图像视频技术.pptx
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1、主要内容图像基础图像获取-CCD摄像机图像视频编解码标准彩色电视制式PAL制、NTSC制监控系统第1页/共97页图像基础(数字图像)第2页/共97页数字图像表示 (1)紧凑矩阵表示 (2)传统矩阵表示形式第3页/共97页数字图像表示 表示数字图像所用的坐标第4页/共97页灰度图像(单色图像)如果在灰度图像中,像素灰度级用k bit表示,所以每个像素都是介于黑色和白色之间的2k种灰度中的一种。灰度图像只有灰度颜色而没有彩色。第5页/共97页空间分辨率和灰度分辨率(1)空间分辨率:图像空间中可分辨的最小细节。一般用单位长度上采样的像素数目或单位长度上的线对数目表示。对一幅图像采样时,若每行(即横向
2、)像素为M个,每列(即纵向)像素为N个,则图像大小为MN个像素。第6页/共97页不同采样点数对图像质量的影响(a)原始图像(256256);(b)采样图像1(128128);(c)采样图像2(6464);(d)采样图像3(3232);(e)采样图像4(1616);(f)采样图像5(88)第7页/共97页总结:对一幅图像,当量化级数k一定时,空间分辨率越高,图像质量越好;空间分辨率越低,图像质量越差,会出现棋盘模式。第8页/共97页空间分辨率和灰度分辨率(2)灰度分辨率:图像灰度级中可分辨的最小变化。一般用灰度级或比特数表示。L=2k当一幅图像有2k灰度级时,通常称其为k比特图像;或称2k灰度级
3、图像。存储一幅M*N数字图像所需的空间大小B=M*N*k bit第9页/共97页不同量化级别对图像质量的影响(a)原始图像(256色);(b)量化图像1(64色);(c)量化图像2(32色);(d)量化图像3(16色);(e)量化图像4(4色);(f)量化图像5(2色)第10页/共97页总结:当图像的采样点数一定时,采用不同量化级数的图像质量也不一样。灰度分辨率越高,图像质量越好;灰度分辨率越低,图像质量越差,量化级数最小的极端情况就是二值图像,图像出现假轮廓。第11页/共97页彩色图像基础为了定量的描述颜色对人眼的视觉作用,可以选用与视觉特征有关的量:亮度、色调、色饱和度作为颜色的3个基本属
4、性。(1)亮度是指人眼感觉光的明暗程度。光的能量越大,亮度越大。(2)色调是彩色最重要的属性,决定颜色的本质,如红、橙、黄。(3)饱和度是指颜色的深浅和浓淡程度,饱和度越高,颜色越深。饱和度的深浅和白色成反比,白色成分越多,饱和度越低第12页/共97页三基色原理三基色原理 1、任何一种彩色都可以由三种基本彩色光混合产生,任一种彩色都可以分解为三种基色。2、将三基色按不同比例合成可以引起不同的彩色感觉。合成彩色的亮度由三基色之和决定;而色度(色调和饱和度)由三基色之比例决定。3、三个基色必须是独立的。一般用红、绿、蓝作三基色第13页/共97页彩色图像基础每种基色的取值范围是0255因此可组合成1
5、677(256*256*256)万种不同的颜色,常见的7种颜色及其对应的R,G,B值见下表:颜色名R值G值B值红25500绿02550蓝00255白255255255黑000青0255255品红2550255黄2552550第14页/共97页RGB彩色模型RGB的彩色模型:1.每个分量是其3原色之一2.由3原色可以组成其它颜色3.对于24比特彩色,可以构成16777216种颜色计算机、摄像机等均采用此彩色空间第15页/共97页RGB图像和与之对应的色调、饱和度、亮度分量第16页/共97页YUV彩色模型Y指亮度(Brightness),即灰度值U和V也指色调,不同于YIQ的I和Q用于彩色电视广播
6、,被欧洲的电视系统所采用(属于PAL系统)Y分量也可提供黑白电视机的所有影像信息第17页/共97页YIQ彩色模型Y指亮度(Brightness),即灰度值I和Q指色调,描述色彩及饱和度用于彩色电视广播,被北美的电视系统所采用(属于NTSC系统)Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息第18页/共97页YCrCb彩色模型Y指亮度(Brightness),即灰度值Cb和Cr由U和V调整得到JPEG采用的彩色空间第19页/共97页摄像机第20页/共97页摄像机的分类按光电转换器件分类:(1)光电导摄像管(2)固体光电传感器CCD(Charge Couple Device):发展的趋势,不论广播级或业务级
