多媒体通信技术 第4章 图像技术基础课件

第4章图像技术基础4.1视觉特性4.2图像质量评价4.3图像信号数字化4.4数字图像处理1多媒体通信技术第4章图像技术基础4.1视觉特性视觉灵敏度人眼对不同波长的光所呈现的视觉感知是不同的，而且因人而异。为了了解人眼的视觉特性，因此国际照明委员会（CIE）特推荐标准视度曲线（人眼视觉光谱灵敏度曲线）2多媒体通信技术第4章图像技术基础从图中可以看出，随着波长的不同，不仅颜色不同，而且亮度感觉也不同。因此，只有采用不同的照明功率才能使人眼对不同波长的光产生相同的亮度感觉；反之，当射入人眼的光具有相同的辐射功率时，人眼对不同波长的光的亮度感觉是不同的。3多媒体通信技术第4章图像技术基础光度测量参数当描述光源的照明效果时，由于无法直接用辐射光功率来描述，因此实际中是使用两套参数来分别描述辐射光和照明光。前者与人眼的视觉特性无关，而后者则考虑了人眼的视觉特性。辐射功率和辐射强度

辐射功率和辐射强度与人眼的视觉特性无关，辐射功率指单位时间内辐射出的总能量，与辐射的功率频谱分布有关。辐射强度是指点辐射源沿单位立体角所辐射的功率，单位瓦\立体角弧度。发光强度、亮度和照度发光强度、亮度和照度是考虑到人眼视觉特性后的结果。4多媒体通信技术第4章图像技术基础光通量是指单位时间内发出的光能量，单位：流明，lm。光通量与面积无关。

发光强度是单位立体角内辐射出的光通量，单位：坎德拉，cd。光通量与发光强度亮度与照度亮度是指发光面在某一给定方向上的发光强度与该发光面积在此方向上的投影之比，单位：尼特，nit。亮度是表征发光面的发光能力的物理量，具有方向性。照度是指单位面积上所接收到的光功率，单位：勒克司，lx。照度是用来描述被照表面所接受的入射光的强弱，照度是针对入射光的量度，而亮度是针对射出光的量度。5多媒体通信技术第4章图像技术基础彩色视觉和立体视觉彩色的概念在自然界中，当阳光照射到不同的景物上时，所呈现的色彩不同，这是因为不同的景物在太阳光的照射下，反射（或透射）了可见光谱中的不同成分而吸收了其余部分，从而引起人眼的不同彩色视觉。彩色与物体相关联的，但不只是物体本身属性，也不只是光本身的属性，所以同一物体在不同光源照射下所呈现的彩色效果不同。白光照蓝纸，反射蓝光，蓝色的纸。绿光照蓝纸，不反射，黑纸。6多媒体通信技术第4章图像技术基础彩色视觉从视觉的角度描述彩色的过程中会用到亮度、色度和饱和度三个术语。亮度表示光的强弱；色度是指彩色的类别，如黄色、绿色、蓝色等；饱和度则代表颜色的深浅程度，如浅紫色、粉红色。色调与饱和度又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色类别，又表示颜色的深浅程度。自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光混合而成，因而人们称红、绿、蓝为三基色。7多媒体通信技术第4章图像技术基础经过大量的验证测试，人们认识到视网膜上有三种类型的锥状细胞，它们各自的光谱灵敏度曲线为：8多媒体通信技术第4章图像技术基础立体视觉立体视觉一般分为双眼视觉和单眼视觉。双眼视觉是指双眼同时观看一个空间景物时所形成的立体视觉。人的双眼之间存在一定的距离，58~72mm之间，同一物体在左右两眼的视网膜上的成像存在差异，因此形成了高深宽的立体效果。单眼视觉是指单眼观看景物时所产生的立体感觉。单眼看物体时，通过睫状肌的调节作用，使远近不同的景物在视网膜上呈现清晰的像，调节量的大小产生不同的深度感觉。9多媒体通信技术第4章图像技术基础人眼的分辨力与空间频率如果在人眼正前方有两个彼此靠近的黑点，当他们的距离缩小到一定程度时，人眼是无法分辨出他们的，会认为是两个连在一起的黑点，可见人眼分辨景物细节的能力是有限的。人眼的分辨力究竟有多高，用何种方法对其进行描述，一直是人们非常关注的问题。经过长期的研究发现，将人眼等效为一个空间频率滤波器，这样在考虑到分辨力与照度、对比度和噪音等方面影响的同时，便可以利用滤波器的频率特性来表示人眼的分辨力。可见空间频率的概念在图像技术中具有很重要的地位。10多媒体通信技术第4章图像技术基础空间频率时间频率是用单位时间内某物理量（如电压、电流）周期性变化的次数来定义的，单位为周/秒，其自变量为时间。

