第二章 视频信息获取、处理和显示技术(1-2)

I=Vcos33-Usin33 Q=Vsin33+Ucos33
(2.4)
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
选择YIQ彩色空间的好处是，人眼的彩色视觉特性表 明，人眼分辨红、黄之间颜色变化的能力最强，而分辨蓝 与紫之间颜色变化的能力最弱。在色度矢量图中，人眼对 于处在红、黄之间，相角为123°的橙色及其相反方向相 角为303°的青色，具有最大的彩色分辨力，因此把通过 123°至303°线即IO线的色度信号称为I轴，它表示人眼 最敏感的色轴。与I正交的色度信号轴称为Q轴，表示人眼 最不敏感的色轴。在传送分辨力弱的Q信号时，可用较窄 的频带，而传送分辨力较强的I信号时，可用较宽的频带。 在NTSC制中，I的带宽取1.3～1.5MHz和PAL制的U、V带宽 差不多，而Q的传送带宽只是0.5MHz，仅是I带宽的1/3。
2.1.2 颜色的基本概念
在相减混色中，当三种基本颜色等量相减时得到黑色； 等量黄色（Y）和品红（M）相减而青色（C）为0时，得到 红色（R）；等量青色（C）和品红（M）相减而黄色（Y） 为0时，得到蓝色（B）；等量黄色（Y）和青色（C）相减 而品红（M）为0时，得到绿色（G）。
彩色打印机采用的就是这种原理，印刷彩色图片也是采用 这种原理。
美国、日本等国采用的NTSC制，选用了YIQ彩色空间， Y仍为亮度信号，I、Q仍为色差信号，但它们与U、V是不 同的，其区别是色度矢量图中的位置不同，如下图所示， Q、I为互相正交的坐标轴，它与U、V正交轴之间有33°夹 角。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
由图2.3可知I、Q与V、U之间的关系可以表示成：
由红、绿、蓝三基色进行相加混色的情况如下： 红色+绿色=黄色 红色+蓝色=品红 绿色+蓝色=青色 红色+绿色+蓝色=白色 称黄、品红和青色为相加二次色，此外还可以看出： 红色+青色=绿色+品红=蓝色+黄色=白色 我们称青色、品红和黄色分别是红、绿、蓝三色的补色。
显示彩色图像用RGB相加混色模型
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.4 彩色空间的转换
1.RGB与YUV之间的转换 彩色摄像机最初得到的是经过校正的RGB信号，为了 和黑白电视机兼容及压缩编码，在传送过程中包含亮度信 号和色差信号，亮度方程简化如下：
Y=0.3R+0.59G+0.11B (2.5)
三个色差信号B-Y，R-Y，G-Y中有两个是独立的，最 后一个可用亮度方程和两个色差信号通过运算得到，表达 式如下：
在利用三基色原理进行颜色合成时有两种情况： 1、把三种基色光按不同比例相加，称之为相加混色。 显示彩色图像用RGB三基色，我们称为相加混色模型； 2、打印彩色图像时，我们用CMYK相减混色模型；
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
PAL制 25帧/秒 NTSC制 30帧/秒
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
在HSI彩色空间中，人们 常用H、S、I三参数描述颜色 特性，其中H表示色调 （Hue），S表示颜色的饱和 度（Saturation），I表示光 的强度（Intensity）。用一 个三维空间的枣形立体图 （见图2.4），可以把颜色的 这三个参量的特性更加形象 的表示出来。
1、RGB彩色空间 在RGB彩色空间，任意彩色光F，其配色方程可写成：
F = r[R]+g[G]+b[B] （2.3）
其中r、g、b为三色系数r[R]，g[G]，b[B]为F色光 的三色分量。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
2、YUV和YIQ彩色空间 在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或 彩色CCD摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色棱镜 分成R0G0B0三个分量的信号，分别经放大和γ校正得到 RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y、色差信号R-Y 和B-Y，最后发送端将Y、R-Y及B-Y三个信号进行编码，用 同一信道发送出去。这就是我们常用的YUV彩色空间。 采用YUV彩色空间的好处如下： (1) 亮度信号Y解决了彩色电视机与黑白电视机的兼 容问题；
