数字图像处理与图像通信

北京邮电大学出版社BeijingUniversityofPostsandTelecommunicationsPress数字图像处理与图像通信朱秀昌刘峰胡栋编著BUPTPress目录1绪论2数字图像基础3图像信号的正交变换4图像增强5图像复原6图像重建7图像处理的数学形态学方法BUPTPress8数字图像处理的应用9图像的统计特性与压缩编码10静止图像编码11活动图像编码12图像编码新方法13图像的网络传输14图像通信的应用和发展BUPTPress1绪论1.11.2数字图像信号处理1.3图像系统的构成1.4图像质量的评价1.5图像处理与通信的发展BUPTPress随着人类社会的进步，科学技术的发展，人们对信息处理和信息交流的要求越来越高。图像信息具有直观、形象、易懂和信息量大等特点，因此它是在人们日常的生活、生产中接触最多的信息种类之一。近年来，图像信息的处理和传输无论是在理论研究方面还是在实际应用方面都取得了长足的进展。尤其是计算机技术的应用、遥感技术和数字通信的发展、计算机网络的普及以及微电子芯片密度的增加，对数字图像信息技术的发展起了关键性的推动作用；而数字图像信息技术的发展又反过来促进和加速了上本章首先定义了图像信号，并简要介绍了模拟图像信号以及图像信号的数字化，然后从总体上介绍了图像处理系统和图像通信系统，从应用的角度出发介绍了对图像质量的评价以及人眼的主要BUPTPress1.1图像信号图像是当光辐射能量照在物体上，经过它的反射或透射，或由发光物体本身发出的光能量，在人的视觉器官中所重现出的物体的视觉信息。照片、电影、电视、图画等都属于图像的范围。图像按其亮度等级的不同，可以分成二值图像（只有黑白两种亮度等级）和灰度图像（有多种亮度等级）两种。按其色调不同，可分为无色调的灰度（黑白）图像和有色调的彩色图像两种。按其内容的变化性质不同，有静态图像和活动图像之分。而按其所占空间的维数的不同，又可分为平面的二维图像和立体的三维图像等。BUPTPress图像的亮度一般可以用多变量函数来表示：式(1.1)是一个多维函数，它不易于分析处理，为此需要采用一些有效的方法进行降维。首先，根据三基色原理可知,I可以表示为3个基色分量、和之和：实践中还采用线性扫描的方法进一步降低维数，于是，高维的图像被转换为一维信号。同样，可以再恢复出原来(,,,,)Ifxyzt(1.1)RIGIBIRGBIIII(1.3)12()()xtytBUPTPress图像信息转化为电信号后大体上有两种方式，一种是模拟方式，或称作模拟基带信号；另一种是数字方式，或称作数字基带信号。一般情况下是先将模拟基带信号数字化，形成数字基带信号。近来，有些图像设备，如数字摄像机、数字照相机等，它们可以直接输出数字化图像信号。根据三基色原理，利用R(红)、G(绿)、B(蓝)三色不同比例的混合可以表示各种色彩。将三基色信号按一定比例组合成亮度(Y)和色度(U,V)信号，它们之间的关系如下：0.30.590.11YRGBURYVBY(1.6)BUPTPress为了使U、V和Y能在一个频带内传输，到达黑白/彩色视频信号接U(t)，V(t)为色度信号，Y(t)为亮度信号，由此产生的正交幅度调制的色度信号为：Φ(t)为开关函数，如Φ(t)=1，可表示NTSCΦ(t)=+1（偶数行）或-1（奇数行），则可表示彩色副载波逐行倒相的PAL制色度信号。()()()()sin[()]scctutvtCtwtt122()()[()/()]()()()tΦttgVtUtCtUtVt其中BUPTPress从视频信号的频谱上看，色度信号的副载波位于亮度信号频谱的高频端（见图1.1）。这样，在亮度信号的高频部分间插经过正交调制的两个色度分量，形成彩色电视的基带信号，又称复合电视信号或全电图1.1复合视频信号的频谱(PAL制)()()()()()sin[()]scetYtctYtCtwttBUPTPress应用复合视频主要是为了方便传输以及电视信号的发射。