1、3.1 视觉特性视觉特性 3.2 图像质量的评价图像质量的评价 3.3 图像信号数字化图像信号数字化3.4 电视技术基础电视技术基础本章主要内容本章主要内容第第3章章 图像技术基础图像技术基础 无论是电视系统，还是电影，其最终的目的都是为接收无论是电视系统，还是电影，其最终的目的都是为接收者提供视觉图像，因此图像质量与人眼的视觉特性有关。为者提供视觉图像，因此图像质量与人眼的视觉特性有关。为了能够掌握图像通信的基础理论，因此本章将对人眼的视觉了能够掌握图像通信的基础理论，因此本章将对人眼的视觉特性、图像的数字化过程、电视技术基础以及图像质量的评特性、图像的数字化过程、电视技术基础以及图像质量的
2、评估等问题进行详细的介绍。估等问题进行详细的介绍。图像能够以各种各样的形式出现，例如，可视的和不可图像能够以各种各样的形式出现，例如，可视的和不可视的，抽象的和实际的，适于计算机处理的和不适于计算机视的，抽象的和实际的，适于计算机处理的和不适于计算机处理的。就其本质来说，可以将图像分为两大类：处理的。就其本质来说，可以将图像分为两大类：模拟图像模拟图像和和数字图像数字图像。将模拟图像信号经。将模拟图像信号经A/D变换后就得到数字图像变换后就得到数字图像信号，数字图像信号便于进行各种处理。信号，数字图像信号便于进行各种处理。图像信号图像信号按其内容变化与时间的关系分类按其内容变化与时间的关系分类
3、，主要包括，主要包括静态图静态图 像像和和动态图像动态图像两种；两种；图像信号图像信号按其亮度等级的不同按其亮度等级的不同可分为可分为二值图像二值图像和和灰度图像灰度图像；图像信号图像信号按其色调的不同按其色调的不同可分为可分为黑白图像黑白图像和和彩色图像彩色图像；图像信号图像信号按其所占空间的维数不同按其所占空间的维数不同可分为平面的可分为平面的二维图像二维图像和和 立体的立体的三维图像三维图像等等。等等。发光物体发光物体呈现的颜色是由物体呈现的颜色是由物体本身发出不同波长的光本身发出不同波长的光所造成；所造成；不发光物体不发光物体呈现的颜色是光照射物体时呈现的颜色是光照射物体时被物体反射出
4、的光被物体反射出的光所具所具 有的。有的。3.1 视觉特性视觉特性视觉灵敏度视觉灵敏度 人眼对不同波长的人眼对不同波长的光所呈现的视觉感知是不光所呈现的视觉感知是不同的，而且因人而异。为同的，而且因人而异。为了了解人眼的视觉特性，了了解人眼的视觉特性，因此国际照明委员会因此国际照明委员会（CIECIE）特推荐标准视度）特推荐标准视度曲线（人眼视觉光谱灵敏曲线（人眼视觉光谱灵敏度曲线）度曲线）图图3-1 3-1 光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线三基色原理三基色原理 红、绿、蓝三色光可以混合成自然界的全部色彩，红、绿、蓝三色光可以混合成自然界的全部色彩，而这三色光本身相互独立，所以人们常常将而这三色光
5、本身相互独立，所以人们常常将红、绿、蓝红、绿、蓝称为色光称为色光三原色三原色。从生理学上讲：人们眼睛的视网膜上。从生理学上讲：人们眼睛的视网膜上存在着三种不同类型的锥体细胞，它们分别对红、绿、存在着三种不同类型的锥体细胞，它们分别对红、绿、蓝有很高的灵敏度（对不同波长有不同的灵敏度），物蓝有很高的灵敏度（对不同波长有不同的灵敏度），物体反射光进入人眼睛以后，在三种锥体细胞的作用下，体反射光进入人眼睛以后，在三种锥体细胞的作用下，产生不同颜色的光感。这就是三刺激理论，又称三色学产生不同颜色的光感。这就是三刺激理论，又称三色学说理论。说理论。2、光度测量参数、光度测量参数 当描述光源的照明效果时，
6、由于无法直接用辐射光功率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视觉特性.常用光度量单位常用光度量单位：光通量光通量：光源在单位时间内所发出的光能量，其单位是流明：光源在单位时间内所发出的光能量，其单位是流明（lm).lm).辐射功率辐射功率P P：是指辐射体在单位时间内所辐射出的总能量，是指辐射体在单位时间内所辐射出的总能量，其与辐射的功率频谱分布有关。其与辐射的功率频谱
7、分布有关。辐射强度辐射强度I I是指点辐射源沿单位立体角所辐射出的功率。是指点辐射源沿单位立体角所辐射出的功率。发光强度发光强度：点光源在单位面积内辐射出的光通量称为发光强度。：点光源在单位面积内辐射出的光通量称为发光强度。亮度亮度表示了单位面积上发射光或反射光的强度。亮度具有方向表示了单位面积上发射光或反射光的强度。亮度具有方向 性。性。照度照度是指被照表面单位面积上所接收到的入射光功率。可见，是指被照表面单位面积上所接收到的入射光功率。可见，照度照度是针对是针对入射光入射光进行度量的单位，而进行度量的单位，而亮度亮度则是对则是对射出射出 光光的度量。的度量。3、彩色视觉和立体视觉、彩色视觉
