第三章 图像数字化

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。
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、图像数字化标准
（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：

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
第三章 图像数字化
第一节 电视信号基础
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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。
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。
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
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
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
0.587 0.114 R 0 Y 0.299 C 0.500 0.4187 0.0813 G 128 r Cb 0.1687 0.3313 0.500 B 128
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
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。
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。
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。
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
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
(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。
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。
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