以上精度。242.2數字視頻信號和ITU-RBT.601標準2.2.1視頻信號的數字化PAL/NTSC制模擬信號數字化，即A/D轉換視頻信號的數字化也包括取樣、量化、編碼掃描體制在時間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視頻信號序列信號視頻序列活動圖像信號25三維電視信號圖2.4電視信號的掃描及取樣一幀電視畫面xytF(u,v)k-1幀k幀k-1幀26電視圖像的取樣頻率水平方向最高時間頻率Fm和最高空間頻率Um

由取樣定理，空間域取樣間隔ΔxΔt為掃描Δx間隔所需的時間綜合以上三式可得：結論同一維取樣定理掃描行電視幀τ圖2.5掃描間隔和最高頻率a0t空間最高頻率Um時間最高頻率Fm(2.22)(2.23)(2.24)(2.25)272.2.2ITU-RBT.601數字視頻標準1.復合數字系統直接對復合視頻信號取樣、A/D、形成復合數字視頻PAL制fsc＝4.43MHzNTSC制fsc＝3.59MHz表2.1復合數字系統的取樣參數標準取樣頻率Bit/取樣數據率（Mb/s）NTSC3fsc885.9NTSC4fsc8114.5PAL3fsc8106.3PAL4fsc8141.8282.ITU-RBT.601分量數字系統目標：不同制式的視頻在數字域互通分量編碼：對亮度信號(Y)和兩個色差(U、V)信號分別編碼統一的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關29表2.2ITU-RBT.601建議的主要參數（亮、色取樣頻率為4:2:2）

參量NTSC制(525行/60場)PAL制(625行/50場)編碼信號Y/R-Y/B-Y全行Y858864取樣點數R-Y/B-Y429432

取樣結構正交，按行/場/幀重復，每行中的R-Y/B-Y取樣與奇數（1,3,5,…）點Y取樣同位取樣頻率(MHz)Y13.5R-Y/B-Y6.75編碼方式亮度信號和色差信號均為PCM8bit每行有效取樣點數Y720R-Y/B-Y36030圖2.6不同格式的樣點位置示意圖(a)4:2:2格式(b)4:4:4格式表示Y樣點位置表示U/V樣點位置(d)4:2:0格式(c)4:1:1格式不屬于601標準31BT601標準中每一掃描行的采樣結構如圖所示。PAL制的亮度信號，每一掃描行采樣864個樣本；NTSC制的亮度信號，每一掃描行采樣858個樣本。所有的制式，每一掃描行的有亮度有效樣本數為720個。色度有效樣本數為360個。ITU-RBT.656格式視頻標準。（CommonIntermediateFormat，

CIF）視頻標準。

122像素720像素16像素NTSC制132像素720像素12像素PAL制有效采樣樣本322.3圖像設備和器件2.3.1模擬信號源視頻攝像機、照相機錄像機激光視盤(LD)等33

2.3.2數字信號源和圖像信號采集1.彩色掃描儀2.數字攝像機

家用攝像機專業用攝像機簡易攝像頭343.數碼相機4.圖像采集卡352.3.3圖像信號顯示1.CRT（陰極射線管：CathodeRayTube）顯示器圖2.7顯像管的基本結構(a)實物剖面陽極帽電子束偏轉線圈電子槍熒光屏(b)示意圖鋁膜362.液晶顯示器（LCD：LiquidCrystalDisplay）3.彩色等離子顯示器（PDP：PlasmaDisplayPanel

）英寸PDPPP42M5SBX42液晶顯示器372.3.4數字視頻和模擬視頻的轉換模擬視頻數字視頻復合模擬視頻信號經過A-D變換器轉換為數字視頻信號，在數字域中將Y/U/V實行分離，形成Y/U/V數字分量（或R/G/B）。數字視頻模擬視頻將Y/U/V（或R/G/B）數字分量經D-A變換器變為模擬Y/C分量，插入行、場同步和色同步信號后合成為模擬視頻信號。382.4高速DSP2.4.1圖像數據對DSP的要求圖像處理對DSP的要求：處理的數據量龐大處理的數據量突發性強處理復合性數據多同步性和實時性要求高高速DSP的特點：實時性很強靈活性較大成本越來越低392.4.2高速DSP的常用結構單指令、多數據流（SIMD：signalinstructionstreams,multipledatastreams）