第三章-图像数字化
华科光电图像处理复习资料
华科光电图像处理复习
资料
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12级考试范围：
本课程的知识要点
第一章：绪论
图像获取的方法
基本概念和典型应用：γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无
线电波、声波、电子束等
光电成像技术的意义
人眼视觉缺陷与扩展
基于CCD和CMOS的光电成像系统的总体结构
图像处理技术的目的
本课程的知识要点
第二章：光度学与色度学
人眼的视觉特性
光度学的基本参数及其计算
混色技术的原理及分类
颜色度量的实现原理
CIE标准色度体系的演变过程
对CIE 1931RGB/XYZ色度图的理解
本课程的知识要点
第三章：图像数字化处理
图像数字化的过程
基本概念：采样、量化、空间分辨率、灰度分辨率等
数字图像的属性
图像类型、颜色深度等
常用位图文件的格式及特点
第四章：像素关系与几何变换
像素关系的概念和分析
像素间距离的定义与计算
形态变换的分类及特点
双线性插值技术的原理与实现方法
本课程的知识要点
第五章：空域图像增强技术
基本点运算的算法模型和实现方法
直方图均衡化的原理、作用和实现步骤
典型平滑滤波器的优缺点和实现方法
均值、中值、高斯、序统计滤波、边缘保持滤波
典型锐化滤波器的优缺点和实现方法
梯度法、模板卷积法、掩模匹配法
本课程的知识要点
第六章：图像变换与频域增强
图像变换的概念与数学本质
离散傅立叶变换的特点与性质
FFT的原理及实现方法
DCT与WHT变换核的计算方法
频域滤波器的转移函数及特点
第七章：彩色图像处理
各种颜色空间的应用场合、相互换算
第三章 图像处理基本运算课件PPT
0
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⑤ 如果a为负值，暗区域将变亮，亮区域将变暗
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45º
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黑线：0a1 , b0 输出对比度降低
红线： a1, b0
输出灰度不变
蓝线： a1, b0 绿线： 0a1, b0
对比度增大 整体变亮
其中C和 为正常数。
0.04
0 1
0.1 0.2 0.4
0.67
加亮、减暗图像 s
1 1.5
2.5
5
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10 25
r
1
加暗、减亮图像
33
3.2.2非线性点运算(Non-Linear Point Operation)
加暗、减亮图像
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二、代数运算
加法、减法、乘法、除法
三、 逻辑运算
求反、异或、或、与
四、几何运算
平移、镜像、旋转、缩放等理解 领悟 技巧
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图像基本运算的概述
图像基本运算的分类 按图像处理运算的数学特征, 图像基本运算可分为：
图像基本运算
点运算(Point Operation) 代数运算(Algebra Operation) 逻辑运算(Logical Operation) 几何运算(Geometric Operation)
图像处理的基本知识
S K InB K0
上式表明亮度感觉与亮度的自然对数成线性关系。 下图表示了主观感觉同亮度 的关系曲线。实线表示人眼能感觉的亮度范围。
第三章 图像处理的基本概念
第三章 图像处理的基本概念
•人眼黑白亮度感觉的相对性： 人眼在适应某一平均亮度后，黑、白感觉对应的亮度范围较小；随着平 均亮度的降低，黑白感觉的亮度范围变窄。
•图像对比度C1：图像中最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比：
C1
Bm ax Bm in
•相对对比度
Cr
Bmax Bmin Bm in
第三章 图像处理的基本概念
1.5 亮度感觉
•人眼对亮度差别的感觉取决于相对亮度的变化。 令ΔS为亮度感觉的变 化 ， ΔB为亮度变化 ，则：
S K B B
• 黑白亮度感觉相对性在图像传输与重现方面的意义： ①重现图像的亮度不必等于实际图像的亮度，只要保持两者的对比度
不变，就能给人以真实的感觉； ②人眼不能感觉出来的亮度差别在重现图像时不必精确地复制出来。
第三章 图像处理的基本概念
1.6 马赫带（Mach ）效应
对于一幅亮度阶跃变化的竖条灰度梯度图像，其每一竖条宽度内光强均 匀分布，且相邻竖条之间的强度差为常数。然而，人眼看起来每一竖条内右 边要比左边稍黑一些，这种现象称为马赫带效应。
03-图像数字化处理
平线上灰度值的一维扫描——垂直方向采样 对一维扫描线信号按一定间隔采样得到离散信号——水平方向采样 对于运动图像（即时间域上连续的图像）则先在时间轴上采样。——时 间采样
重要参数：采样间隔和采样孔的大小 注意：采样间隔的选取。采样间隔取得不合适除了画面出现马赛 克之外，还会发生频率的混叠现象。
