图像信息处理技术1

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1、第4章图像信息处理技术4.1图像信号概述4.2图像信号数字化4.3数字图像压缩方法的分类4.4典型的熵编码方法4.5预测编码4.6变换编码*4.7新型图像编码技术4.8静态图像压缩编码标准4.9动态图像压缩编码标准练习与思考题4.1图像信号概述图像是一种可视化的信息，图像信号是图像信息的理论描述方法，图像信号按其内容变化与时间的关系来分，主要包括静态图像和动态图像两种。静态图像其信息密度随空间分布，且相对时间为常量；动态图像也称时变图像，其空间密度特性是随时间而变化的。人们经常用静态图像的一个时间序列来表示一个动态图像。图像分类还可以按其他

2、方式进行：如按其亮度等级的不同可分为二值图像和灰度图像；按其色调的不同可分为黑白图像和彩色图像；按其所占空间的维数不同可分为平面的二维图像和立体的三维图像等等。图像信号的记录、存储和传输可以采用模拟方式或数字方式。传统的方式为模拟方式，例如，目前我们在电视上所见到的图像就是以一种模拟电信号的形式来记录，并依靠模拟调幅的手段在空间传播的。将模拟图像信号经A/D变换后就得到数字图像信号，数字图像信号便于进行各种处理，例如最常见的压缩编码处理就是在此基础上完成的。本书介绍的图像信息处理技术就是针对数字图像信号的。1．彩色图像信号的分量表示对

3、于黑白图像信号，每个像素点用灰度级来表示，若用数字表示一个像素点的灰度，有8比特就够了，因为人眼对灰度的最大分辨力为26。对于彩色视频信号（例如常见的彩色电视信号）均基于三基色原理，每个像素点由红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色混合而成。若三个基色均用8比特来表示，则每个像素点就需要24比特，由于构成一幅彩色图像需要大量的像素点，因此，图像信号采样、量化后的数据量就相当大，不便于传输和存储。为了解决此问题，人们找到了相应的解决方法：利用人的视觉特性降低彩色图像的数据量，这种方法往往把RGB空间表示的彩色图像变换到其他彩色空间，每一种彩色空间

4、都产生一种亮度分量和两种色度分量信号。常用的彩色空间表示法有YUV、YIQ和YCbCr等。（1）YUV彩色空间。通常我们用彩色摄像机来获取图像信息，摄像机把彩色图像信号经过分色棱镜分成R0、G0、B0三个分量信号，分别经过放大和r校正得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和色差信号U、V，其中亮度信号表示了单位面积上反射光线的强度，而色差信号（所谓色差信号，就是指基色信号中的三个分量信号R、G、B与亮度信号之差）决定了彩色图像信号的色调。最后发送端将Y、U、V三个信号进行编码，用同一信道发送出去，这就是在PAL彩色电视制式中使用的Y

5、UV彩色空间。YUV与RGB彩色空间变换的对应关系如式（4.1-1）所示。YUV彩色空间的一个优点是，它的亮度信号Y和色差信号U、V是相互独立的，即Y信号分量构成的黑白灰度图与用U、V两个色彩分量信号构成的两幅单色图是相互独立的。因为YUV是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。此外，利用YUV之间的独立性解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。（4.1-1）YUV表示法的另一个优点是，可以利用人眼的视觉特性来降低数字彩色图像的数据量。人眼对彩色图像细节的分辨能力比对黑白图像细节的分辨能力低得多，因此就可以降低彩色分量的分辨率而不会明显

6、影响图像质量，即可以把几个相同像素不同的色彩值当做相同的色彩值来处理（即大面积着色原理），从而减少了所需的数据量。在PAL彩色电视制式中，亮度信号的带宽为4.43MHz，用以保证足够的清晰度，而把色差信号的带宽压缩为1.3MHz，达到了减少带宽的目的。在数字图像处理的实际操作中，就是对亮度信号Y和色差信号U、V分别采用不同的采样频率。目前常用的Y、U、V采样频率的比例有4∶2∶2和4∶1∶1，当然，根据要求的不同，还可以采用其他比例。例如要存储R∶G∶B＝8∶8∶8的彩色图像，即R、G、B分量都用8比特表示，图像的大小为640×480像素

7、，那么所需要的存储容量为640×480×3×8/8＝921600字节；如果用Y∶U∶V＝4∶1∶1来表示同一幅彩色图像，对于亮度信号Y，每个像素仍用8比特表示，而对于色差信号U、V，每4个像素用8比特表示，则存储量变为640×480×(8+4)/8＝460800字节。尽管数据量减少了一半，但人眼察觉不出有明显变化。（2）YIQ彩色空间。在NTSC彩色电视制式中选用YIQ彩色空间，其中Y表示亮度，I、Q是两个彩色分量。I、Q与U、V是不相同的。人眼的彩色视觉特性表明，人眼对红、黄之间颜色变化的分辨能力最强；而对蓝、紫之间颜色变化的分辨能力最

8、弱。在YIQ彩色空间中，色彩信号I表示人眼最敏感的色轴，Q表示人眼最不敏感的色轴。在NTSC制式中，传送人眼分辨能力较强的I信号时，用较宽的频带（1.3～1.5MHz）；而传送人