8、和立体视觉（1）彩色的概念）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，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。部分，从而引起人眼的不同彩色视觉。（2）彩色视觉）彩色视觉 从视觉的角度描述彩色的过程中会用到从视觉的角度描述彩色的过程中会用到亮度亮度、色度色度和和饱饱和度和度三个术语。三个术语。亮度亮度表示光的强弱；表示光的强弱；色度色度是指彩色的类别，
9、是指彩色的类别，如黄色、绿色、蓝色等；如黄色、绿色、蓝色等；饱和度饱和度则代表颜色的深浅程度，如则代表颜色的深浅程度，如浅紫色、粉红色。浅紫色、粉红色。色调与饱和度色调与饱和度又合称为色度，可见它既表又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色类别，又表示颜色的深浅程度。示彩色光的颜色类别，又表示颜色的深浅程度。尽管不同波长的光波所呈现的颜色不同，但我们会经常尽管不同波长的光波所呈现的颜色不同，但我们会经常观察到这样的现象。由适当比例的红光和绿光混合起来，可观察到这样的现象。由适当比例的红光和绿光混合起来，可以产生与黄单色光相同的彩色视觉效果。又如日光也可以由以产生与黄单色光相同的彩色视觉效果。又如
10、日光也可以由红、绿、蓝三种不同波长的单色光以适当的比例组合而成。红、绿、蓝三种不同波长的单色光以适当的比例组合而成。实际上自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光混合而实际上自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光混合而成，因而人们称成，因而人们称红、绿、蓝红、绿、蓝为三基色为三基色。图图3-3 三种锥状细胞的光谱灵敏度曲线三种锥状细胞的光谱灵敏度曲线注意：波长为注意：波长为580nm580nm的黄光对的黄光对应的灵敏度曲线应的灵敏度曲线有两条有两条（3）立体视觉）立体视觉 自然界中的景物都是立体的，具有自然界中的景物都是立体的，具有高度高度、宽带宽带和和深度深度。立体视觉一般分为立体视觉一般
11、分为双眼视觉双眼视觉和和单眼视觉单眼视觉。双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是指双眼同时观看一个空间景物时所形成的立体视 觉；觉；单眼视觉单眼视觉是指单眼观看景物时所产生的立体感觉。是指单眼观看景物时所产生的立体感觉。4、人眼的分辨力与空间频率、人眼的分辨力与空间频率 人眼的分辨力究竟有多高，可用何种方法对其进行描述，人眼的分辨力究竟有多高，可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，将人眼等效为一个等效为一个空间频率滤波器空间频率滤波器，这样在考虑到分辨力与照度、，这样在考虑到分辨力与照
12、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。中具有很重要的地位。（1）空间频率）空间频率 时间频率时间频率是用单位时间内的某物理量（如电压、电流）是用单位时间内的某物理量（如电压、电流）周期性变化的次数来定义的，单位为周周期性变化的次数来定义的，单位为周/秒，其自变量为时秒，其自变量为时间。而间。而空间频率空间频率则是某物理量（如亮度、发光强度）在单则是某物理量（如亮度、发光强度）在单位空间距离内周期性变化的
13、次数，单位为周位空间距离内周期性变化的次数，单位为周/米。米。实验研究发现，人眼对不同空间细节的分辨力是变化的，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，如图可用视觉空间频率响应曲线表示，如图3-43-4所示。图中所示。图中横坐标为空间频率，即单位视角（横坐标为空间频率，即单位视角（1 1）内所含黑白条数，）内所含黑白条数，而纵坐标则表示空间频率的传输特性（而纵坐标则表示空间频率的传输特性（MTFMTF）。）。0.1 0.3 1 3 10 30 1.00.3空间频率空间频率(线线/mm)MTF（2 2）人眼的空间频率响应）人眼的空间频率响应图图3-4 3-
