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第3章 图像技术基础多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University 3-1 视觉特性• 视觉灵敏度○ 人眼对不同波长的光 所呈现的视觉感知是 不同的，而且因人而 异为了了解人眼的 视觉特性，因此国际 照明委员会（CIE）特 推荐标准视度曲线（ 人眼视觉光谱灵敏度 曲线）多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 光度测量参数当描述光源的照明效果时，由于无法直接用辐射 光功率来描述，因此实际中是使用两套参数来 分别描述辐射光和照明光前者与人眼的视觉 特性无关，而后者则考虑了人眼的视觉特性 −辐射功率和辐射强度 −发光强度、亮度和照度 − 光通量与发光强度 − 亮度与照度多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 彩色视觉和立体视觉○ 彩色的概念 −在自然界中，当阳光照射到不同的景物上时 ，所呈现的色彩不同，这是因为不同的景物 在太阳光的照射下，反射（或透射）了可见 光谱中的不同成分而吸收了其余部分，从而 引起人眼的不同彩色视觉。

多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University○ 彩色视觉 − 从视觉的角度描述彩色的过程中会用到亮度、色度和饱和 度三个术语亮度表示光的强弱；色度是指彩色的类别， 如黄色、绿色、蓝色等；饱和度则代表颜色的深浅程度， 如浅紫色、粉红色 − 色调与饱和度又合称为色度，可见它既表示彩色光的颜色 类别，又表示颜色的深浅程度 − 尽管不同波长的光波所呈现的颜色不同，但我们会经常观 察到这样的现象由适当比例的红光和绿光混合起来，可 以产生与黄单色光相同的彩色视觉效果又如日光也可以 由红、绿、蓝三种不同波长的单色光以适当的比例组合而 成实际上自然界中的任何一种颜色都能由这三种单色光 混合而成，因而人们称红、绿、蓝为三基色多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University− 经过大量的验证测试，人们认识到视网膜上有三种类型的 锥状细胞，它们各自的光谱灵敏度曲线多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University○ 立体视觉 −立体视觉一般分为双眼视觉和单眼视觉。

−双眼视觉是指双眼同时观看一个空间景物时所 形成的立体视觉；单眼视觉是指单眼观看景物 时所产生的立体感觉多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 人眼的分辨力与空间频率人眼的分辨力究竟有多高，可用何种方法对其进行描述，一 直是人们非常关注的问题经过长期的研究发现，将人眼等 效为一个空间频率滤波器，这样在考虑到分辨力与照度、对 比度和噪音等方面影响的同时，便可以利用滤波器的频率特 性来表示人眼的分辨力可见空间频率的概念在图像技术中 具有很重要的地位 ○ 空间频率− 时间频率是用单位时间内的某物理量（如电压、电流）周 期性变化的次数来定义的，单位为周/秒，其自变量为时间 而空间频率则是某物理量（如亮度、发光强度）在单位 空间距离内周期性变化的次数，单位为周/米多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University○人眼的空间频率响应– 实验研究发现，人眼对不同空间细节的分辨力是变化的， 可用视觉空间频率响应曲线表示，如图3-4所示。

图中横 坐标为空间频率，即单位视角（1°）内所含黑白条数，而 纵坐标则表示空间频率的传输特性（MTF）0.1 0.3 1 3 10 30 1.00.3空间频率(线/mm)MTF多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University– 从图中可以看出，人眼对彩色细节的分辨能力远比对 亮度细节的分辨能力低例如原有黑白相同的条纹， 当它们距人眼一定距离时，仍能分辨出其黑白间的差 别，但如果仍保持其条纹间的距离，只是将黑白条纹 换成彩色条纹，此时便无法做出分辨 – 据资料显示，人眼分辨景物彩色细节的能力很差因 此彩色电视系统在传输彩色图像时，细节部分可以不 传送彩色信息，而只传送黑白信息，以此来节约传输 频带资源多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University • 人眼的对比度特性○ 图像的对比度与灰度 −对比度是指景物或重现图像的最大亮度Lmax与最小亮 度Lmin之比，用符号C表示，即−而画面的最大亮度与最小亮度之间所能分辨的亮度感觉 级数称为亮度层次，也称为灰度。

−由于人眼的亮度感觉是相对的，即同一亮度在不同的环 境亮度下给人的亮度感觉是不同的，因此当人们看电视 时，在考虑到环境亮度后，电视图像的对比度为−其中 为环境亮度多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University○ 人眼的对比度灵敏度特性 −亮度感觉 −在定义亮度时虽然考虑了人眼的光谱灵敏度 ，但实际观察景物时所获得的亮度感觉，并 不仅由景物的亮度决定，而且与其所处的周 围环境亮度有关亮度感觉是指能分辨出不 同的亮度层次多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University−人眼视觉的对比度灵敏度 −人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅（如图3- 6所示）明暗差别所需的最低对比度，称为分辨 这一空间频率的临界对比度，用Cr表示临界对 比度的倒数1/Cr被称为人眼对于这一空间频率对 比度灵敏度由以上定义可知，临界对比度表示 人眼在给定的亮度环境下所能区分景物的最小亮 度差别，通常称这一最小亮度差别为一个亮度级 （或灰度级）。

