图像及图像通信.ppt
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1、中国矿业大学信电学院第一章 图像与数字图像通信主要内容l 1.1 图像及其特点图像及其特点l 1.2 图像的分类及表示方法图像的分类及表示方法l 1.3 图像通信系统的组成图像通信系统的组成l 1.4 图像处理系统图像处理系统l 1.5 人眼的视觉特性人眼的视觉特性l 1.6 图像质量的评估标准及方法图像质量的评估标准及方法l 1.7 图像通信的关键技术图像通信的关键技术l 1.8 色度学基础及颜色模型色度学基础及颜色模型1.1 图像及其特点图像及其特点n 图像定义图像定义 图像是当光辐射能量照在图像是当光辐射能量照在物体上,经过它的反射或物体上,经过它的反射或透射,或由发光物体本身透射,或由
2、发光物体本身发出的光能量,在人的视发出的光能量,在人的视觉器官中所重现出的物体觉器官中所重现出的物体的视觉信息。的视觉信息。n 大多数图像是源于自然景物,其原始形态是连大多数图像是源于自然景物,其原始形态是连 续变换的模拟量,是连续的模拟信号。续变换的模拟量,是连续的模拟信号。1.1 图像及其特点图像及其特点n 图像特点图像特点 信息量大信息量大。“百闻不如一见百闻不如一见”,一幅图像中,一幅图像中所蕴含的信息量巨大所蕴含的信息量巨大 直观性强直观性强。“耳听为虚,眼见为实耳听为虚,眼见为实”。一般。一般的自然景物图像,不需特别的学习即可理解的自然景物图像,不需特别的学习即可理解 图像信息具有
3、一定模糊性图像信息具有一定模糊性。同一幅图像,不。同一幅图像,不同人观看,或同一个人不同时刻观看会有不同的同人观看,或同一个人不同时刻观看会有不同的理解,即情感信息,无法用概率模型来表示。理解,即情感信息,无法用概率模型来表示。图像的实体化和形象化图像的实体化和形象化。比如传真、远程图。比如传真、远程图像监控、会议电视、像监控、会议电视、“千里眼千里眼”等。等。1.2 图像的分类及表示方法图像的分类及表示方法p按传输方式按传输方式模拟图像:空间和亮度上连续取值的图像模拟图像:空间和亮度上连续取值的图像数字图像:空间和亮度上离散的图像数字图像:空间和亮度上离散的图像p按光谱特性按光谱特性二值图像
4、:图像中像素的取值只有两种二值图像:图像中像素的取值只有两种灰度图像:图像中像素取值只有一个亮度值灰度图像:图像中像素取值只有一个亮度值彩色图像:多光谱图像,图像中每个像点有多彩色图像:多光谱图像,图像中每个像点有多 于一个的局部性质于一个的局部性质p按是否随时间变化按是否随时间变化活动图像:随时间变化的图像活动图像:随时间变化的图像静止图像:不随时间变化的图像静止图像:不随时间变化的图像图图像像的的分分类类n 数字图像数字图像 用计算机进行图像处理的前提是图像必须以数用计算机进行图像处理的前提是图像必须以数字格式存储,我们把以数字格式存放的图像称之为字格式存储,我们把以数字格式存放的图像称之
5、为数字图像。数字图像。数字图像的获取数字图像的获取:获取模拟图像获取模拟图像 数字图像数字图像(如扫描仪如扫描仪)抽样量化抽样量化直接获取数字图像直接获取数字图像(如数码相机,数码摄象机如数码相机,数码摄象机)l物理图像及对应的数字图像物理图像及对应的数字图像 数字图像数字图像是以像素是以像素 像素定义的,且像素定义的,且像素像素作为作为保存图像的最小单位,都保存图像的最小单位,都定义有一个灰度值定义有一个灰度值。一幅一幅MNMN个像素的数字图像,其像素灰度值可个像素的数字图像,其像素灰度值可以用以用M M行、行、N N列的矩阵列的矩阵G G表示:表示:同于书上第同于书上第3页的式(页的式(1