14、4 人眼的空间频率响应人眼的空间频率响应图中虚线表图中虚线表示彩色，实示彩色，实线表示亮度线表示亮度 从图中可以看出，人眼对从图中可以看出，人眼对彩色细节彩色细节的分辨能力远比对的分辨能力远比对亮度细节亮度细节的分辨能力低。例如原有黑白相同的条纹，当它的分辨能力低。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。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。因据资料显示，人眼
15、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送彩色信息，而只传送黑白信息，以此来节约传输频带资源。资源。图图3-5 3-5 色调和饱和度分辨阈与波长的关系色调和饱和度分辨阈与波长的关系色调分辨阈色调分辨阈：人眼分辨出色调差别的最小波长变化值。：人眼分辨出色调差别的最小波长变化值。从图中可知，人眼对从图中可知，人眼对480640nm区间的色调分辨力较区间的色调分辨力较高，对大于高，对大于655nm和小于和小于430nm的可见光的色调变化不敏感。的可见光的色调变化不敏感
16、。当饱和度减小时，人眼的色调分辨力也将随之下降。当饱和度减小时，人眼的色调分辨力也将随之下降。5、人眼的对比度特性、人眼的对比度特性（1）图像的对比度与灰度）图像的对比度与灰度对比度对比度是指景物或重现图像的最大亮度是指景物或重现图像的最大亮度LmaxLmax与最小亮度与最小亮度LminLmin之比，用符号之比，用符号C C表示，即表示，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数称为亮度层次亮度层次，也称为，也称为灰度灰度。由于人眼的亮度感觉是相对的，即同一亮度在不同的环境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
17、下给人的亮度感觉是不同的，因此当人们看电视时，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，在考虑到环境亮度后，电视图像的对比度电视图像的对比度为为其中其中 为环境亮度。为环境亮度。minmaxLLC LLLLCminmaxL（2）人眼的对比度灵敏度特性）人眼的对比度灵敏度特性亮度感觉亮度感觉 在定义亮度时虽然考虑了人眼的光谱灵敏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。亮度有关。亮度感觉亮度感觉是指
18、能分辨出不同的亮度层次。是指能分辨出不同的亮度层次。人眼视觉的对比度灵敏度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（如图人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅（如图3-6所示）明暗差别所需的最低对比度，称为分辨这一空所示）明暗差别所需的最低对比度，称为分辨这一空间频率的间频率的临界对比度临界对比度，用，用Cr表示。临界对比度的倒数表示。临界对比度的倒数1/Cr被称为人眼对于这一空间频率被称为人眼对于这一空间频率对比度灵敏度对比度灵敏度。由以上定义可知，由以上定义可知，临界对比度临界对比度表示人眼在给定的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，通常称这亮度环境下所能区
19、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）。一最小亮度差别为一个亮度级（或灰度级）。图图3-6 定义临界对比度的正弦光栅定义临界对比度的正弦光栅6、视觉惰性与闪烁的概念、视觉惰性与闪烁的概念视觉惰性视觉惰性 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，由此可见暂留一段时间，由此可见人眼亮度感觉的建立与消失都人眼亮度感觉的建