多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University • 视觉惰性与闪烁的概念○ 视觉惰性 −当一个景物突然出现在眼前时，需经过一定的时间 才能形成一个稳定的主观亮度感觉；同样当一个实 际景物从眼前消失后，所看到的印象都不会立即消 失，还会暂留一段时间，由此可见人眼亮度感觉的 建立与消失都滞后于实际的光刺激，而且此过程是 逐步的，这样一种现象就是视觉惰性多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University○ 闪烁 −如果观察者观察到一个具有周期性的光脉冲，当其 重复频率不够高时，便会产生一明一暗的感觉，这 种感觉就是闪烁，但当重复频率足够高时，闪烁感 觉将消失，随之看到的是一个恒定的亮点临界闪 烁频率就是指闪烁感觉刚刚消失时的频率 −它与脉冲亮度有关，脉冲的亮度越高，临界闪烁频 率也相应地增高多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University 3-2 图像质量的评价 图像质量的评价方法有两种，即主观评价 和客观评价 • 影响图像质量的基本因素 – 发送环境：照度和闪烁 – 接收环境：室内照明、显示器、视距 – 图像通信系统 – 变换与反变换多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 图像质量的主观评价 – 主观评价是指观察者依据自己的感觉对图像质量进 行评价，是一种最直观、最可靠的评价方法 – 受到 人的感觉和心理状态等 的影响，即图像质量 的最终评价与观察者心理因素有关 • 图像的客观评价 – 图像逼真度计量法 – 数学公式 • 会议电视系统的图像质量评价 – 因素：图像清晰度、帧速率、唇音同步、延时 、运动补偿多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University 3-3 图像信号数字化3.3.1 图像信号的表述• 连续图像信号转化为离散数字信号 – 包括三大部分，即取样、量化和编码。

– 取样又称为抽样，它是指图像信号空间离散化的过程这时 所选取的点就是取样点、抽样点或样点，也被称为像素由 此可见，一幅图像是由许多大小有限的像素组成，而且每个 像素既是时间、空间的函数，同时又有其光学特性 – 图像中的任何一个像素P通常可用8个物理量表示，即– 其中（x,y,z）表示像素的空间变量，L,H,S分别代表像素的 亮度、色调和饱和度，R则表示图像的分辨率（即每一个像 素面积在图像总面积中的比例，t是该像素产生上述物理量 的时间多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 图像信号的频谱 – 图像通信系统是一个二维信息系统，因此可以进行 类似的定义，二维函数f（x,y）与其频谱F(μ,ν)的 关系：– 从频率域上来观察图像时，大多数情况下其频谱多 局限在一定的范围之内多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 二维取样定理 – 一个模拟信号f（x, y）的傅氏频谱为F(μ,ν),如果其水 平方向的截止频率为Um,而垂直方向的截止频率为Vm ，那么只要水平和垂直方向的取样频率分别为 U0≥2Um和V0≥2Vm（水平间隔Δx≤1/(2Um),垂直间隔 Δy≤1/(2Vm),就可以精确地恢复出原图像，这就是二维 取样定理。

3.3.2 取样与二维取样定理其中多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 如果图像信号为有限带宽的信号，那么根据上式可以看出 ，抽样后的图像信号fp(x,y)的频谱是原频谱F(μ,ν)沿μ轴 和ν轴分别以Δu，Δv为间隔无限地周期重复的结果• 只要Δu>2Um，Δv>2Vm ，抽样后的图像信号频谱就不会 出现混叠因此通常在进行取样之前，图像信号首先经过 一个低通滤波器，使其成为一个限带信号当以满足上述 条件的取样间隔进行取样时，取样后的图像频谱不会出现 混叠的现象，这样可以利用一个低通滤波器将原图像频谱 滤出，从而可无失真地重建原图像，这就是二维取样定理 ，也称为二维奈奎斯特取样定理多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 亚取样 – 当取样频率小于奈奎斯特取样频率时，通常称 其为亚抽样 – 即如何在亚取样情况下，减少频谱混叠而引起 失真？ – 菱形亚取样多媒体通信技术：图像技术基础信息科学与工程学院宁波大学宁波大学Ningbo UniversityNingbo University• 量化与量化信噪比 – 经过取样后所获得的图像是由一系列空间上离散的样 值序列构成，每个样值是一个有无穷多个取值的连续 变量。

量化是指将具有无限多个取值的样值用有限个 离散值来表示的过程，并且可以赋予不同的码字，从 而成为真正意义上的数字图像 • 均匀量化时的信噪比 • 非均匀量化时的量化信噪比 • 编码 。