6、-6)图图 数字图像数字图像问题:每个像素的取值定义为?问题:每个像素的取值定义为?灰度灰度n 灰度灰度 表示光的强度的数量量表示光的强度的数量量度。度。强度大为白色,强度弱强度大为白色,强度弱为黑色,中间的强度表现为黑色,中间的强度表现为灰色。为灰色。光强量化到光强量化到256256级,级,0 0对对应黑色,应黑色,255255对应白色(归对应白色(归一化:一化:0 0对应黑色,对应黑色,1 1对应对应白色)白色)灰度图像灰度图像:是指每个像素的信息由一个是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像,量化的灰度级来描述的图像,无彩色信无彩色信息息,通常划分为,通常划分为0255共共256
7、个级别,个级别,0最暗(全黑),最暗(全黑),255最亮(全白)。最亮(全白)。n 彩色彩色/灰度灰度/二值图像二值图像灰度图像描述示例灰度图像描述示例n 彩色彩色/灰度灰度/二值图像二值图像彩色图像彩色图像:是指每个像素的信息由是指每个像素的信息由RGB三原三原色构成的图像,其中色构成的图像,其中RGB三个分量是由不同三个分量是由不同的灰度级(人为地分为的灰度级(人为地分为0255共共256个等级)个等级)来描述的。来描述的。RGBRGB各种不同的组合可以表示出各种不同的组合可以表示出256*256*256256*256*256(约(约16001600万)种颜色(真彩色)。万)种颜色(真彩色
8、)。彩色图像描述示例彩色图像描述示例二值图像二值图像:图像的每个像素只能是黑图像的每个像素只能是黑(像素值为(像素值为0)或者白(像素值为)或者白(像素值为1)。)。彩色图像彩色图像灰度图像灰度图像使用下面的转换公式:使用下面的转换公式:grayscale:I=0.299IR+0.587IG+0.114IB 灰度图像灰度图像彩色图像彩色图像使用不同的颜色使用不同的颜色(different in hue)来表示灰来表示灰度图像中不同的图像特征(度图像中不同的图像特征(image features)。)。n 图像信号的数学表达式:图像信号的数学表达式:I=f(x,y,z,t)I表示空间某像素点灰度
9、(亮度)表示空间某像素点灰度(亮度)I I为正值,且有界,为正值,且有界,0 0 I Imax (x,y,z)(x,y,z)表示成像目标的空间坐标表示成像目标的空间坐标 t 表示时间坐标表示时间坐标 表示光的波长表示光的波长当当z=z0 时,表示二维平面图像。时,表示二维平面图像。当当t=t0 时,或时,或I与与t无关时,表示静态图像。无关时,表示静态图像。当当 为定值时,表示单色图像。为定值时,表示单色图像。1.2 图像的分类及表示方法图像的分类及表示方法1.2 图像的分类及表示方法图像的分类及表示方法p二维函数二维函数f(x,y),用于表示单幅图片(静止图像),用于表示单幅图片(静止图像)
10、,其中,其中,x,y是空间坐标,是空间坐标,f(x,y)是点(是点(x,y)的幅)的幅值值p三维函数三维函数f(x,y,t),用于表示多帧图片(动态图像),用于表示多帧图片(动态图像),其中,其中,x,y是空间坐标,是空间坐标,t是时间,是时间,f(x,y,t)是是t时时刻点(刻点(x,y)的幅值)的幅值l 灰度图像表示方法灰度图像表示方法(=0)根据三基色原理,根据三基色原理,彩色图像信号彩色图像信号为:为:I=IR+IG+IB式中:式中:IR=fR(x,y,z,R,t)IG=fG(x,y,z,G,t)IB=fB(x,y,z,B,t)其中其中 R R,G G ,B B 为为3 3基色波长基色
