第二章数字图像处理系统介绍

第二章数字图像处理系统介绍第1页，课件共46页，创作于2023年2月内容概要：2§2.1

系统简介§2.2

电视摄像机§2.3CCD摄像机§2.4CMOS摄像机§2.5

图像采集卡第2页，课件共46页，创作于2023年2月§2.1系统简介3图2.1

基本数字图像处理系统第3页，课件共46页，创作于2023年2月数字图像处理系统的组成CMOS摄像机电视摄像机CCD摄像机伪彩色图像采集卡■图像采集设备：摄像机、数码相机、扫描仪和数字图像采集卡■计算机处理系统：PC机真彩色图像采集卡■显示和输出设备：打印机、绘图仪4第4页，课件共46页，创作于2023年2月➢

§2.2.1 黑白电视摄像机➢

§2.2.2 彩色电视摄像机5§2.2电视摄像机第5页，课件共46页，创作于2023年2月聚焦极电子枪阴

极控制极6加速极光电靶偏转磁场输出R图2.2

光电管式摄像管结构图§2.2.1 黑白电视摄像机一、图像信号的产生第6页，课件共46页，创作于2023年2月图2.3电子束的扫描方式ANNACBBA帧扫描逆程帧扫描正程行扫描逆程行扫描正程BACN第7页，课件共46页，创作于2023年2月主要组成部分及原理光电转换电子束光电靶图像信号加速阳极聚焦极12 3 4 5 6 7 86464A

阴极+ERL等效电路8靶面像素排列第8页，课件共46页，创作于2023年2月二、电视图像信号的相关参数91。摄像机的扫描行数图2.4

对角线方向出现的阶梯轮廓在显示器上显示的效果仍然是模拟量——决定图像的分辨率第9页，课件共46页，创作于2023年2月h：图像画面的高度Z：摄像机的扫描行数S：象素正方形的边长a：观察者距离电视屏的距离：人眼的极限分辨率：观察者对整个画面的视角a图2.5画面最少象素的估算bhZ(b/h)Zh/z=S S第10页，课件共46页，创作于2023年2月当=1’时,那么人眼正好看到s高度时：tg(/2)=

(s/2)/a

/2tg(/2)=(h/2)/a取观察距离：a

5.5h,则近似取为10oZ＝h/S

/

=

600行设宽高比：b/h=4/3则画面最少象素总数：N=Z2·b/h=

4.810511第11页，课件共46页，创作于2023年2月%国际标准规定的电视制式12PAL（Phase Alternating Line）制式中国 电视画面扫描行数为625行NTSC （National Television System Committee）制式美国、日本 电视画面扫描行数为525行行相位交替制式平衡正交调制制式最终存储在计算机中的总像素数由图像卡决定第12页，课件共46页，创作于2023年2月电视图像显示频率（图像的活动分辨率）视觉暂留（16幅/秒）13PAL制式： 帧频f=50HzNTSC制式(彩色)：帧频f=60Hz每秒50幅画面每秒60幅画面2。图像的空间分辨率第13页，课件共46页，创作于2023年2月3。图像信号的频带图像信号的频率就是指图像信号的变化的快慢，即亮度变化的快慢a 估算图像信号的最高频率fmax设z---每幅图象的扫描行数（625行-中国）k---显示屏的宽高比（4/3）f---图象变化频率（50幅/秒-中国）如此，kz表示每行中所具有的像素数，如果每行中信号变化次数为kz/2，再考虑每秒传送f幅图像，则f(max)

(fkz

2

)/2

13MHZfmax可看成是频带宽度，但13MHz如此宽的频带不利于记录和传输利用人眼的视觉暂留特性，将逐行扫描改为隔行扫描(Interleaved

Scan)13MHz

6.5MHz14第14页，课件共46页，创作于2023年2月扫描行数必须是奇数一帧周期1/25秒一帧包括两场图2.6隔行扫描示意图15第15页，课件共46页，创作于2023年2月T场消隐期行消隐期

18%T图像信号白电平黑电平消隐电平场同步电平行同步电平图2.7视频信号以及行、场同步信号不同制式的电视标准具有不同的帧频、场频和行频4。视频信号的组成16第16页，课件共46页，创作于2023年2月§2.2.2彩色电视摄像机一、彩色图像信号的形成三基色：红R、绿G、蓝B分别用[R]，[G]，[B]表示彩色摄像机是色彩分光设备，将光分解为红绿蓝，光电转换后为不同比例的三种电信号：ER、