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.4 彩色空间的转换
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.1 图像数字化过程
2. 量化 采样是对图像函数 的空间坐标 进行离散化处理，而 量化是对每个离散点-像素的灰度或颜色样本进行数字化 处理。具体说，就是在样本幅值的动态范围内进行分层、 取整，以正整数表示。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.1 图像数字化过程
y 帧序列
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
由于人眼对于相同亮度单色光的主观亮度感觉不同， 所以，用相同亮度的三基色混色时，如果把混色后所得单 色光亮度定为100%的话，那么人的主观感觉是绿光仅次于 白光是三基色中最亮的。红光次之，亮度约占绿光的一半； 蓝光最弱，亮度约占红光的1/3。当白光的亮度用Y来表示 时，它和红、绿、蓝三色的关系可用如下的方程描述：
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
(2) 大量实验表明，人眼对彩色图像细节的分辨本领 比对黑白的低得多，因此对色度信号U、V，可以采用"大 面积着色原理"。用亮度信号Y传送细节，用色差信号UV进 行大面积涂色。因此彩色图像的清晰度由亮度信号的带宽 保证（PAL制亮度信号Y的带宽采用4.43MHz），而把色度 信号的带宽变窄（PAL制色度信号带宽限制在1.3MHz）。
课前索引
• 难重点
本章的重点是： ·彩色空间表示及其转换； ·什么是全电视信号？ ·视频信号获取器的工作原理和实现技术； ·数字式锁相和数字式解码技术； ·彩色视频信号获取器的工作原理和实现技术； ·视频信号的实时处理方法。 本章的难点是： ·RGB与YUV、YIQ和HIS彩色空间的转换； ·彩色视频信号获取器的设计和实现； ·视频信号实时处理的方法及其实现。
第二章 视频信息获取、处理和 显示技术
计算机系 李知菲
课前索引
• 课前思考
人类感知客观世界有70%的信息是由视觉获取。多媒 体计算机能够将模拟的视频信号数字化并进行处理，为计 算机进入人类生活和生产的各个领域打开了大门，MPC的 视频信息处理和显示技术为计算机产业开辟了非常广阔的 市场。
这一章要考虑的问题是： ① 图像的彩色空间表示和转换方法？ ② 计算机如何将视频信号获取到计算机中并进行实时处 理视频信号? ③ 计算机如何显示视频信号以及图像文件格式的转换技 术? 希望同学能够带着上述问题，学习这一章。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
3、饱和度 饱和度是指颜色的纯度，即掺入白光的程度，或者说是 指颜色的深浅程度，对于同一色调的彩色光，饱和度越深 颜色越鲜明或说越纯。 例如，当红色加进白光之后，冲淡为粉红色，其基本 色调还是红色，但饱和度降低了，换句话说，淡色的饱和 度比鲜色要低一些。 饱和度还和亮度有关，因为若在饱和的彩色光中增加 白光的成分，增加了光能，因而变得更亮了，但是它的饱 和度却降低了。如果在某色调的彩色光中，掺入别的彩色 光，则会引起色调的变化，只有掺入白光时仅引起饱和度 的变化。
在多媒体计算机技术中，用的最多的是RGB彩色空间 表示，因为计算机彩色监视器的输入需要RGB三个彩色分 量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要 的任意颜色。所以不管在多媒体系统中采用什么形式的彩 色空间表示，最后的输出一定要转换成RGB彩色空间表示。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
t
11111111
像素点 x
00000000
图像量化(8位)
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.1 图像数字化过程
我们以一幅黑白灰度图像为例。在计算机中灰度级以 2的整数幂表示，即G=2m，当m=8，7，6，…，1时，其对 应的灰度等级为256，128，64，…，2。 2级灰度构成二值图像，即画面只有黑白之分，没有 灰度层次。通常我们采用256级灰度，这样可以使A/D变换 时保证有足够的灰度层次。 而彩色幅度如何量化，这要取决于所选用的彩色空间 表示。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
