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1、1第2 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第1页/共43页22.1 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l标量量化均匀量化非均匀量化l矢量量化编码用二进制数来表示量化后样值的过程第2页/共43页3取样和量化示例模拟图像数字图像数字化一个像素第3页/共43页4图像的空间分辨率示例16165125122562566464128128第4页/共43页5图像的灰度分辨率示例8 8灰度 4 4灰度
2、 2 2灰度6464灰度 3232灰度 1616灰度第5页/共43页6图像信号的频谱一维信号f(x)的傅氏变换F(f)：(2.1)(2.1)(2.2)(2.2)第6页/共43页7二维图像f(x,y)的傅氏变换(u,v)：实际二维图像频谱在频率域上有界l景物的复杂性有限，“雪花”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(2.3)(2.3)(2.4)(2.4)第7页/共43页8取样和二维取样定理(a)(a)原图像连续空间(b)(b)数字图像离散空间（像素）xyf(x,y)0 x1 y1 f(x1,y 1)f(i,j)0f(i1,j1)i j i1 j1 第8页/共43页
3、91.二维取样定理 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 Um，V0 Vm，（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。二维取样定理由抽样图像恢复原图像的必要条件。第9页/共43页10取样图像的频谱示例图2.1 2.1 取样图像的频谱第10页/共43页11取样过程的空域分析用于取样的冲激阵列取样后的图像(2.5)(2.5)取样后图像连续图像取样阵列(2.6)(2.6)第11页/共43页12取样过程的频域分析冲激阵列的频谱取样后的频谱
4、(2.7)(2.7)(2.8)(2.8)(2.9)(2.9)(2.10)(2.10)第12页/共43页132.从取样图像恢复原图像l满足取样定理条件(各频谱区域互不交叠)l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)(2.14)(2.14)(2.11)(2.11)(2.12)(2.12)IDFTIDFT恢复的图像第13页/共43页14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uvuvFp(u,v)H(u,v)第14页/共43页153.亚取样和混叠效应l亚取样 减少数字图像的数据量；l亚取样 取样定理的条件不满足 混叠。l取样图像频谱的各次谐波发
5、生混叠l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l亚取样要尽量减少频谱混叠失真uvLPF第15页/共43页16实例：菱形亚取样图2.22.2 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)第16页/共43页174.实际取样脉冲效应实际取样点阵列：l取样点阵列不是理想函数，有一定的宽度；l取样点阵列不是无限伸展的。产生的影响：l取样脉冲有宽度，重建图像误差产生高频失真，频谱按sinc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。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
6、；但只要满足取样定理，可用近似恢复出原模拟信号。第17页/共43页18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：有限取样 阵列取样后的图像(2.16(2.16)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)有限取样阵列第18页/共43页19实际取样脉冲的不理想对重建图像的影响图2.32.3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)0uFp(u,v)-umumu
7、s-us2us-2usy=0的截面FT v=0的截面FT FT Sa(u/2)Sa(u/2)第19页/共43页20量化和编码1、数字化“三部曲”：l取样，空间上被离散成为像素，像素值还是连续变化量；l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，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：量化层数K取为用2的n次幂，即K=2n；像素值用n比特自然二进制码表示，形成PCM编码；通常图像8比特量化，28=256，256个灰度等级。第20页/共43页21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98 92 95 80 75 82 68 50 98 9
8、2 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 87 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 39
9、85 79 82 67 62 69 55 3785 79 82 67 62 69 55 37第21页/共43页22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 01111111（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d0 d1 d2 di di+1 dk1 dk 判决电平 e 0 e 1 量化电平 e i e k1 量化示意图第22页/共43页233.均匀量化误差、量化噪声、量化信噪比l（1）量化误差：e=真值量化值。e 相当于“噪声”，“量化噪声”。l（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
10、可以证明：量化误差的均方值l（3）量化信噪比(2.21)(2.21)(2.20)(2.20)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 1 1 比 特，就使量化信噪比增减约6 6分贝。一般应用：电视广播、视频通信等，8 bit8 bit量化，已能满足。特殊应用：高质量静止图像、遥感图像等，1010比特以上精度。第23页/共43页242.2 2.2 数字视频信号和ITU-R BT.601ITU-R BT.601标准视频信号的数字化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
11、 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第24页/共43页25三维电视信号图2.42.4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帧第25页/共43页26电视图像的取样频率l水平方向最高时间频率Fm和最高空间频率Um l由取样定理，空间域取样间隔xlt为扫描x间隔所需的时间l综合以上三式可得：l结论同一维取样定理 扫描行电视帧图2.5 2.5 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)(2.25)(2.25)第26页/共43页27数字视频标准1.复合数字系统l直接
12、对复合视频信号取样、A/D、形成复合数字视频lPAL 制fsc4.43 MHzlNTSC制fsc3.59 MHz表2.1 复合数字系统的取样参数标准取样频率Bit/取样数据率（Mb/s）NTSC3fsc8 85.9NTSC4fsc8114.5PAL3fsc8106.3PAL4fsc8141.8第27页/共43页282.ITU-R BT.601分量数字系统l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(Y)和两个色差(U、V)信号分别编码l统一的Y取样频率13.5MHz，色差U、V的取样频率6.75MHzl取样频率与彩色副载波频率无关第28页/共43页29表 2.2 ITU-R BT.