EG、

EB彩色摄像机分为三种三管式单管式17两管式第17页，课件共46页，创作于2023年2月a三管式彩色摄像机GRB反绿膜反蓝膜图2.8三管式彩色摄像机原理图a单管式彩色摄像机——比三管或双管结构简单、体积小、成本低随R、G、B分离方式（时间）的不同而种类各异条纹滤色片a双管式彩色摄像机——比单管分辨率高第18页，课件共46页，创作于2023年2月二、色的三要素和色度图19三要素：■ 色调（Hue）：表明颜色的种类取决于主波长120种■ 饱和度（Saturation）：表示颜色浓淡程度的物理量比较同一色调的两种光，饱和度愈大，则颜色显示愈深（浓）■ 亮度（Intensity）：表示人眼所感觉到的颜色明暗程度的物理量主观亮度与波长有关主要是色调和饱和度第19页，课件共46页，创作于2023年2月%三基色混合出的任一种色彩的国际标准（CIE－国际照明协会（1931年制定））NTSC制式：PAL制式:Q

使用方法：确定彩色显象管中的R、G、B所在位置，三点连成三角形，为所有可以显示的颜色。图2.9马蹄形色度图（ChromaticityDiagram）20R:x=0.670,y=0.323G:x=0.214,y=0.710B:x=0.140,y=0.084R:x=0.640,y=0.330G:x=0.290,y=0.600B:x=0.150,y=0.060第20页，课件共46页，创作于2023年2月1。三基色RGB与亮度Y的关系白色（亮度）如果用相应的电信号表示，其数学表达式为：EY=(1×

ER)+(1

×EG)+(1

×

EB)其中，ER、EG、

EB表示相应的电信号EY是眼视觉白色亮度信号EY=(0.3×ER)+(0.59

×

EG)+(0.11

×EB)上式为三基色与亮度之间的关系式人的视觉对其颜色敏感程度的差异，等量的混合不能得到白色，故其混合比例要调整21三、彩色信号的传输第21页，课件共46页，创作于2023年2月2。彩色信号传输的信号量22三个信号：Ey---黑白接受机需要的亮度信号将R、G、B信号换成色差信号EU=EB

–EYEV=ER

-EY由此三个信号可推出：EG -EY=-0.51（ER–ERY）

-0.19

（EB–EY）Ey、

EU

、EV总称复合视频信号第22页，课件共46页，创作于2023年2月3。亮度信号和色差信号兼容的技术实现nFH (n+1)FH (n+2)FH图2.10亮度信号Ey的频谱分析分析：分布不连续而且能量集中在低频区，主谱线附近各主谱线以FH行频为间距排列23第23页，课件共46页，创作于2023年2月4。频谱间置fH24f(MHz)亮度信号EY色信号C12 34 5图2.11色副载波频率fH与EY频带分配第24页，课件共46页，创作于2023年2月%

目前世界上彩色电视的三种标准25NTSC制（NationalTelevisionSystem

Committee平衡正交调制）PAL制（Phase

Alternating

Line行相位交替）SECAM制（Sequentiel

Couleuravec

Memoire顺序传送彩色与存贮）不同制式的色副载波频率不同NTSC制式：fH=3.58MHzPAL制式：fH=3.58MHzSECAM制式：奇数行fH=4.4MHz，偶数行fH=4.25MHz第25页，课件共46页，创作于2023年2月图2.12NTSC平衡正交调制数字化梳状滤波器构成图像的亮度和色度信号在视频信号中是混在一起的26第26页，课件共46页，创作于2023年2月EcEc’ER－EYEB－EYER－EY-(ER－EY)EB－EYECEc’E’cE’’cn+1行n行视觉叠加效果图2.13NTSC制因相角的改变造成的色度误差图2.14PAL制纠正因相角差造成的串色27第27页，课件共46页，创作于2023年2月§2.3CCD摄像机28CCD——Charge-CoupledDevices

