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1、数字图像处理与图像通信数字图像处理与图像通信朱秀昌朱秀昌 刘刘 峰峰 胡胡 栋栋北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社1第第2 2章章 数字图像基础数字图像基础v2.1 2.1 图像信号的数字化图像信号的数字化v2.2 2.2 *数字视频信号和数字视频信号和ITU-R BT.601ITU-R BT.601标准标准v2.3 2.3 图像设备和器件图像设备和器件v2.4 2.4 高速高速DSPDSP22.12.1 图像信号的数字化图像信号的数字化图像信号的数字化图像信号的数字化:-:-“三部曲三部曲”连续（模拟）图像连续（模拟）图像离散（数字）图像离散（数字）图像取样取样图像在空间上的离散化的过程图
2、像在空间上的离散化的过程量化量化取样点灰度值的离散化的过程取样点灰度值的离散化的过程l标量量化标量量化均匀量化均匀量化非均匀量化非均匀量化l矢量量化矢量量化编码编码用二进制数来表示量化后样值的过程用二进制数来表示量化后样值的过程3取样和量化示例取样和量化示例模拟图像模拟图像数字图像数字图像数字化数字化一个像素一个像素4图像的空间分辨率示例图像的空间分辨率示例161651251225625664641281285图像的灰度分辨率示例图像的灰度分辨率示例8 8灰度灰度 4 4灰度灰度 2 2灰度灰度6464灰度灰度 3232灰度灰度 1616灰度灰度6v 2.1.1 2.1.1 图像信号的频谱图像
3、信号的频谱一维信号一维信号f(x)的傅氏变换的傅氏变换F(f)：(2.1)(2.1)(2.2)(2.2)7二维图像二维图像f(x,y)的傅氏变换的傅氏变换(u,v)：实际二维图像频谱在频率域上有界实际二维图像频谱在频率域上有界l景物的复杂性有限，景物的复杂性有限，“雪花雪花”点似的图像无实际意义点似的图像无实际意义l人眼、显示器对空间复杂性（频率）的分辨率有限度人眼、显示器对空间复杂性（频率）的分辨率有限度(2.3)(2.3)(2.4)(2.4)8v2.1.2 2.1.2 取样和二维取样定理取样和二维取样定理(a)(a)原图像连续空间原图像连续空间(b)(b)数字图像离散空间（像素）数字图像离
4、散空间（像素）xyf(x,y)0 x1 y1 f(x1,y 1)f(i,j)0f(i1,j1)i j i1 j1 91.1.二维取样定理二维取样定理 回忆一维取样定理。回忆一维取样定理。模拟图像信号模拟图像信号f(x,y)的频谱的频谱F(u,v)在水平方向、垂直方向的截止频率分别为在水平方向、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，只要水平方向、垂直方向的空间取样频率 U0 Um，V0 Vm，（取样点的水平间隔、垂直间隔满足（取样点的水平间隔、垂直间隔满足x1/(2 Um)，y1/(2 Vm)）则图像可被精确地恢复。则图像可被精确地恢复。二维取样定理由抽样图像
5、恢复原图像的必要条件。二维取样定理由抽样图像恢复原图像的必要条件。10取样图像的频谱示例取样图像的频谱示例图图2.1 2.1 取样图像的频谱取样图像的频谱11取样过程的取样过程的空域空域分析分析用于取样的冲激阵列用于取样的冲激阵列取样后的图像取样后的图像(2.5)(2.5)取样后图像连续图像取样阵列取样后图像连续图像取样阵列(2.6)(2.6)12取样过程的取样过程的频域频域分析分析冲激阵列的频谱冲激阵列的频谱取样后的频谱取样后的频谱(2.7)(2.7)(2.8)(2.8)(2.9)(2.9)(2.10)(2.10)132.从取样图像恢复原图像从取样图像恢复原图像l满足取样定理条件满足取样定理
