图像信息处理技术概论
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第4章 图像信息处理技术
第4章 图像信息处理技术
4.1 图像信号概述 4.2 图像信号数字化 4.3 数字图像压缩方法的分类 4.4 典型的熵编码方法 4.5 预测编码 4.6 变换编码 *4.7 新型图像编码技术 4.8 静态图像压缩编码标准 4.9 动态图像压缩编码标准 练习与思考题
第4章 图像信息处理技术
第4章 图像信息处理技术
（1） YUV彩色空间。 通常我们用彩色摄像机来获 取图像信息， 摄像机把彩色图像信号经过分色棱镜分成 R0、 G0、 B0三个分量信号， 分别经过放大和r校正得 到RGB， 再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和色差信 号U、 V， 其中亮度信号表示了单位面积上反射光线的 强度， 而色差信号（所谓色差信号， 就是指基色信号 中的三个分量信号R、 G、 B与亮度信号之差）决定了 彩色图像信号的色调。 最后发送端将Y、 U、 V三个信 号进行编码， 用同一信道发送出去， 这就是在PAL彩 色电视制式中使用的YUV彩色空间。 YUV与RGB彩色 空间变换的对应关系如式（4.1-1）所示。
第4章 图像信息处理技术
（2） YIQ彩色空间。 在NTSC彩色电视制式中选 用YIQ彩色空间， 其中Y表示亮度， I、 Q是两个彩色 分量。 I、 Q与U、 V是不相同的。 人眼的彩色视觉特 性表明， 人眼对红、 黄之间颜色变化的分辨能力最强； 而对蓝、 紫之间颜色变化的分辨能力最弱。 在YIQ彩 色空间中， 色彩信号I表示人眼最敏感的色轴， Q表示 人眼最不敏感的色轴。 在NTSC制式中， 传送人眼分 辨能力较强的I信号时， 用较宽的频带（1.3～1.5 MHz）； 而传送人眼分辨能力较弱的Q信号时， 用较 窄的频带（0.5 MHz）。 YIQ与RGB彩色空间变换的对 应关系如式(4.1-2)所示。
第4章 图像信息处理技术
为了解决此问题， 人们找到了相应的解决方法： 利用人的视觉特性降低彩色图像的数据量， 这种方法往 往 把 RGB 空 间 表 示 的 彩 色 图 像 变 换 到 其 他 彩 色 空 间 ， 每一种彩色空间都产生一种亮度分量和两种色度分量信 号。 常用的彩色空间表示法有YUV、 YIQ和YCbCr等。
4.1 图像信号概述
图像是一种可视化的信息， 图像信号是图像信息 的理论描述方法， 图像信号按其内容变化与时间的关 系来分， 主要包括静态图像和动态图像两种。 静态图 像其信息密度随空间分布， 且相对时间为常量； 动态 图像也称时变图像， 其空间密度特性是随时间而变化 的。 人们经常用静态图像的一个时间序列来表示一个 动态图像。
第4章 图像信息处理技术
在数字图像处理的实际操作中， 就是对亮度信号 Y和色差信号U、 V分别采用不同的采样频率。 目前常 用的Y、 U、 V采样频率的比例有4∶2∶2和4∶1∶1， 当然， 根据要求的不同， 还可以采用其他比例。 例如 要存储R∶G∶B＝8∶8∶8的彩色图像， 即R、 G、 B 分量都用8比特表示， 图像的大小为640×480像素， 那么所需要的存储容量为640×480×3×8/8＝921 600 字节； 如果用Y∶U∶V＝4∶1∶1来表示同一幅彩色 图像， 对于亮度信号Y， 每个像素仍用8比特表示， 而对于色差信号U、 V， 每4个像素用8比特表示， 则 存储量变为640 480×(8+4)/8＝460 800字节。 尽管 数据量减少了一半， 但人眼察觉不出有明显变化。
第4章 图像信息处理技术
图像分类还可以按其他方式进行： 如按其亮度等级 的不同可分为二值图像和灰度图像； 按其色调的不同可 分为黑白图像和彩色图像； 按其所占空间的维数不同可 分为平面的二维图像和立体的三维图像等等。