3.1.2 数字图像的描述
1. 黑白（二值）图像
• 是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故 又称为２值图像。2值图像的像素值为0、1。
1 0 0 I 0 0 1 1 1 0
2.灰度图像
• 灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述 的图像，没有彩色信息。
对一幅图像，当量化级数Q一定时，采样点数M×N对图像质量有 着显著的影响。采样点数越多，图像质量越好，当采样点数减 少的时候，图上的块状效应就逐渐明显。 同理，当图像的采样点数一定时，采用不同量化技术的图像质 量也不一样。量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少 时，图像质量越差，量化技术最小的极端情况就是二值图像， 图像出现伪轮廓。
值来代表这一网格里所有点的颜色值，这些被选中的点就是样点。
• 分辨率：单位长度内所含的点（像素）的多少。
与数字图像有关的分辨率
• 图像分辨率：图像分辨率是指每英寸图像含有多少个点或像 素， 分辨率的单位为dpi。在数字图像中，分辨率的大小直 接影响到图像的质量； • 屏幕分辨率：显示器上每单位长度显示的像素或点的数量。 通常以每英寸点数(dpi)来表示。屏幕分辨率取决于显示器 的大小及其像素设置； • 打印机分辨率：又称输出分辨率，是指打印机输出图像时每 英寸的点数(dpi)。打印机分辨率也决定了输出图像的质量， 打印机分辨率越高， 可以减少打印的锯齿边缘，在灰度的 半色调表现上也会较为平滑； • 扫描仪分辨率：扫描仪分辨率的表示方法与打印机相类似， 一般也用dpi表示， 台式扫描仪的分辨率可以分为光学分辨 率和输出分辨率。
数字图像处理知识点.
数字图像处理知识点
课程重点：图像数字化，图像变换，图像增强，图像的恢复与重建，图像的编码，图像的分割与特征提取，图像识别。
数字图像处理的基本内容：
1、图像获取。举例：摄像机+图像采集卡、数码相机等。
2、图像增强。显示图像中被模糊的细节，或是突出图像中感兴趣的特征。
3、图像复原。以图像退化的数学模型为基础，来改善图像质量。
4、图像压缩。减小图像的存储量，或者在图像传输时降低带宽。
5、图像分割。将一幅图像划分为几个组成部分或分割出目标物体。
6、图像的表达与描述。图像分割后，输出分割标记或目标特征参数。
7、目标识别。把目标进行分类的过程。
8、彩色图像处理。
9、形态学处理。
10、图像的重建。
第一章导论
图像按照描述模型可以分为:模拟图像和数字图像。
1)模拟图像，模拟图像可用连续函数来描述。其特点：光照位置和光照强度均为连续变化的。
2)数字图像，数字图像是图像的数字表示，像素是其最小的单位,用矩阵或数组来描述
图像处理：对图像进行一系列的操作,以达到预期的目的的技术。内容：研究图像信息的获取、传输、存储，变换、显示、理解与综合利用”的一门崭新学科。三个层次：狭义图像处理，图像分析，图像理解。
➢狭义图像处理主要指对图像进行各种操作以改善图像的视觉效果，或对图像进行压缩编码以减少所需存储空间或传输时间、传输通路的要求。
➢图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，从而建立对图像的描述。图像分析是一个从图像到数值或符号的过程。
➢图像理解则是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解译，从而指导和规划行动;
数字图像处理与机器视觉-基于MATLAB实现 第3章 MATLAB数字图像处理基础
3.1 图像的基本概念
图像：“图”是物体反射或透射光的分布，“像”是人的视觉系统所接受的图 在人脑中所形成的印象或认识，照片、绘画、剪贴画、地图、书法作品、手写汉学、 传真、卫星云图、影视画面、X光片、脑电图、心电图等都是图像。图像根据图像记 录方式的不同可分为两大类：模拟图像和数字图像。
模拟图像：与模拟信号的连续性一样，又称连续图像，是指在二维坐标系中连 续变化的图像，即图像的像点是无限稠密的，同时具有灰度值（即图像从暗到亮的 变化值）。连续图像的典型代表是由光学透镜系统获取的图像，如人的视觉系统成 像，人物照片和景物照片等。 如图3-3所示的小孔成像便是一种模拟图像。
2022年6月5日10时44分长征2号运载火箭托举着神舟十四号载人飞船从酒泉卫星 发射中心拔地而起奔赴太空，这是中国人的第9次太空远征。神舟载人飞船返回舱是 航天员在飞船发射、交会对接以及返回地面阶段需要乘坐的飞船舱。与在轨的空间站 不同，返回舱和地面之间的通信链路资源极其有限，传统的视频通信技术影响返回舱 图像的分辨率和画质。如图3-1所示，在神舟十三号及以前的飞船中，返回舱图像的 有效分辨率仅为352×288，难以适应目前高分辨率、大屏显示的画面要求。
一幅图片的图形质量越高，其数据量也就高，处理起来就越麻烦；反之，图形 质量越低的图片，数据处理起来相对轻松，但当分辨率低于一定程度时，会出现严 重的马赛克效应，如图3-7所示，当采样率越来越低时，图片的质量也越来越差，当 图片质量过低时，难以满足数字图像处理的需求。为平衡好处理速度于图像质量的 关系，取样点的选取至关重要。
图像数字化
1、图像数字化的过程有些什么内容，具体是如何实现的?
