第二章数字图像处理系统介绍课件

第二章数字图像处理系统介绍1内容概要：北京大学遥感所22.1 系统简介2.2 电视摄像机2.3 CCD摄像机2.4 CMOS摄像机2.5 图像采集卡2.1 系统简介北京大学遥感所3图2.1 基本数字图像处理系统数字图像处理系统的组成CMOS摄像机电视摄像机CCD摄像机伪彩色图像采集卡图像采集设备：摄像机、数码相机、扫描仪和数字图像采集卡计算机处理系统：PC机真彩色图像采集卡显示和输出设备：打印机、绘图仪北京大学遥感所4 2.2.1黑白电视摄像机 2.2.2彩色电视摄像机北京大学遥感所52.2电视摄像机聚焦极 电子枪 阴 极控制极北京大学遥感所6加速极光电靶偏转磁场输出R图2.2 光电管式摄像管结构图2.2.1黑白电视摄像机一、图像信号的产生图2.3 电子束的扫描方式ANNACBBA帧扫描逆程帧扫描正程行扫描逆程行扫描正程BA CN主要组成部分及原理光电转换电子束光电靶图像信号加速阳极 聚焦极123456786464A 阴极+ERL等效电路北京大学遥感所8靶面像素排列二、电视图像信号的相关参数北京大学遥感所91。摄像机的扫描行数图2.4 对角线方向出现的阶梯轮廓在显示器上显示的效果仍然是模拟量决定图像的分辨率h：图像画面的高度 Z：摄像机的扫描行数 S：象素正方形的边长a：观察者距离电视屏的距离：人眼的极限分辨率：观察者对整个画面的视角a图2.5 画面最少象素的估算bhZ(b/h)Zh/z=SS当=1时,那么人眼正好看到s高度时：tg(/2)=(s/2)/a /2tg(/2)=(h/2)/a 取观察距离：a 5.5h,则近似取为10oZ h/S /=600行设宽高比：b/h=4/3 则画面最少象素总数：N=Z2 b/h=4.8105北京大学遥感所11%国际标准规定的电视制式北京大学遥感所12PAL（Phase Alternating Line）制式中国电视画面扫描行数为625行NTSC（National Television System Committee）制式美国、日本电视画面扫描行数为525行行相位交替制式 平衡正交调制制式最终存储在计算机中的总像素数由图像卡决定电视图像显示频率（图像的活动分辨率）视觉暂留（16幅/秒）北京大学遥感所13PAL制式：帧频 f=50Hz NTSC制式(彩色)：帧频 f=60Hz每秒50幅画面 每秒60幅画面2。图像的空间分辨率3。图像信号的频带图像信号的频率就是指图像信号的变化的快慢，即亮度变化的快慢a估算图像信号的最高频率fmax设z-每幅图象的扫描行数（625行-中国）k-显示屏的宽高比（4/3）f-图象变化频率（50幅/秒-中国）如此，kz表示每行中所具有的像素数，如果每行中信号变化次数为kz/2，再考虑每秒传送f幅图像，则f(max)(fkz 2)/2 13MHZfmax可看成是频带宽度，但13MHz如此宽的频带不利于记录和传输 利用人眼的视觉暂留特性，将逐行扫描改为隔行扫描(Interleaved Scan)13MHz6.5MHz北京大学遥感所14扫描行数必须是奇数一帧周期1/25秒 一帧包括两场图2.6 隔行扫描示意图北京大学遥感所15T场消隐期行消隐期 18%T图像信号白 电 平黑电平 消隐电平场同步电平行同步电平图2.7 视频信号以及行、场同步信号不同制式的电视标准具有不同的帧频、场频和行频4。视频信号的组成北京大学遥感所162.2.2 彩色电视摄像机一、彩色图像信号的形成三基色：红R、绿G、蓝B分别用R，G，B表示彩色摄像机是色彩分光设备，将光分解为红绿蓝，光电转换后为不同比 例的三种电信号：ER、EG、EB彩色摄像机分为三种三管式 单管式北京大学遥感所17两管式a 三管式彩色摄像机G R B反绿膜反蓝膜图2.8 三管式彩色摄像机原理图a 单管式彩色摄像机比三管或双管结构简单、体积小、成本低 随R、G、B分离方式（时间）的不同而种类各异 条纹滤色片a 