20、立与消失都滞后于实际的光刺激，而且此过程是逐步的，这种现象滞后于实际的光刺激，而且此过程是逐步的，这种现象就是就是视觉惰性视觉惰性。闪烁闪烁 如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其重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，复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这种感觉就这种感觉就是闪烁是闪烁，但当重复频率足够高时，闪烁感觉将消失，随之，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。看到的是一个恒定的亮点。临界闪烁频率临界闪烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。它就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率。它与脉冲亮度有关，脉冲的亮度
21、越高，临界闪烁频率也相应与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频率也相应地增高。地增高。3.2 图像质量的评价图像质量的评价 图像质量的评价方法有两种，即图像质量的评价方法有两种，即主观评价主观评价和和客观评价客观评价 影响图像质量的基本因素影响图像质量的基本因素 发送环境发送环境：照度和闪烁：照度和闪烁 接收环境接收环境：室内照明、显示器、视距：室内照明、显示器、视距 图像传输与处理系统图像传输与处理系统：模拟图像通信：模拟图像通信：随机噪声、周期噪声、衰减失真、时延失真等随机噪声、周期噪声、衰减失真、时延失真等 数字图像通信数字图像通信：颗粒噪声、边缘闪烁、传输抖动、误码等：颗粒噪声、边
22、缘闪烁、传输抖动、误码等图像编码过程中变换与反变换图像编码过程中变换与反变换：清晰度、对比度、亮度等。：清晰度、对比度、亮度等。图像质量的主观评价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。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与观察者心理因素有关图像的客观评价图像的客观评价又称为图像逼真度计量法（数学公式）又称为图像逼真度计量法（数学公式）会议电视系统的图像质量评价会议电视系
23、统的图像质量评价因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时、运动补因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时、运动补偿等。偿等。3.3 3.3 图像信号数字化图像信号数字化3.3.1 3.3.1 图像信号的表述图像信号的表述1 1、图像信号的时域分析、图像信号的时域分析 由于人眼所感觉的景物是连续的，所形成的图像为连续由于人眼所感觉的景物是连续的，所形成的图像为连续图像，而连续图像信号是无法直接在数字系统中实现传输或图像，而连续图像信号是无法直接在数字系统中实现传输或存储的，因此需要将连续图像信号转化为离散数字信号。通存储的，因此需要将连续图像信号转化为离散数字信号。通常我们称此过程为常我们称此过
24、程为图像信号的数字化图像信号的数字化。包括三大部分，即包括三大部分，即取样、量化和编码取样、量化和编码。取样取样又称为又称为抽样抽样，它是指图像信号空间离散化的过程。这，它是指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。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每个像素既是时间、空间的函数，同时又有其光学特性图像中的任何一个像素图像中的任何一个像素P P通常可用通常可用8 8个物理量表示，即个物理量表示
25、，即其中其中（x,y,zx,y,z）表示像素的）表示像素的空间变量空间变量;L,H,SL,H,S分别代表像素的分别代表像素的亮度亮度、色调色调和和饱和度饱和度;R R则表示图像的则表示图像的分辨率分辨率（即每一个像素面积在图像总面积中（即每一个像素面积在图像总面积中 的比例的比例;t t是该像素产生上述物理量的是该像素产生上述物理量的时间时间。),(tRSHLzyxfP2 2、（二维）图像信号的频谱、（二维）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，二维函数似的定义，二维函数f f（x,yx,y）与其频谱）与其频谱F(