图像数字化：是将一幅图像从其原来的形式转换为数字形式的处理过程。
要在计算机中处理图像，必须先把真实的图像（照片、画报、图书、图纸等）通过数字化转变成计算机能够接受的显示和存储格式，然后再用计算机进行分析处理。图像的数字化过程主要分采样、量化与编码三个步骤。[2]
○1、采样：是的在一幅图像每个像素位置上测量灰度值。
图像采样
采样的实质就是要用多少点来描述一幅图像，采样结果质量的高低就是用前面所说的图像分辨率来衡量。简单来讲，对二维空间上连续的图像在水平和垂直方向上等间距地分割成矩形网状结构，所形成的微小方格称为像素点。一副图像就被采样成有限个像素点构成的集合。例如：一副640*480分辨率的图像，表示这幅图像是由640*480=307200个像素点组成。
如图“图像采样”所示，左图是要采样的物体，右图是采样后的图像，每个小格即为一个像素点。
采样频率是指一秒钟内采样的次数，它反映了采样点之间的间隔大小。采样频率越高，得到的图像样本越逼真，图像的质量越高，但要求的存储量也越大。
在进行采样时，采样点间隔大小的选取很重要，它决定了采样后的图像能真实地反映原图像的程度。一般来说，原图像中的画面越复杂，色彩越丰富，则采样间隔应越小。由于二维图像的采样是一维的推广，根据信号的采样定理，要从取样样本中精确地复原图像，可得到图像采样的奈奎斯特（Nyquist）定理：图像采样的频率必须大于或等于源图像最高频率分量的两倍。[2]
○2．量化
量化是指要使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点。量化的结果是图像能够容纳的颜色总数，它反映了采样的质量。
第3章 图像处理技术与应用-基础
第3章图像处理技术与应用3.1 图像基础知识
3.2 图像处理软件Photoshop CS
3.1 图像基础知识
图形与图像
图像的基本属性
色彩与颜色模型
图像的数字化
图像文件的格式
图形图像
组成用计算机指令来表示一幅图，如画点、
画线、画圆、画矩形等。
由像素点组成,每个像素点用若干二进制位
表示其颜色、亮度和饱和度等属性。
优点任意缩放不变形适合表现自然界真实的景象缺点不适合描述复杂图形及真实世界所需存储空间比较大1．图形与图像
2．图像的基本属性
⏹像素：组成图像的基本单位，数字化过程中最小的采样点。
⏹图像大小：构成图像横向和纵向的像素点数目。
⏹分辨率：72ppi，打印时一般设为300ppi。
⏹像素深度：每个像素点所用二进制的位数，RGB彩色图像至
少为24位，每个像素点可以有 224（约1600多万）种颜色中的一种。
3．色彩与颜色模型
（1）色彩的产生
物体本身是无色的，是光使物体有了颜色。
例如：在3ds Max的场景中放置了一个茶壶和一盏泛光灯，不同灯光颜色下茶壶所呈现的颜色。
色彩的三要素：色相、亮度和饱和度
饱和度增加
亮
度
增
加
色相
①色相：色彩的外在表现，如红色、绿色和蓝色等。
②亮度：人眼感觉到的颜色明亮程度。
③饱和度：色彩的纯度，即颜色的深浅程度。
三原色（三基色）
⏹光色三原色：红绿蓝（R G B）
①任何颜色都可以用红、绿、蓝3种颜色按不同的比例混合而成；
②红绿蓝是白光分解后的主要色光，符合人眼的视觉生理效应；
③红绿蓝相互独立，其中一种色光不能由另外两种混合而成。
⏹印刷三原色：青色、品红色、黄色（C M Y）
数字图像处理知识点总结
数字图像处理知识点总结
第二章：数字图像处理的基本概念
2.3 图像数字化
数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的数字图像的过程。
包括：采样和量化。
2.3.1、2.3.2采样与量化
1.采样：将空间上连续的图像变换成离散点。（采样间隔、采样孔径）
2.量化：采样后的图像被分割成空间上离散的像素，但是灰度是连续的，量化就是将像素灰度转换成离散的整数值。
一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级。二值图像是灰度级只有两级的。（通常是0和1）
存储一幅大小为M×N、灰度级数为G的图像所需的存储空间：
（bit）
2.3.3像素数、量化参数与数字化所得到的数字图像间的关系
1.一般来说，采样间隔越大，所得图像像素数越少，空间分辨率低，质量差，严重时会出现国际棋盘效应。
采样间隔越小，所的图像像素数越多，空间分辨率高，图像质量好，但是数据量大。
2.量化等级越多，图像层次越丰富，灰度分辨率高，图像质量好，但数据量大。
量化等级越少，图像层次欠丰富，灰度分辨率低，会出现假轮廓，质量变差，但数据量小。
2.4 图像灰度直方图
2.4.1定义
灰度直方图是反映一幅图像中各灰度级像素出现的频率，反映灰度分布情况。
2.4.2性质
（1）只能反映灰度分布，丢失像素位置信息
（2）一幅图像对应唯一灰度直方图，反之不一定。