图像信号的记录、 存储和传输可以采用模拟方式或 数字方式。 传统的方式为模拟方式， 例如， 目前我们在 电视上所见到的图像就是以一种模拟电信号的形式来记 录， 并依靠模拟调幅的手段在空间传播的。 将模拟图像 信号经A/D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， 例如最常见的压缩编码处理就是在 此基础上完成的。 本书介绍的图像信息处理技术就是针 对数字图像信号的。
第4章 图像信息处理技术
YUV表示法的另一个优点是， 可以利用人眼的视 觉特性来降低数字彩色图像的数据量。 人眼对彩色图 像细节的分辨能力比对黑白图像细节的分辨能力低得 多， 因此就可以降低彩色分量的分辨率而不会明显影 响图像质量， 即可以把几个相同像素不同的色彩值当 做相同的色彩值来处理（即大面积着色原理）， 从而 减少了所需的数据量。 在PAL彩色电视制式中， 亮度 信号的带宽为4.43 MHz， 用以保证足够的清晰度， 而 把色差信号的带宽压缩为1.3 MHz， 达到了减少带宽 的目的。
第4章 图像信息处理技术
1． 对于黑白图像信号， 每个像素点用灰度级来表示， 若用数字表示一个像素点的灰度， 有8比特就够了， 因为人眼对灰度的最大分辨力为26。 对于彩色视频信 号（例如常见的彩色电视信号）均基于三基色原理， 每个像素点由红（R）、 绿（G）、 蓝（B）三基色混 合而成。 若三个基色均用8比特来表示， 则每个像素 点就需要24比特， 由于构成一幅彩色图像需要大量的 像素点， 因此， 图像信号采样、 量化后的数据量就相 当大， 不便于传输和存储。
第4章 图像信息处理技术
Y 0.299 0.587 0.114 R
U
0.147
0.289
0.436 G （4.1-1）ห้องสมุดไป่ตู้
V 0.615 0.515 0.100B
YUV彩色空间的一个优点是， 它的亮度信号Y和 色差信号U、 V是相互独立的， 即Y信号分量构成的黑 白灰度图与用U、 V两个色彩分量信号构成的两幅单色 图是相互独立的。 因为YUV是独立的， 所以可以对这 些单色图分别进行编码。 此外， 利用YUV之间的独立 性解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。
第4章 图像信息处理技术
Y 0.299 0.587 0.114 R
第4章 图像信息处理技术
4.1 图像信号概述 4.2 图像信号数字化 4.3 数字图像压缩方法的分类 4.4 典型的熵编码方法 4.5 预测编码 4.6 变换编码 *4.7 新型图像编码技术 4.8 静态图像压缩编码标准 4.9 动态图像压缩编码标准 练习与思考题
第4章 图像信息处理技术
第4章 图像信息处理技术
（1） YUV彩色空间。 通常我们用彩色摄像机来获 取图像信息， 摄像机把彩色图像信号经过分色棱镜分成 R0、 G0、 B0三个分量信号， 分别经过放大和r校正得 到RGB， 再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和色差信 号U、 V， 其中亮度信号表示了单位面积上反射光线的 强度， 而色差信号（所谓色差信号， 就是指基色信号 中的三个分量信号R、 G、 B与亮度信号之差）决定了 彩色图像信号的色调。 最后发送端将Y、 U、 V三个信 号进行编码， 用同一信道发送出去， 这就是在PAL彩 色电视制式中使用的YUV彩色空间。 YUV与RGB彩色 空间变换的对应关系如式（4.1-1）所示。
第4章 图像信息处理技术
（2） YIQ彩色空间。 在NTSC彩色电视制式中选 用YIQ彩色空间， 其中Y表示亮度， I、 Q是两个彩色 分量。 I、 Q与U、 V是不相同的。 人眼的彩色视觉特 性表明， 人眼对红、 黄之间颜色变化的分辨能力最强； 而对蓝、 紫之间颜色变化的分辨能力最弱。 在YIQ彩 色空间中， 色彩信号I表示人眼最敏感的色轴， Q表示 人眼最不敏感的色轴。 在NTSC制式中， 传送人眼分 辨能力较强的I信号时， 用较宽的频带（1.3～1.5 MHz）； 而传送人眼分辨能力较弱的Q信号时， 用较 窄的频带（0.5 MHz）。 YIQ与RGB彩色空间变换的对 应关系如式(4.1-2)所示。
第4章 图像信息处理技术