7、,均为CCD取代摄像管。第21页/共97页什么是CCD?CCD是电耦合器件(Charge Couple Device)的简称当被摄物体反射光线,传播到镜头,经镜头聚焦到CCD芯片上,CCD根据光的强弱积聚相应的电荷,经周期性放电,产生表示一幅幅画面的电信号,经过滤波、放大、整形、DSP(数字信号处理)等一系列处理,通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。目前彩色摄像机和黑白摄像机技术以日本的SONY公司生产的芯片最为领先。其他的芯片生产商有日本的SHARP、PANASONIC、韩国LG、SAMAUNG等。第22页/共97页摄像机的基本组成框图摄像机的基本组成框图第23页/共97页摄像机
8、组成一、镜头系统二、主机包括五部分:摄像头、视频信号处理单元、同步信号发生器、编码器、供电系统三、寻像器四、电源五、传声器六、通讯系统摄像机电缆、支撑系统等第24页/共97页1.摄像头:内部光学系统,摄像器件,预放电路和电子快门。(1)内部光学系统:色温滤色镜和分光系统组成。(2)摄像器件:摄像管或CCD。CCD的尺寸一般有2/3英寸和1/2英寸两种。(3)预放电路:要求放大信号噪声低、增益高(90dB)、频带宽。(4)电子快门:用于室外高亮度情况下拍摄快速运动的物体。有的摄象机还具有清晰度扫描开关,用于拍摄计算机屏幕。(如DXC-537摄像机)第25页/共97页例:面CCD第26页/共97页
9、2.视频信号处理单元 视频信号处理单元,包括各种电子补偿、电子校正电路和调整、控制电路。如黑斑校正、孔阑校正、彩色校正、杂散光校正、校正、黑白切割、电缆补偿等以及光圈自动调整、黑白平衡调整、黑电平调整、重合调整、增益控制等。第27页/共97页3.同步信号发生器 同步信号发生器产生一个同步信号,保证整个系统同步工作。摄像机需要的同步信号可由内部同步信号发生器供给,也可用外部输入的同步信号或用一个外同步信号来控制该机的内同步信号,(称为同步锁相或台从锁相)因而摄像机的同步有内同步、外同步或同步锁相三种不同方式。第28页/共97页4.编码器 将红绿蓝三种信号编码,以适用于传输和适应与黑白电视相兼容的
10、需要。三种不同的彩色电视PAL、NTSC、SECAM各有其不同的编码器,到达接收机后使用相应的解码器还原出三基色图像。输出信号的方式:VIDEO OUT;Y/C;RGB;Y、B-Y、R-Y。第29页/共97页5.供电系统 输入到摄像机中的电源都是12V直流电,而摄像机中各个部件所需电压不尽相同,因此,摄像机中都有一套供电系统,负责把12V电压转换成其他各种不同的电压,以供不同之需。第30页/共97页 按照成像色彩划分 CCD 摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。按照分辨率划分 按照分辨率划分为25 万像素左右,低档型;25 万至38万像素之间,中档型;38 万像素以上,高档型。按
11、照摄像机灵敏度划分 按照灵敏度可分为最低照度1 至3lux 的普通型;0.1lux 左右的月光型;0.01lux 以下的星光型,采用红外光源成像的红外照明型,可以为0Lux。CCD摄像机的分类 第31页/共97页按照CCD CCD 靶面尺寸划分 摄像机摄像器件(CCDCCD)的尺寸分为1 1 英寸、1/2 1/2 英寸、1/3 1/3 英寸、1/4 1/4 英寸等。其中以1/3”,1/4”,1/2”,最为常见。CCD CCD 尺寸 水平(mmmm)垂直(mmmm)对角线(mmmm)1 1 英寸 12.7 9.6 1612.7 9.6 162/3 2/3 英寸 8.8 6.6 118.8 6.6
12、 111/2 1/2 英寸 6.4 4.8 86.4 4.8 81/3 1/3 英寸 4.8 3.6 64.8 3.6 61/4 1/4 英寸 3.6 2.4 43.6 2.4 4 一般来说,大的CCD CCD 芯片,其相应的象素面积也较大,接收所摄光的面积增大,必然使象素输出电荷增多,灵敏度上升,在弱光条件下具有较好的拍摄能力,容易使摄像机整体质量提高,图像细部明显细腻自然。第32页/共97页 按扫描制式划分 PALPAL制与NTSCNTSC制。中国采用隔行扫描PALPAL制式(黑白为CCIRCCIR),标准为625625行,5050场,只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外,美国
13、、日本为NTSCNTSC制式,525525行,6060场(黑白为EIAEIA)。按供电电源划分 110VAC110VAC/60HZ/60HZ(NTSCNTSC制式多属此类),220VAC220VAC/50HZ/50HZ Or/60HZOr/60HZ,24VAC24VAC/50HZ Or/60HZ/50HZ Or/60HZ。12VDC12VDC或9VDC9VDC(微型摄像机多属此类)第33页/共97页图像视频编解码第34页/共97页为什么要压缩l一张一张640640*480480真彩(真彩(2424位)图位)图像的大小:像的大小:l64048024640480247372800(bit)7372