空间频率则是某物理量（如亮度、发光强度）在单位空间距离内周期性变化的次数，单位为周/米。人眼的空间频率响应实验研究发现，人眼对不同空间细节的分辨力是变化的，可用视觉空间频率响应曲线表示。11多媒体通信技术第4章图像技术基础0.10.31310301.00.3空间频率(线/mm)MTF彩色亮度12多媒体通信技术第4章图像技术基础从图中可以看出，人眼对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节的分辨能力低。例如原有黑白相同的条纹，当它们距人眼一定距离时，仍能分辨出其黑白间的差别，但如果仍保持其条纹间的距离，只是将黑白条纹换成彩色条纹，此时便无法做出分辨。据资料显示，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此彩色电视系统在传输彩色图像时，细节部分可以不传送彩色信息，而只传送黑白信息，以此来节约传输频带资源。13多媒体通信技术第4章图像技术基础人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。将人眼分辨出色调差别的最小波长变化值称为色调分辨阈，它是随着波长的变化而变化的。14多媒体通信技术第4章图像技术基础人眼的对比度特性图像的对比度与灰度对比度是指景物或重现图像的最大亮度Lmax与最小亮度Lmin之比，用符号C表示，即而画面的最大亮度与最小亮度之间所能分辨的亮度感觉级数称为亮度层次，也称为灰度。15多媒体通信技术第4章图像技术基础由于人眼的亮度感觉是相对的，即同一亮度在不同的环境亮度下给人的亮度感觉是不同的，因此当人们看电视时，在考虑到环境亮度后，电视图像的对比度为其中为环境亮度。16多媒体通信技术第4章图像技术基础人眼的对比度灵敏度特性亮度感觉在定义亮度时，虽然考虑了人眼的光谱灵敏度，但实际观察景物时所获得的亮度感觉，并不仅由景物的亮度决定，而且与其所处的周围环境亮度有关。亮度感觉是指能分辨出不同的亮度层次。17多媒体通信技术第4章图像技术基础人眼视觉的对比度灵敏度人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅明暗差别所需的最低对比度，称为分辨这一空间频率的临界对比度，用Cr表示。临界对比度的倒数1/Cr被称为人眼对于这一空间频率对比度灵敏度。由以上定义可知，临界对比度表示人眼在给定的亮度环境下所能区分景物的最小亮度差别，通常称这一最小亮度差别为一个亮度级（或灰度级）。18多媒体通信技术第4章图像技术基础视觉惰性与闪烁的概念视觉惰性当一个景物突然出现在眼前时，需经过一定的时间才能形成一个稳定的主观亮度感觉；同样当一个实际景物从眼前消失后，所看到的印象都不会立即消失，还会暂留一段时间，由此可见人眼亮度感觉的建立与消失都滞后于实际的光刺激，而且此过程是逐步的，这样一种现象就是视觉惰性。19多媒体通信技术第4章图像技术基础闪烁如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其重复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这种感觉就是闪烁，但当重复频率足够高时，闪烁感觉将消失，随之看到的是一个恒定的亮点。临界闪烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。临界闪烁频率与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频率也相应地增高。20多媒体通信技术第4章图像技术基础掩蔽效应背景亮度变化越剧烈，人眼的对比度灵敏度越低。21多媒体通信技术第4章图像技术基础视觉的彩色掩蔽效应22多媒体通信技术第4章图像技术基础4.2图像质量的评价