将RGB信号转换成YUV信号、Y/C信号以及复合视频信号的过程，被称为（电视）编码，而其逆过程就叫（电视）解码。和电影一样，视频图像也是由一系列单个静止画面组成的，这些静止画面被称为帧。一般当帧频在每秒24～30帧之间时，视频图像的运动感觉就非常光滑连续，而低于每秒15帧时，连续运动图像就会有动画感。我国的电视标准是PAL制，它规定每秒25帧，每帧有水平方向的625扫描行。对于NTSC制的视频信号，它所规定的帧频为每秒30帧，每帧525行，同样采用了隔行扫描方式，每一帧由两场组成，其图像大小是720×486。由于PAL制与NTSC制的场频、行频以及色彩处理方式均有不同，因此两者是互不兼容的。BUPTPress1.2数字图像信号处理1.2.1数字信号处理技术数字信号处理（DSP：DigitalSignalProcessing）技术通常是指利用计算机或/和专用处理设备（包括器件），以数字的形式对信号进行采集、滤波、检测、均衡、变换、调制、压缩、去噪、估计等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理是相对于模拟信号处理而言的，它比模拟信号处理有更多显著的优点。如：处理功能强，处理精度高，处理灵活性强；稳定性好，抗干扰能力强，设备体积小等。因此更易于大规模集成化和实现多维处理，可以适用于更广泛的领域。随着信息技术的日益普及，数字信号处理技术正在迅速地扩展到各个应用领域中去。BUPTPress1.2.2数字图像信号的处理技术图像是人类获取信息的一个重要来源，图像信号是指将图像作为一种二维或三维信号，采用数字信号处理的方法来对图像进行描述。图像信号的数字处理技术，按照人们通常的习惯，也称为数字图像处理技术，最常见的是用计算机对图像进行处理。数字图像系统大体上包括以下两方面的内容。1.图像信息的获取及其数字化目前获取图像的方法很多，但主要可分为两类：一类是获取模拟图像的成像设备和成像方法。另一类是直接获取数字图像的成像设备和成像方法。在数字化时代，后一类成像设备将越来越普及，BUPTPress2.图像信息处理的主要方法(1)图像变换图像变换是数字图像处理研究的一个重要方面。通常是利用正交变换(如傅立叶变换、余弦（正弦）变换、沃尔什变换、哈达码变换、小波变换等)的性质和特点，将图像转换到变换域中进行处理。图像变换主要研究各种变换模型和快速实现方法。(2)图像增强图像增强是数字图像处理的一个重要内容。主要是指利用各种数学方法和变换手段提高图像中人们感兴趣部分的清晰度，包括图像灰度修正、图像平滑、噪声去除、图像边缘增强等。(3)图像复原图像复原就是把降质的图像恢复成原来的景物图像。图像复原要研究的内容包括对图像降质因素的分析和降质模型的建立，以及针对降质模型的各种处理方法。BUPTPress(4)图像压缩图像压缩编码是数字图像处理的重要内容之一，这是由数字图像的特点——数据量大——所决定的。不管是图像存储还是图像传输，图像压缩编码都显得十分重要。因为图像压缩编码能在满足一定图像质量要求的前提下，最大程度地减少图像的数据量，以存储更多的图像，或使图像传输节省带宽。(5)图像重建是数字图像处理技术在另一个方向的发展。它是对一些三维物体，如应用X射线、超声波等方法获取物体内部的结构数据，再将此数据进行运算处理而构成物体内部某些部位的图像。其中，最成功的实际应用之一就是CT成像技术。广义地说，数字图像技术应包括应用计算机或专用设备对图像信息进行加工处理的技术。BUPTPress1.3图像系统的构成1.3.1图像系统的线性模型为了简单起见，实践中通常把传输或处理图像信号的系统近似为二维线性位移不变系统。设对二维函数所作的运算L［·］满足以下两式：式中，若a为任意常数，则称此运算为二维线性运算。由它所描述的系统为二维线性系统。当二维线性系统的输入为单位脉冲函数(x,y)时，系统的输出便称为脉冲响应，用h(x,y)表示。故有L[(x,y)]=h(x,y)。