（3）一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之和是原图像的直方图。2.4.3应用
（1）判断图像量化是否恰当
（2）确定图像二值化的阈值
（3）物体部分灰度值比其他部分灰度值大的时候可以统计图像中物体面积。（4）计算图像信息量（熵）
第3章数字图像处理技术
3.1 图像颜色的模型 3.2 彩色空间的线性变换 3.3 图像的基本属性及种类 3.4 数字图像的获取技术
2021/2/17
第3章数字图像处理技术
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图像基本知识
数字图像技术
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图像的颜色模型
视觉系统对颜色的感知 颜色模型
彩色空间的线性变换
分辨率
图像的基本属性及种类
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第3章数字图像处理技术
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3.1.4 HSB颜色模型
RGB、CMYK都是硬件设备使用的颜色模型，比较 而言，HSB模型是面向用户的。
HSB 模型建立在人类对颜色的感觉基础之上。H表 示色调（也称色相）、S表示饱和度、 B表示亮度。
色调反映颜色的种类，如红色、橙色或绿色，是人们眼 看一种或多种波长的光时产生的彩色感觉。
一般来说，显示时采用RGB颜色模型，印刷用 CMYK颜色模型，彩色全电视信号数字化采用YUV 颜色模型。为了便于彩色处理和识别，视觉系统又 常采用HSB颜色模型。
2021/2/17
第3章数字图像处理技术
13
3.1.2 RGB颜色模型
RGB颜色模型是颜色最基本的表示模型，也是计算机系统彩色显 示器采用的颜色模型。其中，R，G，B分别代表红（Red）、绿 （Green）、蓝（Blue）三色。RGB颜色模型通常用图3-1所示 的单位立方体来表示。
摄影图像数字化处理技术的探索与创新
摄影图像数字化处理技术的探索与创新
第一章前言
近年来，随着数字技术的不断发展，数字化处理技术在众多行业中得以广泛应用，其中，摄影领域也不例外。数字化处理技术使用电子设备和计算机软件来编辑、调整和修复图像，以获得更优质的摄影图像。在摄影技术的发展过程中，数字化处理技术已成为不可或缺的一部分。本文将探讨摄影图像数字化处理技术的探索与创新。
第二章摄影图像数字化处理技术的基本原理
数字化处理技术将传统的基础摄影技术与计算机技术相结合，使用计算机软件将数字信号转化为图像。数字图像是由像素阵列组成的，每个像素代表了图像中的一个点，每个点的颜色和亮度都可以被操控和控制。数字图像的色彩、对比度、亮度和清晰度等方面可以在计算机上进行较精准的调整和处理。在数字化处理技术中，有三个基本原理。
第一，数字化处理技术基于数字信号处理。这意味着数据被量化为数字信号，然后处理器应用现有的算法和功能来改变图像本身的属性。
第二，数字图像分辨率。数字图像的分辨率通常由两个维度
（像素数量）表示。通常，计算机摄像头或扫描仪上的数字摄像
头在采集图像时使用此技术。分辨率影响图像的质量和文件大小。
第三，色彩深度。色彩深度决定了数字图像所能显示的颜色数目。色彩深度越高，颜色越精细。通常，色彩深度为 8 位，意味
着通过对每个颜色通道使用8 位（即256 个亮度级）来表示颜色。
第三章摄影图像数字化处理技术的优点
数字化处理技术带来了许多优点。首先，在数字化处理技术中，图像的亮度、色彩和对比度等属性都可以被精确控制和调节，从
而更好地呈现摄影师想要表达的视觉效果。其次，数字化处理技
数字图像处理数字图像与视频处理技术PPT
18.06.2020
Multimedia Technology & Application
8
3.2 数字图像数据的获取与表示
3.2.1 数字图像数据的获取
图像数据的获取是图像数字化的基础。 获取的过程实质上是模拟信号的数字化 过程. 处理步骤大体分为三步： (1) 采样。 (2) 分色。 (3) 量化。
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Multimedia Technology & Application
称为取样图像(sampled image)、点阵图像(dot matrix ima ge)、位图图像(bit map image)，以下简称图像(image)；
b、是计算机合成的图像，它们称为矢量图形(vector
graphics)，或简称图形(graphics)。
按照取样点表示方式的不同，数字图像还可以分为：
3
教学内容
6 视频的数字化 7 数字视频标准 8 视频信息的压缩编码 9 Windows 中的视频播放软件 10 数字视频的应用