6、条件(各频谱区域互不交叠各频谱区域互不交叠)l用理想二维低通滤波器用理想二维低通滤波器H(u,v)可完整地取出原图像频谱可完整地取出原图像频谱Fr(u,v)(2.14)(2.14)(2.11)(2.11)(2.12)(2.12)IDFTIDFT恢复的图像恢复的图像14用理想低通滤波器用理想低通滤波器H(u,v)提取取样图像的基本频谱提取取样图像的基本频谱F(u,v)的示意的示意uvuvFp(u,v)H(u,v)153.3.亚取样和混叠效应亚取样和混叠效应l亚取样亚取样 减少数字图像的数据量；减少数字图像的数据量；l亚取样亚取样 取样定理的条件不满足取样定理的条件不满足 混叠。混叠。l取样图像频
7、谱的各次谐波发生混叠取样图像频谱的各次谐波发生混叠l滤波器不可能将原图像的频谱分量滤取出来滤波器不可能将原图像的频谱分量滤取出来l图像的恢复中将会引入混叠失真图像的恢复中将会引入混叠失真l亚取样要尽量减少频谱混叠失真亚取样要尽量减少频谱混叠失真uvLPF16实例：菱形亚取样实例：菱形亚取样图图2.22.2 菱形亚取样及其频谱分布菱形亚取样及其频谱分布1/(2x)1/(2y)u(c)vvUmu(b)VmFi(u,v)2x2yyx(a)fi(x,y)174.4.实际取样脉冲效应实际取样脉冲效应实际取样点阵列：实际取样点阵列：l取样点阵列不是理想取样点阵列不是理想函数，有一定的宽度函数，有一定的宽度
8、；l取样点阵列不是无限伸展的。取样点阵列不是无限伸展的。产生的影响：产生的影响：l取样脉冲有取样脉冲有宽度，重建图像误差产生高频失真，频谱按宽度，重建图像误差产生高频失真，频谱按sinc函数衰减；函数衰减；l点阵非无限，图像重建时就会产生边界误差和模糊现象。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：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；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。但只要满足取样定理，可用近似恢复出原模拟信号。18实际取样脉冲效应的分析实际取样脉冲效应的分析 实际取样脉冲阵列实际取样脉冲阵列s(x,y
9、)是截短是截短函函数阵列数阵列d(x,y)通过冲激响应为通过冲激响应为p(x,y)的的线性滤波器产生的：线性滤波器产生的：有限取样有限取样 阵列阵列取样后的图像取样后的图像(2.16(2.16)取样后图像连续图像取样阵列取样后图像连续图像取样阵列(2.18(2.18)(2.17(2.17)DFT(2.19(2.19)有限取样阵列有限取样阵列19实际取样脉冲实际取样脉冲的不理想对重的不理想对重建图像的影响建图像的影响图图2.32.3实际取样脉冲的频谱实际取样脉冲的频谱0 xf(x,y)0uFi(u,v)-umums(x,y)0 x01xusS(u,v)-us2us-2usu0 xfp(x,y)0
10、uFp(u,v)-umumus-us2us-2usy=0的截面FT v=0的截面FT FT Sa(u/2)Sa(u/2)20v2.1.3 2.1.3 量化和编码量化和编码1 1、数字化数字化“三部曲三部曲”：l取样，取样，空间上被离散成为像素，像素值还是连续变化量；空间上被离散成为像素，像素值还是连续变化量；l量化，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）；将像素的连续值转化为有限个离散值（均匀、非均匀量化）；l编码，编码，赋予量化后的像素值以不同码字，形成数字图像。赋予量化后的像素值以不同码字，形成数字图像。2 2、均匀量化：均匀量化：量化层数量化层数K取为用取为用2的的n
11、次幂，即次幂，即K=2n；像素值用像素值用n比特自然二进制码表示，形成比特自然二进制码表示，形成PCM编码；编码；通常图像通常图像8比特量化，比特量化，28=256，256个灰度等级。个灰度等级。21经过取样、量化和编码以后，形成数字图像经过取样、量化和编码以后，形成数字图像一个数字图像的实例一个数字图像的实例98 92 95 80 75 82 68 50 98 92 95 80 75 82 68 50 97 91 94 79 74 81 67 4997 91 94 79 74 81 67 4995 89 92 77 72 79 65 4795 89 92 77 72 79 65 4793 8
