数字图像处理第2章数字图像基础北邮出版社.ppt

1,数字图像处理与图像通信 朱秀昌 刘 峰 胡 栋 北京邮电大学出版社,2,第2章 数字图像基础,2.1 图像信号的数字化 2.2 * 数字视频信号和ITU-R BT.601标准 2.3 图像设备和器件 2.4 高速DSP,3,2.1 图像信号的数字化,图像信号的数字化:- “三部曲” 连续（模拟）图像离散（数字）图像 取样图像在空间上的离散化的过程 量化取样点灰度值的离散化的过程 标量量化 均匀量化 非均匀量化 矢量量化 编码用二进制数来表示量化后样值的过程,4,取样和量化示例,5,图像的空间分辨率示例,6,图像的灰度分辨率示例,7,2.1.1 图像信号的频谱 一维信号f ( x )的傅氏变换F ( f ) ：,(2.1) (2.2),8,二维图像f(x,y)的傅氏变换(u,v) ： 实际二维图像频谱在频率域上有界 景物的复杂性有限，“雪花”点似的图像无实际意义 人眼、显示器对空间复杂性（频率）的分辨率有限度,(2.3) (2.4),9,2.1.2 取样和二维取样定理,(a) 原图像连续空间,(b)数字图像离散空间（像素）,10,1.二维取样定理 回忆一维取样定理。 模拟图像信号f(x,y)的频谱F(u,v)在水平方向、垂直方向的截止频率分别为Um、Vm ，只要水平方向、垂直方向的空间取样频率 U0 Um ，V0 Vm ， （取样点的水平间隔、垂直间隔满足x1/(2 Um)，y1/(2 Vm) ） 则图像可被精确地恢复。 二维取样定理由抽样图像恢复原图像的必要条件。,11,取样图像的频谱示例,图2.1 取样图像的频谱,12,取样过程的空域分析,用于取样的冲激阵列,取样后的图像,(2.5),取样后图像连续图像取样阵列,(2.6),13,取样过程的频域分析,冲激阵列的频谱,取样后的频谱,(2.7),(2.8),(2.9),(2.10),14,2. 从取样图像恢复原图像 满足取样定理条件(各频谱区域互不交叠) 用理想二维低通滤波器H(u,v)可完整地取出原图像频谱Fr(u,v),(2.14),(2.11),(2.12),IDFT,恢复的图像,15,用理想低通滤波器H(u,v)提取取样图像的基本频谱F(u,v)的示意,16,3.亚取样和混叠效应 亚取样 减少数字图像的数据量； 亚取样 取样定理的条件不满足 混叠。 取样图像频谱的各次谐波发生混叠 滤波器不可能将原图像的频谱分量滤取出来 图像的恢复中将会引入混叠失真 亚取样要尽量减少频谱混叠失真,17,实例：菱形亚取样,18,4.实际取样脉冲效应 实际取样点阵列： 取样点阵列不是理想函数，有一定的宽度 ； 取样点阵列不是无限伸展的。 产生的影响： 取样脉冲有宽度，重建图像误差产生高频失真，频谱按sinc函数衰减； 点阵非无限，图像重建时就会产生边界误差和模糊现象。 结果： 用理想低通滤波器不能无失真地恢复原来的模拟信号； 但只要满足取样定理，可用近似恢复出原模拟信号。,19,实际取样脉冲效应的分析 实际取样脉冲阵列s(x,y)是截短函数阵列d(x,y)通过冲激响应为p(x,y)的线性滤波器产生的：,有限取样 阵列,取样后的图像,(2.16),取样后图像连续图像取样阵列,(2.18),(2.17),DFT,(2.19),有限取样阵列,20,实际取样脉冲的不理想对重建图像的影响,Sa(u/2),Sa(u/2),21,2.1.3 量化和编码 1、数字化“三部曲”： 取样，空间上被离散成为像素，像素值还是连续变化量； 量化，将像素的连续值转化为有限个离散值（均匀、非均匀量化）； 编码，赋予量化后的像素值以不同码字，形成数字图像。 2、均匀量化：,量化层数K取为用2的n次幂，即K=2n ； 像素值用n比特自然二进制码表示，形成PCM编码； 通常图像8比特量化，28=256，256个灰度等级。,22,经过取样、量化和编码以后，形成数字图像,23,例如： 图像的某一样本幅度（灰度）为127.2， 则量化为127， 可用二进制长码 01111111（8比特）表示。 量化区间 量化步长 判决电平 量化电平 量化误差 量化噪声,24,3.均匀量化误差、量化噪声、量化信噪比 （1）量化误差：e=真值量化值。 e 相当于“噪声”，“量化噪声”。 （2）量化误差的均方值 设：n比特PCM编码，量化步长为1/2n ，取样值是均匀分布, 则可以证明：量化误差的均方值 （3）量化信噪比,(2.21),(2.20),可见：每抽样的编码比特数 n 直接关系到数字化的图像质量，每增减 1 比 特， 就使量化信噪比增减约6分贝。 一般应用：电视广播、视频通信等，8 bit量化，已能满足。 特殊应用：高质量静止图像、遥感图像等，10比特以上精度。,25,2.2 数字视频信号和ITU-R BT.601标准,2.2.1 视频信号的数字化 PAL/NTSC制模拟信号数字化，即A/D转换 视频信号的数字化也包括取样、量化、编码 扫描体制在时间 t 维已离散 扫描体制在垂直 y 维已离散 在 x 维可以自行取样 电视信号 视频信号 序列信号 视频序列 活动图像信号,26,三维电视信号,图2.4 电视信号的扫描及取样,27,电视图像的取样频率 水平方向最高时间频率Fm和最高空间频率Um 由取样定理，空间域取样间隔x t为扫描x间隔所需的时间 综合以上三式可得： 结论同一维取样定理,(2.22),(2.23),(2.24),(2.25),28,2.2.2 ITU-R BT.601数字视频标准 1.复合数字系统 直接对复合视频信号取样、A/D、形成复合数字视频 PAL 制fsc4.43 MHz NTSC制fsc3.59 MHz,表2.1 复合数字系统的取样参数,29,2. ITU-R BT.601分量数字系统 目标：不同制式的视频在数字域互通 分量编码：对亮度信号(Y)和两个色差(U、V)信号分别编码 统一的Y取样频率13.5MHz，色差U、V的取样频率6.75MHz 取样频率与彩色副载波频率无关,30,表 2.2 ITU-R BT.601建议的主要参数（亮、色取样频率为4:2:2）,31,图2.6 不同格式的样点位置示意图,不属于 601标准,32,BT 601标准中每一扫描行的采样结构如图所示。 PAL 制的亮度信号，每一扫描行采样864个样本； NTSC制的亮度信号，每一扫描行采样858个样本。 所有的制式，每一扫描行的有亮度有效样本数为720个。 色度有效样本数为360个。 ITU-R BT.656格式视频标准。 （Common Intermediate Format， CIF）视频标准。,33,2.3 图像设备和器件,2.3.1 模拟信号源 视频摄像机、照相机 录像机 激光视盘(LD)等,34,2.3.2 数字信号源和图像信号采集,1.彩色扫描仪,35,3.数码相机,4.图像采集卡,36,2.3.3 图像信号显示 1.CRT（阴极射线管：Cathode Ray Tube）显示器,图2.7 显像管的基本结构,(a) 实物剖面,37,2.液晶显示器（LCD：Liquid Crystal Display ）,3. 彩色等离子显示器（PDP：Plasma Display Panel ）,英寸PDP PP42M5SBX42,液晶显示器,38,2.3.4 数字视频和模拟视频的转换 模拟视频 数字视频 复合模拟视频信号经过A-D变换器转换为数字视频信号， 在数字域中将Y/U/V实行分离，形成Y/U/V数字分量（或R/G/B）。 数字视频 模拟视频 将Y/U/V（或R/G/B）数字分量经D-A变换器变为模拟Y/C分量， 插入行、场同步和色同步信号后合成为模拟视频信号。,39,2.4 高速DSP,2.4.1 图像数据对DSP的要求 图像处理对DSP的要求： 处理的数据量庞大 处理的数据量突发性强 处理复合性数据多 同步性和实时性要求高 高速DSP的特点： 实时性很强 灵活性较大 成本越来越低,40,2.4.2 高速DSP的常用结构 单指令、多数据流（SIMD：signal instruction streams, multiple data streams） 分裂算逻部件（Slip-ALU: arithmetic and logical unit） 超长指令字超长指令字 （VLIW：very long instruction word） 多指令、多数据流（MIMD：multiple instruction streams，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 补充：TI公司的“Davince”芯片：ARM+TMS320642,42,示例：AD公司双核BF561高速DSP 美国模拟