11、波长。1.3 图像通信系统的组成图像通信系统的组成分为模拟系统和数字系统两种。分为模拟系统和数字系统两种。1.1.模拟图像通信系统的组成框图模拟图像通信系统的组成框图图像信息源图像信息源调制器调制器信道信道解调器解调器噪声噪声显示器显示器图像信源是以一定扫描方式产生电信号。图像信源是以一定扫描方式产生电信号。2.2.数字图像通信系统的组成框图数字图像通信系统的组成框图图图像像信信息息源源信信源源编编码码器器信信道道编编码码器器调调制制器器信信道道解解调调器器信信道道解解码码器器信信源源解解码码器器显显示示器器预处理预处理噪声噪声后处理后处理信源编码器进行压缩编码,减少信息数据量。信道编信源编码
12、器进行压缩编码,减少信息数据量。信道编码器是为了提高信息在信道上传输质量,减少误码率码器是为了提高信息在信道上传输质量,减少误码率而采用有冗余编码。而采用有冗余编码。数字图像通信系统的优点数字图像通信系统的优点l可以多次中继传输而不致引起噪声的严重积累可以多次中继传输而不致引起噪声的严重积累l有利于采用压缩编码技术有利于采用压缩编码技术l易于与计算机技术结合,实现图像、声音、数易于与计算机技术结合,实现图像、声音、数据等多种信息内容的综合视听通信业务据等多种信息内容的综合视听通信业务l可采用数字通信中的信道编码技术,以提高传可采用数字通信中的信道编码技术,以提高传输中的抗干扰性能输中的抗干扰性
13、能l易于采用数字方法实现保密通信,实现数据隐易于采用数字方法实现保密通信,实现数据隐藏藏l采用大规模集成电路,可以降低功耗,减小体采用大规模集成电路,可以降低功耗,减小体积、重量,提高可靠性,降低成本,便于维护积、重量,提高可靠性,降低成本,便于维护1.4 图像处理系统图像处理系统图像输入图像输入图图像像处处理理和分析和分析图像通信图像通信图像存储图像存储图像输出图像输出n 数字图像处理硬件系统数字图像处理硬件系统 图像输入装置:图像输入装置:如扫描仪、数码相机,电视摄像机等如扫描仪、数码相机,电视摄像机等任务任务:要图像转换为适于计算机处理的数字图像数据要图像转换为适于计算机处理的数字图像数
14、据1.图像输入装置图像输入装置n 扫描仪扫描仪:分类分类:手持式扫描仪手持式扫描仪 平板式扫描仪平板式扫描仪 滚筒式扫描仪滚筒式扫描仪2.图像输出装置:图像输出装置:如打印机,显示器等如打印机,显示器等任务:将数字图像重新转换成输出的灰阶图像或彩色图像任务:将数字图像重新转换成输出的灰阶图像或彩色图像图像图像 硬输出硬输出(硬拷贝硬拷贝):):在某种介质上能长期保存输出结果在某种介质上能长期保存输出结果 如:打印机、胶片记录仪、绘图仪、图像定位仪等如:打印机、胶片记录仪、绘图仪、图像定位仪等输出输出 软输出软输出(软拷贝软拷贝):):设备上显示的图像在设备关机后即设备上显示的图像在设备关机后即
15、设备设备 消失。如:高分辨率消失。如:高分辨率/液晶液晶/等离子体显示器等离子体显示器3.图像处理装置图像处理装置:如计算机如计算机进行图像处理的进行图像处理的PC机配置尽可能高一些,有条件最机配置尽可能高一些,有条件最好采用图形工作站进行处理。好采用图形工作站进行处理。4.图像存贮装置图像存贮装置:图图像像数数据据量量庞庞大大,早早期期其其存存储储成成为为问问题题。到到目目前前为为止止,除除了了大大容容量量磁磁盘盘可可供供存存储储图图像像数数据据之之外外,MO、CD、DVD等等光光学学存存储储装装置置以以及及SAN、NAS等等网网络络存存储储系系统统,为为存存储储海海量量图图像像数数据据提提
16、供供了极好的支持。了极好的支持。n 数字图像处理软件系统数字图像处理软件系统 DOSDOS平台平台98/200098/2000系统下系统下编程软件:编程软件:VC+,Matlab等等商业软件:如画图软件、商业软件:如画图软件、Adobe公司的公司的PhotoshopPremiere等等1.5 人眼的视觉特性人眼的视觉特性晶状体视网膜人眼成像示意图 人眼通过视觉接受图像。景物由瞳孔通过相当于人眼通过视觉接受图像。景物由瞳孔通过相当于双凸透镜的晶状体在视网膜上成像,然后由视网双凸透镜的晶状体在视网膜上成像,然后由视网膜中作为光传感器的视细胞转换为视觉信号。膜中作为光传感器的视细胞转换为视觉信号。1