图像质量的评价方法有两种，即主观评价和客观评价。影响图像质量的基本因素：发送环境：照度和闪烁；接收环境：室内照明、显示器、视距；图像通信系统；变换与反变换。23多媒体通信技术第4章图像技术基础图像质量的主观评价主观评价是指观察者依据自己的感觉对图像质量进行评价，是一种最直观、最可靠的评价方法受人的感觉和心理状态的影响，即图像质量的最终评价与观察者心理因素有关24多媒体通信技术第4章图像技术基础图像的客观评价图像逼真度计量法数学公式会议电视系统的图像质量评价因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时、运动补偿25多媒体通信技术第4章图像技术基础4.3图像信号数字化4.3.1图像信号的表述连续图像信号转化为离散数字信号包括三大部分，即取样、量化和编码。取样又称为抽样，它是图像信号空间离散化的过程。这时所选取的点就是取样点、抽样点或样点，也被称为像素。由此可见，一幅图像是由许多大小有限的像素组成，而且每个像素既是时间、空间的函数，同时又有其光学特性。26多媒体通信技术第4章图像技术基础图像中的任何一个像素P通常可用8个物理量表示，即其中（x,y,z）表示像素的空间变量，L，H，S分别代表像素的亮度、色调和饱和度，R则表示图像的分辨率（即每一个像素面积在图像总面积中的比例，t是该像素产生上述物理量的时间。27多媒体通信技术第4章图像技术基础图像信号的频谱图像通信系统是一个二维信息系统，因此可以进行类似的定义，二维函数f（x,y）与其频谱F(μ,ν)的关系：从频率域上来观察图像时，大多数情况下其频谱多局限在一定的范围之内。28多媒体通信技术第4章图像技术基础二维取样定理一个模拟信号f(x,y)的傅氏频谱为F(μ,ν)，如果其水平方向的截止频率为Um，而垂直方向的截止频率为Vm，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为U0≥2Um和V0≥2Vm（水平间隔Δx≤1/(2Um），垂直间隔Δy≤1/(2Vm),就可以精确地恢复出原图像，这就是二维取样定理。4.3.2取样与二维取样定理其中29多媒体通信技术第4章图像技术基础如果图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以看出，抽样后的图像信号fp(x,y)的频谱是原频谱F(μ,ν)沿μ轴和ν轴分别以Δu，Δv为间隔无限地周期重复的结果。只要Δu>2Um，Δv>2Vm，抽样后的图像信号频谱就不会出现混叠。因此通常在进行取样之前，图像信号首先经过一个低通滤波器，使其成为一个限带信号。当以满足上述条件的取样间隔进行取样时，取样后的图像频谱不会出现混叠的现象，这样可以利用一个低通滤波器将原图像频谱滤出，从而可无失真地重建原图像，这就是二维取样定理，也称为二维奈奎斯特取样定理。30多媒体通信技术第4章图像技术基础量化与量化信噪比经过取样后所获得的图像是由一系列空间上离散的样值序列构成，而每个样值是一个有无穷多个取值的连续变量。量化是指将具有无限多个取值的样值用有限个离散值来表示的过程，并且可以赋予不同的码字，从而成为真正意义上的数字图像。均匀量化时的信噪比非均匀量化时的量化信噪比4.3.3量化与编码31多媒体通信技术第4章图像技术基础编码每增加/减小1bit，就使量化信噪比增加/减小约6dB。取样值的编码比特数n，直接决定图像的质量。32多媒体通信技术第4章图像技术基础4.3.4取样、量化对图像质量的影响实际取样脉冲宽度的影响量化误差的影响量化误差所造成的图像质量下降的主要原因有斜率过载、颗粒噪声、边缘忙乱和伪轮廓四种。斜率过载发生在图像灰度急剧变化的边界，正是由于此处灰度变化太大，即使使用最大的量化值，仍无法反映期间的变化，因此使图像轮廓变得模糊。33多媒体通信技术第4章图像技术基础颗粒噪声出现在图像灰度变化很小的区域，这时最小的量化间隔仍不足以反映其缓慢的变化过程，因此可能会在两个最小量化电平之间出现来回振荡的局面，造成解码后所恢复的图像中其灰度平坦区域出现颗粒状的细斑。边缘忙乱是指在变化不太快的边缘出现闪烁不定的现象。这是由于原始图像中存在噪声，它造成不同图像帧之间在同一像素位置产生的量化噪声不同，从而引起缓慢变化的边缘出现这种不确定的现象。34多媒体通信技术第4章图像技术基础伪轮廓发生在图像亮度缓慢变化的区域，此时预测误差较小，但实际系统中所采用量化间隔过大，则会在图像亮度缓慢增加或减小的区域，出现这种伪轮廓的现象。35多媒体通信技术第4章图像技术基础4.4数字图像处理4.4.1数字图像处理系统模型及其主要处理方法存取/通信主图像处理（计算机硬件/软件）图像输入图像输出控制、存储CCD摄像机DC扫描仪CRT荧光屏显示器打印机绘图仪36多媒体通信技术第4章图像技术基础图像信息处理的主要方法图像变换：利用正交变换，改变图像域。图像增强：用数学方法等手段改善图像中感兴趣部分的清晰度（灰度修正、图像平滑、边缘增强）。图像复原：采取技术手段使降质的图像复原。图像压缩：采用压缩编码减少图像数据量。图像重建：用X射线、超声波等方法对物体内部的结构数据进行运算，从而构成物体内某些部位的图像。37多媒体通信技术第4章图像技术基础4.4.2图像增强实现图像增强的基本方法有两大类，空间域法和频率域法。频率域法是在图像的变换域上进行的，增强图像中感兴趣的频率分量