12、7 90 75 70 77 63 45 93 87 90 75 70 77 63 45 91 85 88 73 68 75 61 4391 85 88 73 68 75 61 4389 83 86 71 66 73 59 41 89 83 86 71 66 73 59 41 87 88 84 69 64 71 57 3987 88 84 69 64 71 57 3985 79 82 67 62 69 55 3785 79 82 67 62 69 55 3722例如：例如：图像的某一样本幅度（灰度）为图像的某一样本幅度（灰度）为127.2127.2，则量化为则量化为127127，可用二进制长码可
13、用二进制长码 0111111101111111（8 8比特）表示。比特）表示。量化区间量化区间量化步长量化步长判决电平判决电平量化电平量化电平量化误差量化误差量化噪声量化噪声d0 d1 d2 di di+1 dk1 dk 判决电平判决电平 e 0 e 1 量化电平量化电平 e i e k1 量化示意图量化示意图233.3.均匀量化均匀量化误差、量化噪声、量化信噪比误差、量化噪声、量化信噪比l（1）量化误差：）量化误差：e=真值量化值。真值量化值。e 相当于相当于“噪声噪声”，“量化噪声量化噪声”。l（2 2）量化误差的均方值）量化误差的均方值 设：设：n比特比特PCMPCM编码，量化步长为编码
14、，量化步长为1/21/2n n，取样值是均匀分布，取样值是均匀分布,则可以证明：量化误差的均方值则可以证明：量化误差的均方值l（3 3）量化信噪比）量化信噪比(2.21)(2.21)(2.20)(2.20)可见：每抽样的编码比特数可见：每抽样的编码比特数 n 直接关系到数字化的图像质量，每增减直接关系到数字化的图像质量，每增减 1 1 比比 特，特，就使量化信噪比增减约就使量化信噪比增减约6 6分贝。分贝。一般应用：电视广播、视频通信等，一般应用：电视广播、视频通信等，8 bit8 bit量化，已能满足。量化，已能满足。特殊应用：高质量静止图像、遥感图像等，特殊应用：高质量静止图像、遥感图像等
15、，1010比特以上精度。比特以上精度。242.22.2 数字视频信号和数字视频信号和ITU-R BT.601ITU-R BT.601标准标准v2.2.1 2.2.1 视频信号的数字化视频信号的数字化PAL/NTSC制模拟信号数字化，即制模拟信号数字化，即A/D转换转换视频信号的数字化也包括取样、量化、编码视频信号的数字化也包括取样、量化、编码扫描体制在时间扫描体制在时间 t 维已离散维已离散扫描体制在垂直扫描体制在垂直 y 维已离散维已离散在在 x 维可以自行取样维可以自行取样电视信号电视信号视频信号视频信号序列信号序列信号视频序列视频序列活动图像信号活动图像信号25三维电视信号三维电视信号图
16、图2.42.4电视信号的扫描及取样电视信号的扫描及取样一帧电视画面xytF(u,v)k-1帧k帧k-1帧26电视图像的取样频率电视图像的取样频率l水平方向最高时间频率水平方向最高时间频率Fm和最高空间频率和最高空间频率U Um l由取样定理，空间域取样间隔由取样定理，空间域取样间隔xlt为扫描为扫描x间隔间隔所需的时间所需的时间l综合以上三式可得：综合以上三式可得：l结论同一维取样定理结论同一维取样定理 扫描行电视帧电视帧图图2.5 2.5 扫描间隔和最高频率扫描间隔和最高频率a0t空间最高频率Um时间最高频率Fm(2.22)(2.22)(2.23)(2.23)(2.24)(2.24)(2.2
17、5)(2.25)27v2.2.2 ITU-R BT.6012.2.2 ITU-R BT.601数字视频标准数字视频标准1.1.复合数字系统复合数字系统l直接对复合视频信号取样、直接对复合视频信号取样、A/D、形成复合数字视频形成复合数字视频lPAL PAL 制制f fscsc4.43 MHz4.43 MHzlNTSCNTSC制制f fscsc3.59 MHz3.59 MHz表表2.1 复合数字系复合数字系统统的取的取样样参数参数标准取样频率Bit/取样数据率（Mb/s）NTSC3fsc8 85.9NTSC4fsc8114.5PAL3fsc8106.3PAL4fsc8141.8282.ITU-R