26、,F(,)的关系：的关系：dxdyeyxfFyxj)(2),(21),(ddeFyxfvyxj)(2),(21),(据分析显示，图像中景物的复杂程度是有限的。通常其据分析显示，图像中景物的复杂程度是有限的。通常其中的大部分区域内的内容变化不大，而且人眼对空间频率上中的大部分区域内的内容变化不大，而且人眼对空间频率上的复杂程度（频率）的分辨能力有一定的局限性，因而从频的复杂程度（频率）的分辨能力有一定的局限性，因而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。范围之内。图图3-7 取样图像的频谱取样图像的频谱如图如图3-73
27、-7所示，其中锥形区域代表二维图像信号所示，其中锥形区域代表二维图像信号f(x,yf(x,y)在频在频率域上的有效成分，率域上的有效成分，Um,VmUm,Vm分别代表水平和垂直方向上的分别代表水平和垂直方向上的最大空间频率，可见最大空间频率，可见F(,F(,)所表示的是二维图像信号与所表示的是二维图像信号与空间频率之间的关系，这种关系对图像的数字化以及数字空间频率之间的关系，这种关系对图像的数字化以及数字处理具有非常重要的意义。处理具有非常重要的意义。1、二维取样定理、二维取样定理 一个模拟信号一个模拟信号f f（x,yx,y）的傅氏频谱为）的傅氏频谱为F(,F(,),),如如果其水平方向的截
28、止频率为果其水平方向的截止频率为Um,Um,而垂直方向的截止频率而垂直方向的截止频率为为VmVm，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为U02UmU02Um和和V02VmV02Vm（水平间隔（水平间隔x1/(2Um),x1/(2Um),垂直间隔垂直间隔y1/(2Vm),y1/(2Vm),就可以精确地恢复出原图像，就可以精确地恢复出原图像，这就是二这就是二维取样定理维取样定理。3.3.2 取样与二维取样定理取样与二维取样定理 ijpyjxiFyxyxfF),(1),(ijjiFyx),(1x1y1其中其中 如果图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以如果
29、图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以看出，抽样后的图像信号看出，抽样后的图像信号fp(x,y)的的频谱频谱是原频谱是原频谱F(,)沿沿轴和轴和轴分别以轴分别以u u，v v为间隔无限地周期重复的结为间隔无限地周期重复的结果果.如图如图3-7（c）所示。）所示。从图中可以看出，从图中可以看出，只要只要u2Umu2Um，v2Vmv2Vm，抽样后的，抽样后的图像信号频谱就不会出现混叠图像信号频谱就不会出现混叠。因此通常在进行取样之。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，使其成为一个带前，图像信号首先经过一个低通滤波器，使其成为一个带宽受限信号。当以满足上述条件的取样间隔进行取
30、样时，宽受限信号。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，这就是图像，这就是二维取样定理二维取样定理，也称为，也称为二维奈奎斯特取样定二维奈奎斯特取样定理理。2、亚取样、亚取样 当当取样频率取样频率小于小于奈奎斯特取样频率奈奎斯特取样频率时，通常时，通常称其为亚称其为亚抽样抽样。这就向人们提出了新的课题，即如何在亚取样情况。这就向人们提出了新的课题，即如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起失真
31、。在自然景物图像中，由于垂下，减少频谱混叠而引起失真。在自然景物图像中，由于垂直和水平的物体、线条、运动等比在其他方向上多，因此反直和水平的物体、线条、运动等比在其他方向上多，因此反映在频谱中，就是映在频谱中，就是水平和垂直方向的频谱分量多于其他方水平和垂直方向的频谱分量多于其他方向向，即自然景物图像的频谱主要分布在以原点为中心的菱形，即自然景物图像的频谱主要分布在以原点为中心的菱形范围内，如图范围内，如图3-8（b）中心阴影区域所示。相应的二维空）中心阴影区域所示。相应的二维空间取样点分布如图间取样点分布如图3-8（a）所示，沿水平和垂直方向上的）所示，沿水平和垂直方向上的取样间隔分别为取样