双管式彩色摄像机比单管分辨率高二、色的三要素和色度图北京大学遥感所19三要素：色调（Hue）：表明颜色的种类 取决于主波长120种饱和度（Saturation）：表示颜色浓淡程度的物理量 比较同一色调的两种光，饱和度愈大，则颜色显示愈深（浓）亮度（Intensity）：表示人眼所感觉到的颜色明暗程度的物理量 主观亮度与波长有关主要是色调和饱和度%三基色混合出的任一种色彩的国际标准（CIE国际照明协会（1931年制定）NTSC制式：PAL制式:Q 使用方法：确定彩色显象管 中的R、G、B所在位置，三 点连成三角形，为所有可以 显示的颜色。图2.9 马蹄形色度图（Chromaticity Diagram）北京大学遥感所20R:x=0.670,y=0.323G:x=0.214,y=0.710B:x=0.140,y=0.084R:x=0.640,y=0.330G:x=0.290,y=0.600B:x=0.150,y=0.0601。三基色RGB与亮度Y的关系白色（亮度）如果用相应的电信号表示，其数学表达式为：EY=(1 ER)+(1 EG)+(1 EB)其中，ER、EG、EB表示相应的电信号 EY是眼视觉白色亮度信号EY=(0.3 ER)+(0.59 EG)+(0.11 EB)上式为三基色与亮度之间的关系式人的视觉对其颜色敏感程度的差异，等量的混合不能得到白色，故其混合比例要调整北京大学遥感所21三、彩色信号的传输2。彩色信号传输的信号量北京大学遥感所22三个信号：Ey-黑白接受机需要的亮度信号 将R、G、B信号换成色差信号EU=EB EY EV=ER -EY由此三个信号可推出：EG-EY=-0.51（ER ERY）-0.19（EBEY）Ey、EU、EV总称复合视频信号3。亮度信号和色差信号兼容的技术实现nFH(n+1)FH(n+2)FH图2.10 亮度信号Ey的频谱分析分析：分布不连续而且能量集中在低频区，主谱线附近 各主谱线以FH行频为间距排列北京大学遥感所234。频谱间置fH北京大学遥感所24f(MHz)亮度信号EY色信号C12345图2.11 色副载波频率fH与EY频带分配%目前世界上彩色电视的三种标准北京大学遥感所25NTSC制（National Television System Committee平衡正交调制）PAL制（Phase Alternating Line行相位交替）SECAM制（Sequentiel Couleur avec Memoire顺序传送彩色与存贮）不同制式的色副载波频率不同NTSC制式：fH=3.58MHzPAL制式：fH=3.58MHz SECAM制式：奇数行fH=4.4MHz，偶数行fH=4.25MHz图2.12 NTSC平衡正交调制数字化梳状滤波器 构成图像的亮度和色度信号在视频信号中是混在一起的北京大学遥感所26EcEcEREYEBEYEREY-(EREY)EBEYECEcEcEcn+1行n行视觉叠加效果图2.13 NTSC制因相角的改变造成的 色度误差图2.14 PAL制纠正因相角差造成的串色北京大学遥感所272.3 CCD摄像机北京大学遥感所28CCDCharge-Coupled Devices电荷耦合器件CCD摄像机图像信号产生的原理：两个阶段集聚期（Integration Perior）：形成电荷包输出期（Readout Perior）：输出电荷图2.15 势阱（Potential well）形成的电荷包北京大学遥感所291 2 3A B CD EFGPixelPixel12 3 1 2 3图2.16 三相驱动下，电荷包从一个象素传 到另一个象素的传输 过程CD EABFG输出寄存器输出段图2.17 面阵CCD信号传输过程示意图集聚期：光被集聚并转换电荷全部行同时传送，末端行的电荷传送进输出寄存器输出寄存器传送到输出端输出寄存器中所有像素信号传到输出端后再传送下一行的像 素至输出寄存器2.4 