为了解决此问题， 人们找到了相应的解决方法： 利用人的视觉特性降低彩色图像的数据量， 这种方法往 往 把 RGB 空 间 表 示 的 彩 色 图 像 变 换 到 其 他 彩 色 空 间 ， 每一种彩色空间都产生一种亮度分量和两种色度分量信 号。 常用的彩色空间表示法有YUV、 YIQ和YCbCr等。
4.1 图像信号概述
图像是一种可视化的信息， 图像信号是图像信息 的理论描述方法， 图像信号按其内容变化与时间的关 系来分， 主要包括静态图像和动态图像两种。 静态图 像其信息密度随空间分布， 且相对时间为常量； 动态 图像也称时变图像， 其空间密度特性是随时间而变化 的。 人们经常用静态图像的一个时间序列来表示一个 动态图像。
第4章 图像信息处理技术
在数字图像处理的实际操作中， 就是对亮度信号 Y和色差信号U、 V分别采用不同的采样频率。 目前常 用的Y、 U、 V采样频率的比例有4∶2∶2和4∶1∶1， 当然， 根据要求的不同， 还可以采用其他比例。 例如 要存储R∶G∶B＝8∶8∶8的彩色图像， 即R、 G、 B 分量都用8比特表示， 图像的大小为640×480像素， 那么所需要的存储容量为640×480×3×8/8＝921 600 字节； 如果用Y∶U∶V＝4∶1∶1来表示同一幅彩色 图像， 对于亮度信号Y， 每个像素仍用8比特表示， 而对于色差信号U、 V， 每4个像素用8比特表示， 则 存储量变为640 480×(8+4)/8＝460 800字节。 尽管 数据量减少了一半， 但人眼察觉不出有明显变化。
第4章 图像信息处理技术
图像分类还可以按其他方式进行： 如按其亮度等级 的不同可分为二值图像和灰度图像； 按其色调的不同可 分为黑白图像和彩色图像； 按其所占空间的维数不同可 分为平面的二维图像和立体的三维图像等等。
图像信号的记录、 存储和传输可以采用模拟方式或 数字方式。 传统的方式为模拟方式， 例如， 目前我们在 电视上所见到的图像就是以一种模拟电信号的形式来记 录， 并依靠模拟调幅的手段在空间传播的。 将模拟图像 信号经A/D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， 例如最常见的压缩编码处理就是在 此基础上完成的。 本书介绍的图像信息处理技术就是针 对数字图像信号的。
第4章 图像信息处理技术
YUV表示法的另一个优点是， 可以利用人眼的视 觉特性来降低数字彩色图像的数据量。 人眼对彩色图 像细节的分辨能力比对黑白图像细节的分辨能力低得 多， 因此就可以降低彩色分量的分辨率而不会明显影 响图像质量， 即可以把几个相同像素不同的色彩值当 做相同的色彩值来处理（即大面积着色原理）， 从而 减少了所需的数据量。 在PAL彩色电视制式中， 亮度 信号的带宽为4.43 MHz， 用以保证足够的清晰度， 而 把色差信号的带宽压缩为1.3 MHz， 达到了减少带宽 的目的。
第4章 图像信息处理技术
1． 对于黑白图像信号， 每个像素点用灰度级来表示， 若用数字表示一个像素点的灰度， 有8比特就够了， 因为人眼对灰度的最大分辨力为26。 对于彩色视频信 号（例如常见的彩色电视信号）均基于三基色原理， 每个像素点由红（R）、 绿（G）、 蓝（B）三基色混 合而成。 若三个基色均用8比特来表示， 则每个像素 点就需要24比特， 由于构成一幅彩色图像需要大量的 像素点， 因此， 图像信号采样、 量化后的数据量就相 当大， 不便于传输和存储。
第4章 图像信息处理技术
Y 0.299 0.587 0.114 R
U
0.147
0.289
0.436 G （4.1-1）ห้องสมุดไป่ตู้
V 0.615 0.515 0.100B
YUV彩色空间的一个优点是， 它的亮度信号Y和 色差信号U、 V是相互独立的， 即Y信号分量构成的黑 白灰度图与用U、 V两个色彩分量信号构成的两幅单色 图是相互独立的。 因为YUV是独立的， 所以可以对这 些单色图分别进行编码。 此外， 利用YUV之间的独立 性解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。
第4章 图像信息处理技术
Y 0.299 0.587 0.114 R