1212[(,)(,)](,)(,)[(,)](,)LfxyfxyLfxyLfxyLafxyaLfxyBUPTPress由于h(x,y)是当系统的输入为函数或理想点光源时系统的输出，是对点光源的响应，因此也称之为点扩展函数(PSF:PointSpreadFunction)。函数经过理想的图像传输系统的点扩展函数h(x,y)后，仍然能保持它的单位脉冲特性。而质量差的图像传输系统h(x,y)会把图像中的当输入的单位脉冲函数延迟了、单位后，若有成立，则称此系统为二维线性位移不变系统。[(,)](,)LxyhxyBUPTPress1.3.2图像处理系统我们从它们的最基本的功能特征出发，可以构建出图1.2所示的数字图像处理系统的概念模型。在这个基本的系统中，包括了5大部分图像处理功能：待处理的图像信号的输入，即输入模块；已处理图像的输出，即输出模块；在处理过程中需要用到的控制和存储模块；和用户打交道的存取、通信模块；最为关键的图像处理核心模块，即主图像处理设备。图1.2数字图像处理系统模型BUPTPress1.3.3图像通信系统图像通信系统所传送的主要是人的视觉能够感知的图像信息，包括：自然景物、文字符号、动画图形等。在通信的发送端，首先由图像输入设备将图像信息变为电信号，经光、电等传输媒体传送到通信的接收端，再将其恢复成视觉可以接收的形式。目前从应用的角度来看，图像通信的方式按业务的性质可分为电视广播、可视电话、会议电视、远程教育、远程医疗、传真、图文电视、按需电视（VOD）、Web视频等。若按照图像内容的性质划分，则可分为活动图像和静止图像通信两大类。BUPTPress数字图像通信系统模型的组成框图如图1.3所示。图1.3数字图像通信系统模型BUPTPress和以往的模拟系统相比，上述数字方式的图像传输系统具有以下几(1)可以多次中继而不致引起噪声的严重积累。因此适合于需多次中(2)有利于采用压缩编码技术。采用数字图像处理和压缩编码技术后，可在一定的信道频带（传输码率）的条件下，获得比模拟传输更高的通信质量；甚至在窄带条件下，实现一定质量的图像通信。(3)易于与计算机技术结合，实现综合图像、声音、数据等多种信息内容的综合业务。(4)(5)(6)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。BUPTPress1.4图像质量的评价1.4.1人眼视觉特性1.人眼构造和视觉现象图1.4画出了人眼的横截面的简单示意图。眼睛的前部为一圆球，其平均直径约为20mm左右，它由三层薄膜包着，即角膜和巩膜外壳、脉络膜和视网膜。图1.4人眼截面示意图BUPTPress2.视觉特性(1)亮度适应能力实验可以证明，主观感觉亮度与进入眼内的外界刺激光强并非成线性关系。图1.5表明，在很大范围内，主观亮度与光强的对数成线性关系。图1.5中曲线的下部表明了白昼视觉和暗视觉的不同。图1.5眼睛亮度的适应能力BUPTPress(2)同时对比度由于人眼对亮度有很强的适应性，因此很难精确判断刺激的绝对亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同，人眼所感受的主观亮度是不一样的。图1.6可用来证明同时对比的刺激，图中小方块实际上有着相同的物理亮度，但因为与它们的背景强度相关很大，故它们的主观亮度显得大不一样。这种效应就叫同时对比度。图1.6同时对比度BUPTPress(3)对比灵敏度眼睛的对比灵敏度可以由实验测得。如图1.7所示。为了适应人的视觉特性，先对输入图像进行对数运算的预处理是有益的。图1.7对比灵敏度的测定BUPTPress(4)分辨率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。分辨率可用视觉锐度或调制传递函数来表示，调制传递函数(MFT)是另一种表示分辨率的测度，它也是导出单色视觉模型的依据。图1.8所示即是一例。从图中可以看出，调制传递函