CMOS摄像机CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)互补金属氧化物半导体图2.18 CMOS图像传感器结构图北京大学遥感所32%CMOS摄像机的优点工艺成本低和片内高度集成%低功耗，单电压提高电源使用效率%可对兴趣区域像素进行随机读取，增加了工作的灵活性%没有拖影、光晕等假信号，保证更高质量的图像信号北京大学遥感所332.5 图像采集卡图2.19 图像采集卡方框图视频信 号A/D 转换器帧存储器（2）查寻 表 LUTD/AD/AD/AR北京大学遥感所34GB视频信号输入一、伪彩色图像采集卡帧存储器（1）1。A/D转换器（Analog to Digital Converter-ADC）tO（1）采样h(t)图2.20 电压模拟信号图2.21 脉冲信号北京大学遥感所35Oh(t)ty(t)-fcfcf1/T-fc1/T-fc图2.22 函数抽样过程的图解说明tH(f)*(f)抽样函数：波形抽样函数y（t）%奈奎斯特抽样定理采样频率低时傅氏变换出现混叠效应混叠效应在视频图象上表现为一种被称为 morie的涟漪状的干扰孔阑效应产生高频衰减原图北京大学遥感所37因此，不造成波形混叠的条件是：F=1/T2fc北京大学遥感所38fc 是输入函数h(t)的傅立叶变换的 最高频率（截止频率）实际抽样的抽样脉冲序列为有一定宽度的矩形周期脉冲序列 其频谱在幅度上受sin(/2)/(/2)(是脉冲宽度)加权由图可见，抽样频率大于2倍频谱最高频率时，信号的频谱无混叠奈奎斯特抽样定理：要从抽样信号中无失真的恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。北京大学遥感所40%黑白图像的最高采样频率北京大学遥感所41彩色制式N制的频率 fmax5.5MHz彩色制式P制的频率fmax6.5MHz图像卡的采样频率多为10MHz，符合奈奎斯特采样定理（2）量化1模拟量的度量方法电压比较法：归一化，电压比较转换值111 110 101 1000110100010000.1250.31250.43750.750b=3bit为例 转换器的分辨能力图2.23 A/D转换 关系图V模拟输入电压北京大学遥感所422。伪彩色查寻表LUT（Look-up Table）伪彩色（False Color or Pseudo-Color）按饱和度 由0100 递增排列 可构成25631677万种彩色最简单的组合色彩是 256级图2.24 LUT的构成三个寄存器 256种色彩012255D/A北京大学遥感所433。图像采集卡与摄像机的同步北京大学遥感所44采集卡与摄像机具有相同的行频和场频行同步水平同步（Horizontal Synchronization-H.Sync）信号 场同步垂直同步（Vertical Synchronization-V.Sync）信号 复合同步（Composite Synchronization-H.Sync）信号内同步：由图象采集卡去同步摄像机，由它输出一个同步信号去驱动摄 机的行、场同步像外同步：由摄像机的复合信号中提取同步信号去驱动采集卡二、真彩色图像卡1/2 北京大学遥感所45213(RG)(R B)(G B)min(R,G,B)(RG)(R B)/2 3 (RG B)H arccosS 1I (R G B)色的三要素和图像三基色的相互转换1。从RGB空间转换到HIS空间H的取值范围：R I1 S cos HB I(1 S)cos(60 H)G 3I (B R)0 ,120 R I(1 S)G I1 S cos(H 120 )cos(180 H)120 ,240 B 3I (R G)G I(1 S)B I1 S cos(H 240 )cos(300 H)R 3I (G B)240 ,360 2。从HIS空间转换到RGB空间小章总结：北京大学遥感所47系统简介电视摄像机CCD摄像机CMOS摄像机图像采集卡本章结束下次课见北京大学遥感所48