Biblioteka Baidu
18.06.2020
第三章 图像的数学描述与图像变换
采样图示说明
梳状采样函数
f (x)
1、原函数： f (x)
x comb(x)
2、梳状函数：
comb( x) =
n = −∞
∑ δ ( x − nT )
fp(x)
+∞
x
3、采样后函数：
f p ( x) = f ( x) ⋅ comb( x)
x
采样过程空间域与频域的对比
f (x) 带限
F (u )
-1 -1
∧
= f p ( x, y ) ⊗ h ( x, y )
（未完转下页）
（接上页）
f ( x, y ) = f p ( x, y ) ⊗ h ( x, y ) = {∑∑ f ( mΔx, nΔy )(δ ( x − mΔx, y − nΔy )} ⊗ {sinc( xu x ) sinc( yv y )} = ∑∑
变换
F (u , v )
exp(−π 2 ( x 2 + y 2 )
exp(−π 2 (u 2 + v 2 )
rect( x ) rect( y )
Λ ( x)Λ ( y )
sinc(u ) sinc(v)
sinc 2 (u ) sinc 2 (v)
δ ( x, y )
1
comb(u ) comb(v)
T为所描述的系统。 ② 位移不变系统
数字图像处理与分析习题及答案.
3. 简述图像几何变换与图像变换的区别。
①图像的几何变换：改变图像的大小或形状。比如图像的平移、旋转、放大、缩小等，
这些方法在图像配准中使用较多。
②图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进
行分析。比如傅里叶变换、小波变换等。
Microsoft公司的VC++是一种具有高度综合性能的面向对象可视化集成工具，用它开发 出来的Win32程序有着运行速度快、可移植能力强等优点。VC++所提供的Microsoft基础 类库MFC对大部分与用户设计有关的Win32应用程序接口API进行了封装，提高了代码 的可重用性，大大缩短了应用程序开发周期，降低了开发成本。由于图像格式多且复杂，为了减轻程序员将主要精力放在特定问题的图像处理算法上，VC++6.0提供的动态链接库ImageLoad.dll 支持BMP、JPG、TIF等常用6种格式的读写功能。
每一个感光单元对应一个像素。由于CCD 感光单元个数为5000，5000/8.3＝602(dpi)
第三章 图像增强
课后5.空间滤波的平滑滤波器和锐化滤波器的相同点、不同点及联系。
低通滤波器是保留小于截止频率的信号，而高通滤波器是保留大于截止频率的信号
解答： 相同点：都能减弱或消除傅立叶空间的某些分量，而不影响或较少影响其他分量，从而达到增强某些频率分量的效果。 不同点：平滑滤波器减弱或消除傅立叶空间的高频分量，所以达到了增强低频分量、平滑图像中细节的效果。锐化滤波器减弱或消除傅立叶空间的低频分量，所以达到了增强高频分量、锐化图像中细节的效果。 联系：两者效果相反，互为补充，从原图像中减去平滑滤波器的结果得到锐化滤波器的效果，从原图像中减去锐化滤波器的结果可得到平滑滤波器的结果
数字图像处理每章课后题参考答案
数字图像处理每章课后题参考答案
第一章和第二章作业：
1.简述数字图像处理的研究内容？
答：数字图像处理的主要研究内容，根据其主要的处理流程与处理目标大致可以分为图像信息的描述、图像信息的处理、图像信息的分析、图像信息的编码以及图像信息的显示等几个方面，
将这几个方面展开，具体有以下的研究方向：
1.图像数字化，
2.图像增强，
3.图像几何变换，
4.图像恢复，
5.图像重建，
6.图像隐藏，
7.图像变换，
8.图像编码，
9.图像识别与理解。
2.什么是图像工程？根据抽象程度和研究方法等的不同，图像工程可分为哪几个层次？每个层次包含哪些研究内容？
答：图像工程是一门系统地研究各种图像理论、技术和应用的新的交叉科学。
根据抽象程度、研究方法、操作对象和数据量等的不同，图像工程可分为三个层次：图像处理、图像分析、图像理解。
图像处理着重强调在图像之间进行的变换。比较狭义的图像处理主要满足对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果。图像处理主要在图像的像素级上进行处理，处理的数据量非常大。图像分析则主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息从而建立对图像的描述。图像分析处于中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非图形式描述。
图像理解的重点是进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导和规划行为。图像理解主要描述高层的操作，基本上根据较抽象地描述进行解析、判断、决策，其处理过程与方法与人类的思维推理有许多相似之处。