32、间隔分别为22x x和和22y y。如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起失真？如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起失真？菱形亚取样菱形亚取样图图3-8 菱形亚取样及其频谱分布菱形亚取样及其频谱分布 1、量化与量化信噪比、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，每个样值是一个有无穷多个取值的连续变量。列构成，每个样值是一个有无穷多个取值的连续变量。量化量化是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，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
33、的数字图像。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。均匀量化均匀量化：将样本连续灰度等间隔分层量化方式称为均匀量化：将样本连续灰度等间隔分层量化方式称为均匀量化非均匀量化非均匀量化：不等间隔分层量化方式称为非均匀量化。：不等间隔分层量化方式称为非均匀量化。3.3.3 量化与编码量化与编码 量化既然以有限个离散值来近似表示无限多个连续量，量化既然以有限个离散值来近似表示无限多个连续量，就一定会产生误差，这就是所谓的就一定会产生误差，这就是所谓的量化误差量化误差。由此产生的失。由此产生的失真叫量化失真或真叫量化失真或量化噪声量化噪声，对均匀量化来讲，量化分层越，对均匀量化来讲，量化分
34、层越多，量化误差越小，但编码时占用比特数就越多。在一定比多，量化误差越小，但编码时占用比特数就越多。在一定比特数下，为了减少量化误差，往往要用非均匀量化，如按图特数下，为了减少量化误差，往往要用非均匀量化，如按图像灰度值出现的概率大小不同进行非均匀量化，即对灰度值像灰度值出现的概率大小不同进行非均匀量化，即对灰度值经常出现的区域进行细量化，反之进行粗量化。经常出现的区域进行细量化，反之进行粗量化。2、编码、编码 通过计算可知，编码位长每增加通过计算可知，编码位长每增加/减小减小1bit1bit，就使量化，就使量化信噪比增加信噪比增加/减小约减小约6dB6dB，因此，取样值的编码比特数，因此，取
35、样值的编码比特数n n，直，直接决定图像的质量。接决定图像的质量。通常通常:广播电视、视频通信广播电视、视频通信 8bit8bit 高质量静止图像、遥感图像等高质量静止图像、遥感图像等 =10bit=10bit3.3.4 取样、量化对图像质量的影响取样、量化对图像质量的影响1、实际取样脉冲宽度的影响、实际取样脉冲宽度的影响 由于实际取样脉冲不是理想的由于实际取样脉冲不是理想的函数，而是具有函数，而是具有宽宽度，因此会存在取样值误差，从而引起高频失真。度，因此会存在取样值误差，从而引起高频失真。2、量化误差的影响、量化误差的影响 量化误差所造成图像质量下降的主要原因有斜率过载、量化误差所造成图像
36、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：颗粒噪声、边缘忙乱和伪轮廓四种：斜率过载斜率过载发生在发生在图像灰度急剧变化的边界图像灰度急剧变化的边界，正是由于，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。期间的变化，因此使图像轮廓变得模糊。图图3-10 实际取样脉冲的频谱实际取样脉冲的频谱颗粒噪声颗粒噪声出现在出现在图像灰度变化很小的区域图像灰度变化很小的区域，这时最小的量化，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间隔仍不足以反映其缓慢的变化过程，因
37、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。图像中其灰度平坦区域出现颗粒状的细斑。边缘忙乱边缘忙乱是指是指在变化不太快的边缘出现闪烁不定的现象在变化不太快的边缘出现闪烁不定的现象。这。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。现这种不确定的现象。伪轮廓伪轮廓发生在发生在图像亮度缓慢变化的区域图像亮