当然三基色的选择不是唯一的，也可以选择其它三种 颜色为三基色，但是，三种颜色必须是相互独立的，即任 何一种颜色都不能由其它两种颜色合成。由于人眼对红、 绿、蓝三种色光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩 色范围也最广，所以一般都选这三种颜色作为基色。
Photoshop演示
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
采用HSI彩色空间能够减少彩色图像处理的复杂性， 而增加快速性，它更接近人对彩色的认识和解释。例如色 调（Hue）是颜色的属性，它描述真正的彩色，如纯红、 纯黄、纯绿、纯蓝、纯紫以及它们之间的某些颜色。当我 们说颜色这个词时色调是最能直接说明彩色这个概念。 在图像处理中常用的算术操作或算法，例如作为边缘 检测或边缘增强的Sobel算子（卷积运算），只要对HSI彩 色空间的亮度信号进行操作就可获得良好效果，而在RGB 彩色空间要作上述运算就很不方便。在图像处理和计算机 视觉中大量算法都可在HSI彩色空间中方便地使用，它们 可以分开处理而且是相互独立的。因此，在HSI彩色空间 中可以大大简化图像分析和处理的工作量。 RGB彩色空间和其他彩色空间转换问题详见彩色空间 转换小节。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
2、色调 色调是当人眼看一种或多种波长的光时所产生的彩色感 觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性。 红色、棕色等都是指色调。 某一物体的色调，是指该物体在日光照射下，所反射 的各光谱成分作用于人眼的综合效果，对于透射物体则是 透过该物体的光谱综合作用的结果。
Y = 0.299R+0.587G+0.114B （2.1）
这就是常用的亮度公式，它是根据美国国家电视制式 委员会的NTSC制式推导得到的，如果采用PAL电视制式时， 白光的亮度公式将作如下改动：
Y = 0.222R+0.707G+0.071B （2.2）
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.3 彩色空间表示
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
通常把色调和饱和度通称为色度。 上述内容总结为： 亮度表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的 类别与深浅程度。
三基色（RGB）原理：自然界常见的各种彩色光，都可由 红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色光按不同比例相配 而成。同样，绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种 色光，这就是色度学中最基本原理--三基色原理。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.1 图像数字化பைடு நூலகம்程
多媒体计算机处理图像和视频，首先必须把连续的图 像函数进行空间和幅值的离散化处理。 图像数字化过程
模拟视 频信号
扫描
采样
量化
编码
数字视 频信号
这个过程中最主要的是采样和量化两个离散化过程， 两种离散化结合在一起，叫做数字化，离散化的结果称为 数字图像。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.1 图像数字化过程
1. 采样 对连续图像彩色函数 ，沿x方向以等间隔Δx采样， 采样点数为N，沿y方向以等间隔Δy采样，采样点数为N， 于是得到一个N×N的离散样本阵列 。为了达到由离散样 本阵列以最小失真重建原图的目的，采样密度（间隔Δx 与Δy）必须满足香农采样定理。 香农采样定理阐述了采样间隔与频带之间的依存关系 ，频带愈窄，相应的采样频率可以降低，采样频率是图像 变化频率二倍时，就能保证由离散图像数据无失真地重建 原图。
下面我们将要介绍的是颜色的基本概念和彩色空间。
2.1 彩色空间表示及其转换
2.1.2 颜色的基本概念
彩色可用亮度，色调，饱和度来描述，人眼看到的任 意彩色光多是这三个特性的综合效果。 1、亮度 亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉，它与 被观察物体的发光强度有关。 亮度感知还与人类视觉系统的视敏函数有关，即便是 强度相同，不同颜色的光照对同一物体也会产生不同的亮 度。