第三章图像基本概念
第03章 图像处理基础
May, 2009
3
1 图像获取
实际需要：
当图像中有大面积灰度变化缓慢的平滑区域（如人脸），则 当图像中有大面积灰度变化缓慢的平滑区域（如人脸），则b ）， 加大， 可变小。 加大， M*N可变小。否则会出现假轮廓。 可变小 否则会出现假轮廓。 当复杂的图像时（如球场观众），则 减小 减小， 可加大。 当复杂的图像时（如球场观众），则b减小， M*N可加大。 ）， 可加大 否则会丢失图像细节。
b=8，称为图像的8bit量化，或称 ，称为图像的 量化， 级灰度。 量化 或称256级灰度。 级灰度
b
取值范围：由于存在量化误差，原则上b越大重建图像失真越小 越大重建图像失真越小。 取值范围：由于存在量化误差，原则上 越大重建图像失真越小。
对于人眼应用b取 对于人眼应用 取5-8； ； 而对于卫星图片等图像分析应用b取8-12。 而对于卫星图片等图像分析应用 取 。 M*N必须满足奈奎斯特取样定理，否则会因取样点数不够产生混淆失真。 必须满足奈奎斯特取样定理，否则会因取样点数不够产生混淆失真。 必须满足奈奎斯特取样定理
May, 2009
1 K 3 3 = ∑ p ( Z ) ( Z k +1 − qk ) − ( Z k − qk ) 3 k =1
7
1 图像获取
∵ δ2 = =
k =1 K k =1 Zk 2 ∑ p(Z )∫Zk +1 (Z − qk ) dZ K Zk 2 2 ∑ p(Z )∫Zk +1 Z − 2Zqk + qk dZ
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第一节 电视信号基础
一、成像与显像方式
电视成像与图像显示的方式与人的视觉特性 密切相关的。 在人们观察电视图像时，由于荧光屏的余辉 作用以及人眼的视觉滞后和视觉暂留的影响，利 用该特性，人们就可以看到连续的图像。
黑白电视信号: 在光导管摄像机里，通过光学系统将要拍摄 的图像成像在光电靶上，然后利用电子束从左到 右、从上到下依次轰击靶面上各点，根据被轰击 点的明暗程度，转变成强弱不同的视频信号。电 子束的依次轰击作用称为扫描。
目前使用的子采样格式有如下几种：
(1) 4：4：4采样方式
(2) 4：2：2采样方式 (3) 4：1：1采样方式 (4) 4：2：0采样方式
4：4：4子采样格式
4：1：1子采样格式
4：2：2子采样格式
4：2：0子采样格式
三、图像数wk.baidu.com化标准
（一）彩色空间之间的转换 在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两个 彩色空间之间的转换关系用下式表示：
在彩色电视中，使用Y，C1，C2有两个重要优点：
（1）Y和C1，C2是独立的 （2）可以利用人的视觉特性来节省信号 的带宽和功率
彩色电视信号的类型有
（1）复合电视信号（composite video signal）：包 含亮度信号、色差信号和所有定时信号的单一信号， 又称为全电视信号。 （ 2 ）分量电视信号（ component video signal ）： 是指每个基色分量作为独立的电视信号。每个基色既 可以分别用R，G和B，也可以用亮度一色差表示，使用 分量电视信号是表示颜色的最好方法，但需要比较宽 的带宽和同步信号。 (3)S-Video信号: 分离电视信号 (Separated video－VHS）是亮度和色差分离的一种电视信号，是 分量模拟电视信号和复合模拟电视信号的一种折中方 案。
隔行扫描示意图 （a）偶数场 (b)奇数场 (c) 一帧图像（略去奇偶场的逆程）
在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。 隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半， 不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的 中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌 在第一场各扫描线的中间。 每秒钟扫描多少行称为行频，每秒钟扫描多 少场称为场频，每秒扫描多少帧称帧频。
第二节 常见的成像设备
一、摄像机
摄像机的主要功能:按照一定的扫描规律通过 光电转换把自然图像变换成电信号。
采用电子束扫描的摄像管构成摄像机，其基本原理是：
通过光学系统将自然景像成像在摄像管的光电靶上， 然后利用电子束依次轰击靶上各点，根据被轰击点的明暗 程度，转换成强弱不同的电信号。图为采用氧化铝摄像管 的三管式彩色摄像机的组成方框图。
光导管部分结构简图