38、度缓慢变化的区域，此时预测误差较，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。慢增加或减小的区域，出现这种伪轮廓的现象。3-4 电视技术基础电视技术基础 3.4.1 电视系统的组成电视系统的组成 电视是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电电视是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行远距离传输，然后再还原为光图像的一门技术，信号进行远距离传输，然后再还原为光图像的一门技术，其其系统结构系统结构如图如图3-113-11所示。所示。在发送端首先经过摄像设备，如摄像机，
39、将景物进行在发送端首先经过摄像设备，如摄像机，将景物进行图像分解，完成空时、光电变换（在后面介绍），然后送图像分解，完成空时、光电变换（在后面介绍），然后送至信道进行图像信息的传送。在接收端再由显像设备，如至信道进行图像信息的传送。在接收端再由显像设备，如显示器，对接收信号进行图像复合，还原成原图像，而其显示器，对接收信号进行图像复合，还原成原图像，而其中的同步系统，则负责发送与接收数据之间的同步关系，中的同步系统，则负责发送与接收数据之间的同步关系，这只是初略的划分，一般来说，这只是初略的划分，一般来说，整个整个电视系统电视系统主要由主要由成像、电视信号形成、信号处理、成像、电视信号形成、信
40、号处理、传输系统、电视信号接收与显示传输系统、电视信号接收与显示等部分组成。等部分组成。图图3-11 电视系统基本组成电视系统基本组成电视制式电视制式 所谓电视制式，所谓电视制式，实际上是一种电视显示的标准实际上是一种电视显示的标准。不同的制式，对视频信号的解码方式、色彩处理的不同的制式，对视频信号的解码方式、色彩处理的方式以及屏幕扫描频率的要求都有所不同，因此如方式以及屏幕扫描频率的要求都有所不同，因此如果计算机系统处理的视频信号的制式与连接的视频果计算机系统处理的视频信号的制式与连接的视频设备的制式不同，在播放时，图像的效果就会有明设备的制式不同，在播放时，图像的效果就会有明显下降，甚至根
41、本无法播放显下降，甚至根本无法播放。目前目前国际上三大模拟彩色电视制式国际上三大模拟彩色电视制式：PAL、NTSC、SECAMPALPAL制式制式 PAL是是phase Alternate Line的缩写，译为相的缩写，译为相位逐行交换。它是前联邦德国位逐行交换。它是前联邦德国1962年制定的一种年制定的一种电视制式。它规定电视制式。它规定每秒每秒25帧帧，每帧每帧625行行，水平分，水平分辨率为辨率为240400个像素点，个像素点，隔行扫描隔行扫描，扫描频率扫描频率50Hz，宽高比例宽高比例4:3。我国和西欧大部分国家都使。我国和西欧大部分国家都使用这种制式。用这种制式。NTSCNTSC制式
42、制式 NTSC是是Notional Television System Committe的缩的缩写，译为国家电视制式委员会。它是写，译为国家电视制式委员会。它是1953年美国研制成功的年美国研制成功的一种兼容的彩色电视制式。它规定一种兼容的彩色电视制式。它规定每秒每秒30帧帧，每帧每帧526行行，水平分辨率为水平分辨率为240400个像素点，个像素点，隔行扫描隔行扫描，扫描频率扫描频率60Hz，宽高比例宽高比例4:3。北美、日本等一些国家使用这种制式。北美、日本等一些国家使用这种制式。SECAM制式制式 SECAM是是Sequential Color Memory System的缩写，的缩写，
43、译为顺序传送彩色存储。它是法国于译为顺序传送彩色存储。它是法国于1965年提出的一种标准。年提出的一种标准。它规定每秒它规定每秒25帧，每帧帧，每帧625行，隔行扫描，扫描频率为行，隔行扫描，扫描频率为50Hz，宽高比例，宽高比例4:3。上述。上述指标均与指标均与PAL制式相同，不同点主制式相同，不同点主要在于色度信号的处理上要在于色度信号的处理上。法国、俄罗斯、非洲地区使用这种。法国、俄罗斯、非洲地区使用这种制式。制式。3.4.2 彩色电视信号的形成与传送原理彩色电视信号的形成与传送原理1 1、电视信号的形成、电视信号的形成 在实用电视系统中是在实用电视系统中是采用扫描采用扫描的方式来完成图
44、像的分解的方式来完成图像的分解与变换，即用时间的一维函数来代表像素信息的物理量，与变换，即用时间的一维函数来代表像素信息的物理量，完完成扫描功能的设备就是摄像机成扫描功能的设备就是摄像机，如图，如图3-11所示。所示。在目前的电视系统中普遍使用电真空摄像器件，以此通在目前的电视系统中普遍使用电真空摄像器件，以此通过电子束扫描来实现光电转换，但随着过电子束扫描来实现光电转换，但随着CCD摄像机的不断投摄像机的不断投入使用，也可以利用各种脉冲数字电路来实现光电转换。入使用，也可以利用各种脉冲数字电路来实现光电转换。2 2、电视系统的亮度方程、电视系统的亮度方程 彩色电视系统是按照彩色电视系统是按照