13、601建议的主要参数（亮、色取样频率为4:2:2）参参 量量 NTSC制制(525行行/60场场)PAL制制(625行行/50场场)编码信号编码信号 Y/R-Y/B-Y 全行全行 Y 858 864 取样点数取样点数 R-Y/B-Y 429 432 取样结构取样结构正交，按行正交，按行/场场/帧重复，每行中的帧重复，每行中的 R-Y/B-Y 取样与奇数（取样与奇数（1,3,5,）点）点Y取样同位取样同位 取样频率取样频率 (MHz)Y 13.5 R-Y/B-Y 6.75 编码方式编码方式 亮度信号和色差信号均为亮度信号和色差信号均为 PCM 8 bit 每行有效每行有效 取样点数取样点数 Y
14、720 R-Y/B-Y 360第29页/共43页30图2.6 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601601标准第30页/共43页31BT 601标准中每一扫描行的采样结构如图所示。lPAL 制的亮度信号，每一扫描行采样864个样本；lNTSC制的亮度信号，每一扫描行采样858个样本。l所有的制式，每一扫描行的有亮度有效样本数为720个。色度有效样本数为360个。ITU-R BT.656格式视频标准。（Common Intermediate Format，CIF）视频标准。122像素72
15、0像素16像素NTSC制132像素720像素12像素PAL制有效采样样本第31页/共43页322.3 2.3 图像设备和器件模拟信号源视频摄像机、照相机录像机激光视盘(LD)等第32页/共43页33 数字信号源和图像信号采集1.彩色扫描仪2.2.数字摄像机 家用摄像机专业用摄像机简易摄像头第33页/共43页343.数码相机4.4.图像采集卡第34页/共43页35图像信号显示1.CRT（阴极射线管：Cathode Ray Tube）显示器图2.7 2.7 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)示意图铝膜第35页/共43页362.液晶显示器（LCD：Liquid Cr
16、ystal Display）3.3.彩色等离子显示器（PDPPDP：Plasma Display PanelPlasma Display Panel）英寸PDPPDPPP42M5SBX42PP42M5SBX42液晶显示器第36页/共43页37数字视频和模拟视频的转换模拟视频 数字视频l复合模拟视频信号经过A-D变换器转换为数字视频信号，l在数字域中将Y/U/V实行分离，形成Y/U/V数字分量（或R/G/B）。数字视频 模拟视频l将Y/U/V（或R/G/B）数字分量经D-A变换器变为模拟Y/C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。第37页/共43页382.4 2.4 高速DSP
17、DSP图像数据对DSP的要求图像处理对DSP的要求：l处理的数据量庞大l处理的数据量突发性强l处理复合性数据多l同步性和实时性要求高高速DSP的特点：l实时性很强l灵活性较大l成本越来越低第38页/共43页39高速DSP的常用结构单指令、多数据流（SIMD：signal instruction streams,multiple data streams）分裂算逻部件（Slip-ALU:arithmetic and logical unit）超长指令字超长指令字（VLIW：very long instruction word）多指令、多数据流（MIMD：multiple instruction
18、streams，multiple data streams）第39页/共43页40新型高速DSP 1.Philips公司的PNX1500、PNX1700 2.TI公司的TMS32064xx系列和Davinci系列3.Equator公司的MAP-CA4.AD公司的BF533、BF561系列5.其它补充：TI公司的“Davince”芯片：ARM+TMS320642第40页/共43页41示例：AD公司双核BF561高速DSPl美国模拟器件公司（ADI）l756MHz速度，支持并行处理。l指令集中包含视频专用指令 内核B（756MHz）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扩展总线接口第41页/共43页42高速DSP芯片的发展趋势高速：1GHz；低功耗：0.1mW/MIPS；高密度：0.05微米；多种图像处理协处理器和多样化接口；多处理器并行工作：28个DSP核；DSP和CPU结合的OSC（片上系统）；DSP和FPGA、ASIC结合；精良的开发环境；竞争对象：FPGA、ASIC。第42页/共43页43感谢您的观看！第43页/共43页