计算机中的CRT（Cathode Ray Tube）实现 一个由电到光的成像过程。 CRT是一个电真空器件，由电子枪、偏转装 置和荧光屏构成。
CRT结构
扫描方式有逐行扫描和隔行扫描之分。
逐行扫描示意图
在隔行扫描中，无论是摄像机还是CRT显示 器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到 一幅完整的图像。
由于图像采样属于二维采样，其采样频率的 具体确定还与采样方式有关。图为二维采样方式 的示意图。
用多少个量化级来量化一幅图像将取决以下2 个方面因素： （1）要考虑整个图像系统的噪声大小 （2）从图像的应用角度来考虑，如果图像 是用来进行某种测量目的，则可根据 系统测量精度的要求
二、 彩色视频图像数字化
彩色视频图像数字化与黑白视频图像数字化 有所不同，有两种数字化方法： 1. 将一个复合的彩色视频信号分解成RGB信 号或YUV信号，然后对它们进行采样、量化。
2. 用一个高速A/D转换器对彩色全电视信号进 行数字化，然后在数字域中进行分离，以获得 RGB、YUV或YCbCr分量数据 。
彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采 样方法: 1. 使用相同的采样频率对图像的亮度信号和 色差信号进行采样 2. 另一种是对亮度信号和色差信号分别采用 不同的采样频率进行采样
在电视扫描中有行正程、行逆程、场正程、场逆程 图为黑白全电视信号的一个行周期信号。
一个场周期的黑白全电视信号
二、电视制式
目前世界上现行的彩色电视制式有三种(不包 括高清晰度彩色电视HDTV) ： 1. NTSC制 2. PAL制 3. SECAM制
NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式
为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因 此彩色电视系统应满足下列几方面的要求： (1)必须采用与黑白电视相同的一些基本参数 (2)需要将摄像机输出的三基色信号转换成一 个亮度信号，以及代表色度的两个色差信 号，并将它们组合成一个彩色全电视信号 进行传送。
PAL电视制的主要扫描特性是： （1）625行（扫描线）／帧，25帧／秒（40ms／帧） （2）电视画面的宽高比：4：3 （3）隔行扫描，2场／帧，312.5行／场 （4）颜色模型：YUV
采样频率和同步信号之间的关系如图
在电视信号采样中， Δ y 的间距以行距为准。为 了适应人们眼睛的特点，电视的宽高比和电影 一样为4：3，PAL制标准一帧图像为625行，其 中 50 行为奇偶两场的消隐，正程显示行为 625 － 50 ＝ 575 行，为了等距采样，每一行的采样 点数N为 N=575×4/3≈767 根据 PAL － D 制标准 , 行周期为 64μ s, 行消隐为 11.8μ s, 行正程 52.2μ s,那么 Δ x 的时间间隔 T0应为 T0＝52.2μ s/767≈68ns
CCD电荷耦合器件是2 0世纪7 0年代初发展 起来的半导体器件，这种器件的突出特点是以电 荷作为信号 。 构成CCD的基本单元是MOS（金属一氧气物 一半导体）结构。 CCD的基本功能是电荷的产生、存储和电荷 的转移。
CCD的电荷注入方法基本有两类： 1. 光注入， 2. 电注入
电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCD， 又简称为ICCD，其光敏单元为光注入方式。
计算机获取数码相机图像的方法: 1. 使用通用软件如Photoshop 2. 应用软件直接调用数码相机制 造商提供的驱动程序
三、 扫描仪
扫描仪是一种具有高分辨率的图像输入设备。 有手持式和平板式扫描仪之分 。
扫描仪的主要技术指标： 1. 分辨率 2. 彩色与灰度bit位 3. 微机接口方式 4. 最大扫描幅度等
CCD彩色摄像机主要组成部分: 1. 光学系统 2. 定时系统 3. CCD驱动电路 4. 信号处理 5. 校正电路 CCD彩色摄像机可分:1. 三片式 2. 二片式 3. 单片式
三片式彩色CCD摄像机结构框图
单片式彩色CCD摄像机的结构框图
单片式彩色CCD摄像机只有一个面阵CCD， 在CCD前面不是分光棱镜，而是彩色滤色阵列 （Color Filter Array ,CFA）,结构如图。
(3-1)
（二）采样频率 CCIR为NTSC制、PAL制和 SECAM制规定了 共同的电视图像采样频率。这个采样频率也用于 远程图像通信中的电视图像信号采样。
对PAL制、SECAM制，采样频率fs为 fs= 625×25×N= 15 625×N=13．5MHz N ＝ 864 其中，N为每一扫描行上的采样数目。 对NTSC制，采样频率为 fs=525×29.97× N=15 734×N=13．5MHZ， N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。
