02-图像采集与处理基础

的磷光体余辉要短。 在黑白飞点扫描系统中，对磷光体只在余辉
和亮度上有所选择,而对光谱发射特性不大考虑。 在彩色系统中， 光束透过影片之后，通过分色镜被分成彩色成分。为了达到精确 的彩色再现，要求扫描光点的光谱能量分布要包括光谱整个可见
区域。 现在的做法是把两种磷光体混合起来，以获得较宽的白场。
信道利用率
高，数字化以后可以很方便 地进行分时或分码多路传输， 可有效地提高信道的利用率 高
成本 抗干扰能力
低，电信号在沿线路的传输 高，经过多次转换、中继、 过程中会受到外界的和通信 远距离传输后不会使信噪比 系统内部的各种噪声干扰， 恶化 噪声和信号混合后难以分开， 从而使得通信质量下降
技术要求
数字图像——把连续图像在坐标空间和性质空间都进行离散化， 便于计算机进行加工处理，这种图像称为数字图像。
用I（r,c）表示， r ——代表图像的行 c ——代表图像的列 I,r,c ——都是整数 I（r,c）——表示（r,c）行列交点处的图像值。
Y
O
I(r,c) ■
C
f(x,y) ●
O R (a) (b) 图像计算中采用
像亦可反射成像，但是其体积略显庞大。
飞点扫描系统一般用在电视传送方面，特别是传送透明画和影片。
在飞点扫描系统中，扫描光点的光源是一种形成光栅的显象管，
通称为飞点扫描管。从飞点扫描管发出的光被聚焦到影片上，逐 点地受到影片透光度的调制，然后被光电倍增管接收，发出视频 信号。因为在任何给定的瞬间，达到光电倍增管上的光，理想的 应当只是透过影片相应象元的光，所以要求飞点扫描管荧光屏用
S -Video是一种信号质量较高的视频接口，它取消了信号
叠加的方法，可有效避免一些无谓的质量损失。它的功能 是将RGB三原色和亮度进行分离处理。
一、模拟视频信号
颜色空间 对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或 “色域”(Color Space)。 RGB(16位/24位/32位) YUV(YCbCr) 其他(HSV、CMYK、数码相机自定义格式等) Alpha通道
一、模拟视频信号
Volt age HD
Vide o Tim e
HS/HD(Horizontal synchronisation)
Volt age VD Vide o
VS/VD (Vertical synchronisation)
Tim e
一、模拟视频信号
制式 垂直同步信号 水平同步信号 场(Field)扫描频率 帧(Frame)扫描频率 场(Field)扫描时间 NTSC 60Hz 15750 60场/s 30帧/s 16.67ms PAL 50Hz 15625 50场/s 25帧/s 20ms
摄像机参数有空间分辨率、灰度扥变绿、颜色数、快门参 数、最低照明度等。 根据传感器的有效工作范围：可见光、近红外、红外、X 射线等CCD摄像机。 根据快门速度：静止、实时摄像机
飞点扫描器（Flying point scanner）：这是一种以光源做扫描
的图像获取设备，其特点是：精度较高、图像清晰，可投射成
一帧图像的两场之间有时间差(造成运动模糊)
一、模拟视频信号
帧和场 (隔行信号和逐行信号)
奇场 隔行(帧)
偶场
一、模拟视频信号
帧(场)特性： 帧(场)同步(B) 帧(场)后肩(C) 帧(场)有效信号(D)
帧(场)前肩(E)
一、模拟视频信号
行特性： 行同步(B) 行后肩(C) 行有效信号(D) 行前肩(E)
一、模拟视频信号
颜色空间 RGB16（5:6:5）
Pixel Data[31:0] DWORD Byte 3 [31:24] DW0 Byte 2 [23:16] Byte 1 [15:8] Byte 0 [7:0] {R1[31:27],G1[26:21],B1[20:16]} {R0[15:11],G0[10:5],B0[4:0]}
一、模拟视频信号
颜色空间 RGB32（8:8:8:8）
Pixel Data[31:0] DWORD Byte 3 [31:24] DW0 Alpha Byte 2 [23:16] R Byte 1 [15:8] G Byte 0 [7:0] B
RGB24（8:8:8）
DWORD
DW0 DW1 DW2 Pixel Data[31:0] Byte 3 [31:24] B1 G2 R3 Byte 2 [23:16] R0 B2 G3 Byte 1 [15:8] G0 R1 B3 Byte 0 [7:0] B0 G1 R2
帧(Frame)扫描时间
场(Field)扫描垂直分辨率 帧(Frame)扫描垂直分辨率
33.33ms
262.5 525
40ms
312.5 625
每秒行扫描速度(行频)
525×30＝15750
625×25＝15625
一、模拟视频信号
标准制式 分辨率 色制 帧频(Hz) 点频(MHz) 行频(KHz) 场频(Hz) PAL CCIR NTSC RS170
RGB15（5:5:5）
Pixel Data[31:0]
DWORD Byte 3 [31:24] DW0 Byte 2 [23:16] Byte 1 [15:8] Byte 0 [7:0] {0,R1[30:26], G1[25:21],B1[20:16]} {0,R0[14:10], G0[9:5],B0[4:0]}
• 图像的输出与显示（Image Output and Display）
图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解译和识别的图像，因此图像输
出也是图像处理的重要内容。图像输出有两种，一种是硬拷贝，一种是软拷贝。其分 辨率随科学技术的发展从256×256、 512×512、1024×1024越来越高。
低
高
一、模拟视频信号
视频制式 由视频模拟数据和视频同步数据构成 NTSC（National Television Standards Committee， 北美及日本） PAL（Phase Alternate Line，欧洲及亚洲大部分国家） SECAM（Sequential Couleur Avec Memoire，法国）
电视摄像机（Video Camera）：目前使用最广泛的图像获
取设备，早期主要有光电摄像管等，主要采用CCD摄像设备。 特点：设备小巧，速度快，成本低、灵敏度高。缺点：灰度 层次较差，非线性失真较大，有黑斑效应，在使用中需要校 正。目前，CCD摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做到较高
水平。
输入部件 采集和量 化 CCD摄 激光扫描仪
像机
联 网 计算机主机 （处理和分 析）
图像存 储设备
因图像信息量大， 因而大容量、快速 存储器是必不可少 的
空 间分 辨 率 灰 度分 辨 率
输出显 示设备
速度、内存、功能 要求高
2、记录下来永 久保存 如：打印机或 录像
五、数字图像处理工程
768*576 彩色 25 14.75 15.625 50 黑白
640*480 彩色 30 12.27 15.74 60 黑白
一、模拟视频信号
复合视频和S-Video 复合视频的彩色视频信号是这样构成的：首先有一个基本 的黑白视频信号，然后在每个水平同步脉冲之后，加入一 个颜色脉冲和一个亮度信号。因为彩色信号是由多种数据 “叠加”起来的，故称之为“复合视频”。
第二章 图像采集与处理
主要内容
模拟视频信号
重点及难点
模拟视频信号的表示
数字视频信号
图像采集卡介绍
数字图像的处理方法
数字视频信号的表示及接口
一、模拟视频信号
模拟信号和数字信号 信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像 等 从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信 号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。 模拟信号指幅度的取值是连续的，幅值可由无限个数值表示 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个 数值之内
1、数字图像处理系统硬件
图像采集模块