18、 BT.6012.ITU-R BT.601分量数字系统分量数字系统l目标：不同制式的视频在数字域互通目标：不同制式的视频在数字域互通l分量编码：对亮度信号分量编码：对亮度信号(Y)(Y)和两个色差和两个色差(U(U、V)V)信号分别编码信号分别编码l统一的统一的Y Y取样频率取样频率13.5MHz13.5MHz，色差，色差U U、V V的取样频率的取样频率6.75MHz6.75MHzl取样频率与彩色副载波频率无关取样频率与彩色副载波频率无关29表表 2.2 ITU-R BT.6012.2 ITU-R BT.601建议的主要参数（亮、色取样频率为建议的主要参数（亮、色取样频率为4:2:24:2:
19、2）参参 量量 NTSC制制(525行行/60场场)PAL制制(625行行/50场场)编码编码信号信号 Y/R-Y/B-Y 全行全行 Y 858 864 取取样样点数点数 R-Y/B-Y 429 432 取取样结样结构构正交，按行正交，按行/场场/帧帧重复，每行中的重复，每行中的 R-Y/B-Y 取取样样与奇数（与奇数（1,3,5,）点）点Y取取样样同位同位 取取样频样频率率 (MHz)Y 13.5 R-Y/B-Y 6.75 编码编码方式方式 亮度信号和色差信号均亮度信号和色差信号均为为 PCM 8 bit 每行有效每行有效 取取样样点数点数 Y 720 R-Y/B-Y 36030图图2.6
20、2.6 不同格式的样点位置示意图不同格式的样点位置示意图(a)4:2:2格式(b)4:4:4格式表示Y样点位置表示U/V样点位置(d)4:2:0格式(c)4:1:1格式不属于不属于601601标准标准31BT 601BT 601标准中每一扫描行的采样结构如图所示。标准中每一扫描行的采样结构如图所示。lPAL PAL 制的亮度信号，每一扫描行采样制的亮度信号，每一扫描行采样864864个样本；个样本；lNTSCNTSC制的亮度信号，每一扫描行采样制的亮度信号，每一扫描行采样858858个样本。个样本。l所有的制式，每一扫描行的有亮度有效样本数为所有的制式，每一扫描行的有亮度有效样本数为72072
21、0个。个。色度有效样本数为色度有效样本数为360360个。个。ITU-R BT.656ITU-R BT.656格式视频标准。格式视频标准。（Common Intermediate FormatCommon Intermediate Format，CIF CIF）视频标准。）视频标准。122像素720像素16像素NTSC制132像素720像素12像素PAL制有效采样样本322.32.3 图像设备和器件图像设备和器件v2.3.1 2.3.1 模拟信号源模拟信号源视频摄像机、照相机视频摄像机、照相机录像机录像机激光视盘激光视盘(LD)(LD)等等33v 2.3.2 2.3.2 数字信号源和图像信号采
22、集数字信号源和图像信号采集1.彩色扫描仪彩色扫描仪2.2.数字摄像机数字摄像机 家用摄像机家用摄像机专业用摄像机专业用摄像机简易摄像头简易摄像头343.3.数码相机数码相机4.4.图像采集卡图像采集卡35v2.3.3 2.3.3 图像信号显示图像信号显示1.CRT1.CRT（阴极射线管：（阴极射线管：Cathode Ray TubeCathode Ray Tube）显示器）显示器图图2.7 2.7 显像管的基本结构显像管的基本结构(a)实物剖面阳极帽电子束偏转线圈电子枪荧光屏(b)示意图铝膜362.2.液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD：Liquid Crystal Display Liqu