CCD有两种基本类型： 1. 表面沟道CCD 2. 体沟道 CCD
采用CCD器件构成摄像机，其基本原理是: 通过光学系统将自然图像成像在CCD的像敏 面上，像敏面将照在每一个像敏单元的图像照度 转换为少数载流子数密度信号存储在像敏单元中， 然后再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲 的作用下顺序地移出器件，形成强弱不同的电信 号。 CCD图像传感器分线阵和面阵。
如果对色差信号使用的采样频率比对亮度信 号使用的采样频率低，这种采样就称为图像子采 样（subsampling） 其特点为： 1.人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号 的敏感程度低，利用这个特性可以把图像 中表达颜色的信号去掉一些而使人察觉不出 2.人眼对图像细节的分辨能力有一定的限 度，利用这个特性可以把图像中的高频信 号去掉而使人不易察觉
根据人视觉特性，人眼的平均分辨率1′（最 小视角），对画面的最佳观察角度为10°，因此 使人眼最不易疲劳的电视最佳行数N应为 N=最佳观察角度/最小视角=10°/1′=600
同步：要求接收端的行、场扫描频率和发送端的 一样，同时行、场扫描信号的相位也保持一致， 做到同频同相，这就叫同步。
扫描分为水平扫描和垂直扫描，水平方向的 扫描同步称为水平同步，也称为行同步，垂直方 向的扫描同步称为垂直同步，也称为场同步，两 种同步混合在一起称为复合同步
NTSC彩色电视制的主要特性是：
（1）525行／帧， 30帧／秒 （2）电视画面的高宽比：电视画面的长宽比（电视为4：3； 高清晰度电视为16：9） （3）隔行扫描，一帧分成2场（field），262.5线／场 （4）在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因此 只有485条线的可视数据 （5）每行63.5μs，水平回扫时间10μs（包含5μs的水平同步 脉冲），所以显示时间是53．5μs （6）颜色模型：YIQ
其中ωSC为彩色副载波频率。
为了色同步在信号的消隐期间加载色同步信 号，其如图示。
在PAL电视制中: 1. 一帧图像的总行数为625，分两场扫描。 2. 行扫描频率是15 625 HZ，周期为64μs； 3. 场扫描频率是50Hz，周期为20ms； 4. 帧频是25Hz，是场颇的一半，周期为40ms。
第三节 图像数字化
一、黑白视频图像数字化
视频信号的预处理包括: 1. 放大，2. 箝位
A/D有三个方面的考虑： （1）采样频率 （2）采样方式 （3）量化级数
采样频率： 根据奈奎斯特准则，采样频率必须大于或 等于被采信号的最大频率的2倍，这样被采 样的信号能保留连续信号的全部信息，也 能由采样信号恢复出连续信号。对于PAL标 准的黑白图像视频带宽为6MHz,那么采样频 率应不低于12 MHz。
其中Y为亮度信号，U、V为色差信号，Y、 U、V和三基色RGB的关系为 :
Y 0.3R 0.59G 0.11B U 0.493( B Y ) V 0.877( R Y )
彩色全电视信号可表示为:
CVBS Y U sin SC t V cos SC t
SECAM（法文： Sequential Coleur Avec Memoirs）制式是法国开发的一种彩色电视广播 标准，称为顺序传送和存储彩色电视。这种制式 与PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号是 频率调制（FM），它的两个色差信号：红色差 （R’－Y’）和蓝色差（B’－Y’）是按行的顺序传输 的。
于是采样频率fs为 fs＝1/ T0≈14.67 MHz 实际最终选择采样频率为14.625 MHz。该频率经 过 936 分频正好是行频 15625Hz ，再则 936 是偶 数，14.625 MHz能形成半行频。满足了三方面 的要求。 这时Δ x：Δ y≈1.01：1,接近1：1。 在实际 中行上的采样点不是767，而是取768点。
0.587 0.114 R 0 Y 0.299 C 0.500 G 128 0 . 4187 0 . 0813 r Cb 0.1687 0.3313 0.500 B 128
二、数码相机
数码相机的特点在于数字图像处理技术，图 给出了典型的数字静止相机框图。 数码相机所使用的成像芯片有CCD和CMOS 两种。
数码相机图像的质量不仅仅取决于 CCD的分 辨率，诸如镜头质量、图像处理算法的优劣等因 素都对其图像的质量产生重大影响。 数码相机输出的图像是数字的，最大的优点 在于可利用计算机进行各种图像处理，且拍摄图 像的清晰度高。