获取数字图像的设备即采集装置。 扫描仪 数码照相机 数码摄像机

采集装置都包括下面两个部件： 光敏感应器件 模/数转换装置
2、图像获取方法
• 电视摄像机（Video Camera） • 飞点扫描器（Flying point scanner） • 扫描鼓 • 扫描仪 • 显微光密度计 • 遥感用图像获取设备 光学摄影：摄像机、多光谱像机 红外摄影：红外辐射计、红外辐射仪、多通道红外扫描仪 MSS：多光谱扫描仪 微波：微波辐射计、侧视雷达、真实空孔径雷达， 合成孔径雷达
一、模拟视频信号
颜色空间
YUV16（4:2:2）
Pixel Data[31:0]
DWORD Byte 3 [31:24] DW0 DW1 Cr0 Cr2 Byte 2 [23:16] Y1 Y3 Byte 1 [15:8] Cb0 Cb2 Byte 0 [7:0] Y0 Y2
Y8
Pixel Data[31:0]
• 图像信息的传送（Image Information transmission）
可分为系统内部传送与远距离传送。内部传送多采用DMA技术以解决速度问题，外 部远距离传送主要解决占用带宽问题。
• 数字图像处理（Digital Image Processing）
多采用计算机处理。包括几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像重建、 图像编码、图像识别、图像理解等。
DWORD Byte 3 [31:24] DW0 Y3 Byte 2 [23:16] Y2 Byte 1 [15:8] Y1 Byte 0 [7:0] Y0
二、模拟信号——接口
三、图像的表示
连续图像用f(x,y)表示 x,y表示空间的坐标，f表示图像在点(x,y)处的某种性质F的数值， 如亮度（灰度值）或间接表示温度、压力、高度等。 f、x、y——可以是任意实数
X
屏幕显示中采用
四、数字图像处理系统
通信
图像处理的 信号来源， 主要问题是 输入噪声， 医用设备要 求极高，灰 度分辨率为 2048级 将图像数据压缩，远距离传送 图像档案（高保真度）例如： 远程医疗诊断，可以在几千公 里外由专家指导手术。 1、显示中间和 最后结果，以 供分析、识别 和解释用 如 ： CRT 显 像 设备
一、模拟视频信号
幅度 UA(t) 0 t
幅度 UA(t) 0
t
模拟信号(a)
数Fra Baidu bibliotek信号(b)
一、模拟视频信号
信号类型 传输距离 模拟信号 长，使用屏蔽较好的视频线 可直接传输200~300m，使 用放大器中继可以传输超过1 公里 低，传输一个信息需要大量 的附加标识信息，信号过度 综合，不能多路传输 低 数字信号 短，即使是使用网口摄像机 也只能达到100m左右
的垂直扫描频率，指显示器每秒所能显示的图象次数，单位
为赫兹(Hz)。 分辨率：习惯上我们说的分辨率是指图像的高/宽像素值， 严格意义上的分辨率是指单位长度内的有效像素值ppi。
一、模拟视频信号
帧和场 (隔行信号和逐行信号) 标准的模拟视频信号是隔行信号，一帧分成两场 偶数场包含所有的偶数行(0, 2, . . . ) 奇数场包含所有的奇数行(1, 3, . . . ) 标准模拟视频在采集和传输的过程中使用的是场，而 不是帧
我国目前采用的标准是PAL-D
一、模拟视频信号
行频(KHz)：每秒钟扫描多少行；行频分别与场频、分辨率
成正比，场频越高或者水平线数越多，要求的行频也越高。
反过来说，行频越高，则允许显示器分辨率可变范围越大， 场频也越高，显示器越好。 行频=场频*电子束水平扫描线数÷0.93 场(帧)频(Hz，fps)：场频又称为帧频或刷新频率，即显示器
• 图像信息的获取（Image Information acquisition）
将一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取
图像、光电转换及数字化等几个步骤。
• 图像信息的存储（Image Information storage）
图像信息的突出特点是数据量巨大，一般作为档案存储主要采用磁带、磁盘或光 盘。为解决海量存储问题主要研究数据压缩图像格式及图像数据库技术等。