[信息与通信]哈理工——数字图像处理第2章.ppt

图像处理 第2章 数字图像基础 2.1 图像信号的数字化 2.2 * 数字视频信号和ITU-R BT.601标准 2.3 图像设备和器件 2.4 高速DSP 2.1 图像信号的数字化 图像信号的数字化:-- “三部曲” 连续（模拟）图像?离散（数字）图像 取样－－图像在空间上的离散化的过程 量化－－取样点灰度值的离散化的过程 标量量化 均匀量化 非均匀量化 矢量量化 编码－－用二进制数来表示量化后样值的过程 取样和量化示例 图像的灰度分辨率示例 2.1.1 图像信号的频谱 一维信号f ( x )的傅氏变换F ( f ) ： 二维图像f(x,y)的傅氏变换Ｆ(u,v) ： 实际二维图像频谱在频率域上有界景物的复杂性有限，“雪花”点似的图像无实际意义 人眼、显示器对空间复杂性（频率）的分辨率有限度 2.1.2 取样和二维取样定理 1.二维取样定理 回忆一维取样定理。…… 模拟图像信号f(x,y)的频谱F(u,v)在水平方向、垂直方向的截止频率分别为Um、Vm ，只要水平方向、垂直方向的空间取样频率 U0 ≥ 2Um ，V0 ≥ 2Vm ， （取样点的水平间隔、垂直间隔满足△x≤1/(2 Um)，△y≤1/(2 Vm) ） 则图像可被精确地恢复。 二维取样定理－－由抽样图像恢复原图像的必要条件。 取样图像的频谱示例 取样过程的空域分析 取样过程的频域分析 2. 从取样图像恢复原图像 满足取样定理条件(各频谱区域互不交叠) 用理想二维低通滤波器H(u,v)可完整地取出原图像频谱Fr(u,v) 用理想低通滤波器H(u,v)提取取样图像的基本频谱F(u,v)的示意 3.亚取样和混叠效应 亚取样 ? 减少数字图像的数据量； 亚取样 ? 取样定理的条件不满足 ? 混叠。 取样图像频谱的各次谐波发生混叠 滤波器不可能将原图像的频谱分量滤取出来 图像的恢复中将会引入混叠失真 亚取样要尽量减少频谱混叠失真 实例：菱形亚取样 4.实际取样脉冲效应 实际取样点阵列： 取样点阵列不是理想δ函数，有一定的宽度τ ； 取样点阵列不是无限伸展的。 产生的影响： 取样脉冲有τ宽度，重建图像误差产生高频失真，频谱按sinc函数衰减； 点阵非无限，图像重建时就会产生边界误差和模糊现象。 结果： 用理想低通滤波器不能无失真地恢复原来的模拟信号； 但只要满足取样定理，可用近似恢复出原模拟信号。 实际取样脉冲效应的分析 实际取样脉冲阵列s(x,y)是截短δ函数阵列d(x,y)通过冲激响应为p(x,y)的线性滤波器产生的： 实际取样脉冲的不理想对重建图像的影响 2.1.3 量化和编码 1、数字化“三部曲”： 取样，空间上被离散成为像素，像素值还是连续变化量； 量化，将像素的连续值转化为有限个离散值（均匀、非均匀量化）； 编码，赋予量化后的像素值以不同码字，形成数字图像。 2、均匀量化： 经过取样、量化和编码以后，形成数字图像 例如： 图像的某一样本幅度（灰度）为127.2， 则量化为127， 可用二进制长码8比特）表示。 量化区间 量化步长 判决电平 量化电平 量化误差 量化噪声 3.均匀量化误差、量化噪声、量化信噪比 （1）量化误差：e=真值－量化值。 e 相当于“噪声”，“量化噪声”。 （2）量化误差的均方值 设：n比特PCM编码，量化步长为1/2n ，取样值是均匀分布, 则可以证明：量化误差的均方值 （3）量化信噪比 2.2 数字视频信号和ITU-R BT.601标准 2.2.1 视频信号的数字化 PAL/NTSC制模拟信号数字化，即A/D转换 视频信号的数字化也包括取样、量化、编码 扫描体制在时间 t 维已离散 扫描体制在垂直 y 维已离散 在 x 维可以自行取样 电视信号 视频信号 序列信号 视频序列 活动图像信号 三维电视信号 电视图像的取样频率 水平方向最高时间频率Fm和最高空间频率Um 由取样定理，空间域取样间隔Δx Δt为扫描Δx间隔所需的时间 综合以上三式可得： 结论同一维取样定理 2.2.2 ITU-R BT.601数字视频标准 1.复合数字系统 直接对复合视频信号取样、A/D、形成复合数字视频 PAL 制fsc＝4.43 MHz NTSC制fsc＝3.59 MHz 2. ITU-R BT.601分量数字系统 目标：不同制式的视频在数字域互通 分量编码：对亮度信号(Y)和两个色差(U、V)