17、.5 人眼的视觉特性人眼的视觉特性n 眼的适应性眼的适应性n 对比灵敏度对比灵敏度n 人眼的空间分辨力和时间分辨力人眼的空间分辨力和时间分辨力n 马赫马赫MachMach效应效应1.1.眼的适应性眼的适应性人类视觉系统能适应的亮度范围是非常大的,人类视觉系统能适应的亮度范围是非常大的,从最暗到最亮可达从最暗到最亮可达1010数量级。数量级。但人类视觉系统并不能同时工作于这样大亮度范围。但人类视觉系统并不能同时工作于这样大亮度范围。亮度适应级:在一定条件下亮度适应级:在一定条件下,人视觉系统当前敏感度。人视觉系统当前敏感度。人眼在某一时刻能感受主观亮度范围为以此亮度适应级人眼在某一时刻能感受主观
18、亮度范围为以此亮度适应级为中心的一个小范围。为中心的一个小范围。暗光适应:从亮到暗的适应过程,需暗光适应:从亮到暗的适应过程,需1030s。亮光适应:从暗到亮的适应过程,需亮光适应:从暗到亮的适应过程,需12s。亮度适应能力亮度适应能力1.1.眼的适应性眼的适应性 同时对比度同时对比度对于同一物体,由于所处背景不同亮度不同,即对于同一物体,由于所处背景不同亮度不同,即使采用相同亮度刺激,人眼对其所感受主观亮度使采用相同亮度刺激,人眼对其所感受主观亮度是不一样的。此效应叫同时对比度。是不一样的。此效应叫同时对比度。由于同时对比由亮度差别引起,又称亮度对比。由于同时对比由亮度差别引起,又称亮度对比
19、。色度对比是由色度差别引起的。色度对比是由色度差别引起的。2.2.对比灵敏度对比灵敏度 反映人眼刚能区别亮度差别能力反映人眼刚能区别亮度差别能力给定一个给定一个均匀照明均匀照明的足够覆盖整视野平面,光源强度的足够覆盖整视野平面,光源强度为为I I且可以变化,现在加一照度增量且可以变化,现在加一照度增量II,为了使人能,为了使人能感觉到平面中间像有感觉到平面中间像有1 1个圆形亮斑的变化。个圆形亮斑的变化。II不够亮,则表示无不够亮,则表示无感知变化;感知变化;II够亮,则表示有感够亮,则表示有感知变化。知变化。I/I 称为对比灵敏度。称为对比灵敏度。韦韦伯伯比比:令令I50为为对对给给定定背背
20、景景亮亮度度有有50%机机会会能能感感知知变变化化的的照照度度增增量量,即即I50表表示示眼眼睛睛刚刚能能分分辨辨出出的的照照度度差差,则则量量I50/I称为韦伯比。通常韦伯比为一常数称为韦伯比。通常韦伯比为一常数,约等于约等于0.02。3.3.视觉系统的分辨率视觉系统的分辨率定义:对于空间上或时间上两相邻的视觉信号,人们定义:对于空间上或时间上两相邻的视觉信号,人们刚能鉴别出二者存在的能力称为视觉系统的分辨率。刚能鉴别出二者存在的能力称为视觉系统的分辨率。空间分辨率空间分辨率:人眼区分相邻两个发光点的能力。通常:人眼区分相邻两个发光点的能力。通常用能够分辨两个发光点之间的最小视角表示。用能够
21、分辨两个发光点之间的最小视角表示。时间分辨率时间分辨率:人眼对于随时间变化目标分辨能力。:人眼对于随时间变化目标分辨能力。人眼亮度感觉不会随着观察物体亮度消失而立即消失,人眼亮度感觉不会随着观察物体亮度消失而立即消失,称为称为视觉惰性。视觉惰性。视觉惰性。视觉惰性。当离散画面重复频率不小于当离散画面重复频率不小于24Hz时,形成连续活动画时,形成连续活动画面;若小于面;若小于24Hz,则出现闪烁感觉。,则出现闪烁感觉。4.4.马赫马赫(Mach)(Mach)带效应带效应针对亮暗分界部分针对亮暗分界部分Mach带:带:人们在观察一条由均匀黑和均匀白的区域人们在观察一条由均匀黑和均匀白的区域形成的
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