23、id Crystal Display）3.3.彩色等离子显示器（彩色等离子显示器（PDPPDP：Plasma Display PanelPlasma Display Panel）英寸英寸PDPPDPPP42M5SBX42PP42M5SBX42液晶显示器液晶显示器37v2.3.4 2.3.4 数字视频和模拟视频的转换数字视频和模拟视频的转换模拟视频模拟视频 数字视频数字视频l复合模拟视频信号经过复合模拟视频信号经过A-D变换器转换为数字视频信号，变换器转换为数字视频信号，l在数字域中将在数字域中将Y/U/V实行分离，形成实行分离，形成Y/U/V数字分量（或数字分量（或R/G/B）。）。数字视频数
24、字视频 模拟视频模拟视频l将将Y/U/V（或（或R/G/B）数字分量经）数字分量经D-A变换器变为模拟变换器变为模拟Y/C分量，分量，l插入行、场同步和色同步信号后合成为模拟视频信号。插入行、场同步和色同步信号后合成为模拟视频信号。382.42.4 高速高速DSPDSPv2.4.1 2.4.1 图像数据对图像数据对DSPDSP的要求的要求图像处理对图像处理对DSPDSP的要求：的要求：l处理的数据量庞大处理的数据量庞大l处理的数据量突发性强处理的数据量突发性强l处理复合性数据多处理复合性数据多l同步性和实时性要求高同步性和实时性要求高高速高速DSP的特点的特点：l实时性很强实时性很强l灵活性较
25、大灵活性较大l成本越来越低成本越来越低39v2.4.2 2.4.2 高速高速DSPDSP的常用结构的常用结构单指令、多数据流（单指令、多数据流（SIMDSIMD：signal instruction streams,signal instruction streams,multiple data streamsmultiple data streams）分裂算逻部件（分裂算逻部件（Slip-ALU:arithmetic and logical unitSlip-ALU:arithmetic and logical unit）超长指令字超长指令字超长指令字超长指令字 （VLIWVLIW：very
26、 long instruction wordvery long instruction word）多指令、多数据流（多指令、多数据流（MIMDMIMD：multiple instruction streamsmultiple instruction streams，multiple data streamsmultiple data streams）40v2.4.3 2.4.3 新型高速新型高速DSPDSP 1.Philips1.Philips公司的公司的PNX1500PNX1500、PNX1700 PNX1700 2.TI2.TI公司的公司的TMS32064xxTMS32064xx系列和系列
27、和DavinciDavinci系列系列3.Equator3.Equator公司的公司的MAP-CAMAP-CA4.AD4.AD公司的公司的BF533BF533、BF561BF561系列系列5.5.其它其它补充：补充：TITI公司的公司的“DavinceDavince”芯片：芯片：ARM+TMS320642ARM+TMS32064241示例：示例：ADAD公司双核公司双核BF561BF561高速高速DSPDSPl美国模拟器件公司（美国模拟器件公司（ADIADI）l756MHz756MHz速度，支持并行处理。速度，支持并行处理。l指令集中包含视频专用指令指令集中包含视频专用指令 内核B（756MH
28、z）内核A（756MHz）SRAM/核/L1SRAM/核/L1系统接口128KB SRAM/L2系统控制模块外围接口模块高速数据I/O扩展总线接口42v 2.4.4 2.4.4 高速高速DSPDSP芯片的发展趋势芯片的发展趋势高速：高速：1GHz1GHz；低功耗：；低功耗：0.1mW/MIPS0.1mW/MIPS；高密度：；高密度：0.050.05微米；微米；多种图像处理协处理器和多样化接口；多种图像处理协处理器和多样化接口；多处理器并行工作：多处理器并行工作：2 28 8个个DSPDSP核；核；DSPDSP和和CPUCPU结合的结合的OSCOSC（片上系统）；（片上系统）；DSPDSP和和FPGAFPGA、ASICASIC结合；结合；精良的开发环境；精良的开发环境；竞争对象：竞争对象：FPGAFPGA、ASICASIC。43