14、800(bit)第35页/共97页为什么要压缩l以这样的图像构成视频,以以这样的图像构成视频,以每秒钟每秒钟3030帧的速度播放,所帧的速度播放,所需传输率为:需传输率为:l737280030737280030221184000(b/s)221Mbps221184000(b/s)221Mbps目前目前:局域网速率:局域网速率:100Mbps100Mbps 硬盘传输速率:硬盘传输速率:80Mbps-800Mbps80Mbps-800Mbps4040光驱传输率:光驱传输率:48Mbps48Mbps 一张一张4.7GB(38502.4Mb)4.7GB(38502.4Mb)的光盘只能存储约的光盘只能存
15、储约174.2174.2秒的视频节目秒的视频节目很难满足处理要求第36页/共97页l图像中的冗余图像中的冗余编码冗余编码冗余l如果一个图像的灰度级编码,使用了多于实际如果一个图像的灰度级编码,使用了多于实际需要的编码符号,就称该图像包含了编码冗余需要的编码符号,就称该图像包含了编码冗余l例如:黑白二值图像编码例如:黑白二值图像编码压缩的可能性如果用8位表示该图像的像素,我们就说该图像存在编码冗余,因为该图像的像素只有两个灰度,用一位即可表示第37页/共97页l图像中的冗余图像中的冗余像素间冗余像素间冗余压缩的可能性如果灰度图的描述方式,此子块所需数据量为25*8=200bit,若将此子块最小数
16、据以及与之偏差的数据流描述,则采用103及25个差值:7,7,4,1,2,0,2,4,4,7,0,1,5,7,7,1,4,6,7,7,4,4,4,5,5,这25个差值大小范围07,则可采用3bit来描述,则数据量变成8+25*3=83bit110110107104105103105107107110103104108110110104107109110110107107107108108平缓图像,可看出灰度值接近第38页/共97页l图像中的冗余图像中的冗余像素间冗余像素间冗余压缩的可能性第39页/共97页l图像中的冗余图像中的冗余心里视觉冗余心里视觉冗余l正常视觉处理过程中各种信息的相对重要程
17、度正常视觉处理过程中各种信息的相对重要程度不同,那些不十分重要的信息称做心理视觉冗余不同,那些不十分重要的信息称做心理视觉冗余压缩的可能性256灰度级图像均匀量化为16个灰度级用IGS量化为16个灰度级由于消除心理视觉冗余数据会导致一定量信息的丢失,所以这一过程通常称为量化心理视冗余压缩是不可恢复的,量化的结果导致了数据有损压缩第40页/共97页静态图像压缩标准JPEG 静止图像压缩编码的标准,JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式,也在一些数字电视编录设备,如非线性编辑系统中得到应用。第41页/共97页 JPEG图像压缩编码第42页/共97页算法概要算法概要 (cont.)(cont.)J
18、PEGJPEG压缩编码压缩编码-解压缩算法框图解压缩算法框图第43页/共97页主要计算步骤JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下:正向离散余弦变换(FDCT)量化(quantization)Z字形编码(zigzag scan)使用差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation,DPCM)对直流系数(DC)进行编码使用行程长度编码(run-length encoding,RLE)对交流系数(AC)进行编码熵编码(entropy coding)第44页/共97页主要计算步骤:正向离散余弦变换(FDCT)第45页/共97页对于一个8*8的图像子块,它的原图像的
19、像素点灰度值及经过DCT变换后的FDCT系数如下:第46页/共97页计算步骤:量化(Quantization)量化是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化,其目的是减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。对于有损压缩算法,使用均匀量化器进行量化。量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。第47页/共97页计算步骤:(cont.)量化(Quantization)因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感,因此使用了两种量化表:亮度量化值和色差量化值。(色度量化值表)(色度量化值表)(亮度量化值表)(亮度量化值表)第48页/共97页第49页/共97页计算步骤:Z字形编排(Zig
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