45、三基色的原理三基色的原理而设计的，三基色而设计的，三基色原理告诉我们任何一种彩色都可以由另外的三种彩色按不原理告诉我们任何一种彩色都可以由另外的三种彩色按不同的比例混合而成。通常选择红、绿、蓝为标准的三基同的比例混合而成。通常选择红、绿、蓝为标准的三基色，用这三个摄像管分别提取景物光学图像中的这三种彩色，用这三个摄像管分别提取景物光学图像中的这三种彩色分量，以此来模仿人眼中的色分量，以此来模仿人眼中的三种锥形细胞三种锥形细胞的视觉效果。的视觉效果。这样便形成了彩色电视系统中的红、绿、蓝三个基色分量。这样便形成了彩色电视系统中的红、绿、蓝三个基色分量。由于彩色电视系统是在黑白电视系统的基础上由于
46、彩色电视系统是在黑白电视系统的基础上发展起来的，所以当时彩色电视系统的设计应考虑发展起来的，所以当时彩色电视系统的设计应考虑到与已有的黑白电视系统的兼容问题，因此在彩色到与已有的黑白电视系统的兼容问题，因此在彩色电视系统中所传输的不是红、绿、蓝三个基色分电视系统中所传输的不是红、绿、蓝三个基色分量，而是量，而是传输传输1个亮度分量和个亮度分量和2个色差分量个色差分量。它们。它们与与红、绿、蓝三个基色分量（红、绿、蓝三个基色分量（R,G,B）呈矩阵变换关）呈矩阵变换关系，因而在系统的发射端要利用变换矩阵将红、绿、系，因而在系统的发射端要利用变换矩阵将红、绿、蓝三个基色分量变换为蓝三个基色分量变换
47、为1个亮度分量和个亮度分量和2个色差分个色差分量，然后进行信息的传送。量，然后进行信息的传送。在彩色电视系统中由在彩色电视系统中由3种基色分量种基色分量R、G、B构成的亮度构成的亮度信号的比例关系为：信号的比例关系为：BGRY114.0587.0299.0上式就是上式就是电视系统的亮度方程电视系统的亮度方程。另外还有另外还有2 2个色差信号个色差信号U U和和V V，U U表示所传输的蓝基表示所传输的蓝基色分量与亮度分量的差值信号，而色分量与亮度分量的差值信号，而V V表示所传送的红基表示所传送的红基色分量与亮度分量的差值信号，它们存在下述关系：色分量与亮度分量的差值信号，它们存在下述关系：)
48、(1YBkU)(2YRkV 其中其中k1,k2为加权系数，系统中所选择的加权系数不为加权系数，系统中所选择的加权系数不同，那么在相同亮度信号下，所得到的色差信号也不同。同，那么在相同亮度信号下，所得到的色差信号也不同。如果系统是如果系统是黑白电视系统黑白电视系统，R=G=B=0,可以得出这样可以得出这样的结论，即的结论，即U=V=0.如果系统是如果系统是彩色电视系统彩色电视系统，除了亮度之外，图像的色，除了亮度之外，图像的色调和饱和度都是表示图像质量的重要参数，它们与调和饱和度都是表示图像质量的重要参数，它们与U、V的的关系如下：关系如下：图像的色调图像的色调=图像的饱和度图像的饱和度=VU2
49、2VU 以上我们介绍了亮度方程及亮度信号以上我们介绍了亮度方程及亮度信号Y Y与与2 2个色差信号个色差信号U U、V V之间的关系和图像色调、图像饱和度与之间的关系和图像色调、图像饱和度与U U、V V的关系。的关系。在此过程中人们不禁会问为什么彩色电视系统不直接传送在此过程中人们不禁会问为什么彩色电视系统不直接传送R R、G G、B B信号，而传送信号，而传送Y Y、U U、V V信号？信号？消除了相关性，减少数据量消除了相关性，减少数据量 兼容性（彩色与黑白电视）兼容性（彩色与黑白电视）彩色电视制式彩色电视制式：PALPAL、NTSCNTSC、SECAMSECAM3 3、扫描、扫描空间频
50、率与时间频率的转换空间频率与时间频率的转换 在摄像管和显像管中，电子束都是以某种周期规律在光在摄像管和显像管中，电子束都是以某种周期规律在光电导层和荧光屏上作来回地运动。电导层和荧光屏上作来回地运动。这一过程就是电子扫描这一过程就是电子扫描。从而完成由空间分布的像素变为随时间而变化的电信号，同从而完成由空间分布的像素变为随时间而变化的电信号，同时显示器也利用电子扫描把所接收的随时间变化的电信号变时显示器也利用电子扫描把所接收的随时间变化的电信号变换成空间分布的像素（与发送时的空间排列规律相同），从换成空间分布的像素（与发送时的空间排列规律相同），从而复合成一幅完整的光图像。而复合成一幅完整的光