电荷耦合器件CCD摄像机图像信号产生的原理：两个阶段——■集聚期（Integration

Perior）：形成电荷包■输出期（Readout

Perior）：输出电荷第28页，课件共46页，创作于2023年2月图2.15势阱（Potentialwell）形成的电荷包29第29页，课件共46页，创作于2023年2月Ф1Ф2Ф3ABCDEFGPixel PixelФ1 Ф2 Ф3 Ф1 Ф2 Ф3图2.16三相驱动下，电荷包从一个象素传到另一个象素的传输过程CDEABFG第30页，课件共46页，创作于2023年2月输出寄存器输出段图2.17面阵CCD信号传输过程示意图集聚期：光被集聚并转换电荷全部行同时传送，末端行的电荷传送进输出寄存器输出寄存器传送到输出端输出寄存器中所有像素信号传到输出端后再传送下一行的像素至输出寄存器第31页，课件共46页，创作于2023年2月§2.4CMOS摄像机CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor

Transistor)互补金属氧化物半导体图2.18CMOS图像传感器结构图32第32页，课件共46页，创作于2023年2月%CMOS摄像机的优点工艺成本低和片内高度集成%低功耗，单电压提高电源使用效率%可对兴趣区域像素进行随机读取，增加了工作的灵活性%没有拖影、光晕等假信号，保证更高质量的图像信号33第33页，课件共46页，创作于2023年2月§2.5图像采集卡图2.19图像采集卡方框图视频信号A/D转换器帧存储器（2）查寻表LUTD/AD/AD/AR34GB视频信号输入一、伪彩色图像采集卡帧存储器（1）第34页，课件共46页，创作于2023年2月1。A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter-ADC）tO（1）采样h(t)图2.20电压模拟信号图2.21脉冲信号35第35页，课件共46页，创作于2023年2月Oh(t)ty(t)-fcfcf1/T-fc1/T-fc图2.22函数抽样过程的图解说明tH(f)*(f)抽样函数：波形抽样函数y（t）第36页，课件共46页，创作于2023年2月%奈奎斯特抽样定理采样频率低时傅氏变换出现混叠效应混叠效应在视频图象上表现为一种被称为morie的涟漪状的干扰孔阑效应产生高频衰减原图37第37页，课件共46页，创作于2023年2月因此，不造成波形混叠的条件是：F=1/T≥2fc38fc是输入函数h(t)的傅立叶变换的最高频率（截止频率）第38页，课件共46页，创作于2023年2月第39页，课件共46页，创作于2023年2月实际抽样的抽样脉冲序列为有一定宽度的矩形周期脉冲序列其频谱在幅度上受sin(Ωτ/2)/(Ωτ/2)(τ是脉冲宽度)加权由图可见，抽样频率大于2倍频谱最高频率时，信号的频谱无混叠奈奎斯特抽样定理：要从抽样信号中无失真的恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。40第40页，课件共46页，创作于2023年2月%黑白图像的最高采样频率41彩色制式N制的频率fmax＝5.5MHz彩色制式P制的频率fmax＝6.5MHz图像卡的采样频率多为10MHz，符合奈奎斯特采样定理第41页，课件共46页，创作于2023年2月（2）量化1模拟量的度量方法电压比较法：归一化，电压比较转换值111

1101011000110100010000.1250.31250.43750.750b=3bit为例转换器的分辨能力图2.23A/D转换关系图V模拟输入电压42第42页，课件共46页，创作于2023年2月2。伪彩色查寻表LUT（Look-upTable）伪彩色（False

Color

or

Pseudo-Color）按饱和度由0％～100％递增排列可构成2563＝1677万种彩色最简单的组合色彩是256级图2.24LUT的构成三个寄存器256种色彩012255D/A43第43页，课件共46页，创作于2023年2月3。图像采集卡与摄像机的同步44采集卡与摄像机具有相同的行频和场频行同步—水平同步（HorizontalSynchronization-H.Sync

）信号场同步—垂直同步（Vertical

Synchronization-V.Sync

）信号复合同步（Composite

Synchronization-H.Sync

）信号¶内同步：由图象采集卡去同步摄像机，由它输出一个同步信号去驱动摄机的行、场同步像¶外同步：由摄像机的复合信号中提取同步信号去驱动采集卡第44页，课件共46页，创作于2023年2月二、真彩色图像卡1

/

2

}45213[(

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)

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R

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