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第2章視覺特性和彩色電視信號 第2章視覺特性和彩色電視信號 掌握圖像對比度與視覺靈敏度特性掌握空間頻率 視覺的空間頻率響應(yīng)掌握視覺惰性和閃爍的概念明確彩色的計量和彩色視覺了解彩色電視系統(tǒng) 學習目標 第2章視覺特性和彩色電視信號 2 1人的視覺特性2 2彩色電視信號2 3分量彩色電視信號的數(shù)字化2 4小結(jié) 2 1人的視覺特性2 1 1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性 1 視覺靈敏度人眼對不同波長的光所呈現(xiàn)的視覺感知是不同的 而且因人而異 為了了解人眼的視覺特性 因此國際照明委員會 CIE 特推薦標準視度曲線 人眼視覺光譜靈敏度曲線 光譜譜靈靈敏度曲線 2 1 1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性 2 圖像的對比度與灰度對比度是指圖像相鄰區(qū)域或相鄰點的最大亮度Imax與最小亮度Imin之比 用符號C表示 即 2 1 畫面的最大亮度與最小亮度之間所能分辨的亮度感覺級數(shù)稱為亮度層次 也稱為灰度 2 1 1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性 臨界對比度或視覺域 Cr 剛好區(qū)分的亮度差別 由以上定義可知 臨界對比度表示人眼在給定的亮度環(huán)境下所能區(qū)分景物的最小亮度差別 通常稱這一最小亮度差別為一個亮度級 或灰度級 對比度靈敏度 1 Cr 臨界對比度的倒數(shù) 3 視覺的對比度靈敏度特性 2 1 1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性 3 視覺的對比度靈敏度特性 觀測如下的情況 環(huán)境亮度為LS的面板中間放置一個張角為1 5o 亮度為LB的環(huán) 而環(huán)的中間是一亮度為L的小區(qū)域 1 在LS LB的情況下 L LB接近于常數(shù) 韋伯Weber定律 2 L與LB成正比意味著 人眼區(qū)分圖像亮度差別的靈敏度與它附近區(qū)域的背景 平均亮度 有關(guān) 背景亮度越高 靈敏度越低 2 1 1圖像對比度與視覺的對比度靈敏度特性 4 空間域的掩蔽效應(yīng) Masking 將一個光點放在亮度不均勻的背景上 通過改變光點的亮度測試此時的視覺閾 背景亮度變化越劇烈 視覺閾越高 即人眼的對比度靈敏度越低 這種現(xiàn)象稱為視覺的掩蔽效應(yīng) 2 1 2空間頻率與視覺的空間頻率響應(yīng) 1 空間頻率 物理量在單位空間距離內(nèi)周期性變化的次數(shù) 即 周 米 式中 fx表示亮度信號在x方向的空間頻率 x是空間距離 x 表示亮度信號沿x方向的相位變化 例 如右圖正弦光柵 如果光柵亮度在1厘米內(nèi)變化10次 那么它的空間頻率為fx 1000周 米 2 1 2空間頻率與視覺的空間頻率響應(yīng) 空間頻率表示亮度信號在單位視角內(nèi)周期性變化的次數(shù) 即 周 度 式中 a 表示亮度信號在角度a內(nèi)的相位變化 1 空間頻率 2 1 2空間頻率與視覺的空間頻率響應(yīng) 2 視覺的空間頻率響應(yīng) 人眼對于不同的空間細節(jié)的分辨力是有變化的 可用視覺空間頻率響應(yīng)曲線來表示 右圖給出了人的視覺對不同空間頻率的正弦光柵的響應(yīng) 當空間頻率為3 4 5周 度時 視覺的對比度靈敏度最高 即人眼對這些空間頻率的分辨能力最強當空間頻率高于50 60周 度時 人眼就很難分辨了 2 1 3視覺的時間域響應(yīng) 視覺惰性與閃爍 1 視覺惰性 人眼的視覺是有惰性的 當眼前的實際景物消失后 所看到的影像卻不立即消失黑暗中的運動亮點會看成一個亮圈 電影技術(shù)巧妙地利用了這種人眼的惰性現(xiàn)象 電影技術(shù)采用每秒鐘向銀屏投射24幅畫面的標準而給人一個較好的連續(xù)運動的感覺 2 1 3視覺的時間域響應(yīng) 視覺惰性與閃爍 2 閃爍 如果觀察者觀察到一個具有周期性的光脈沖 當其重復(fù)頻率不夠高時 便會產(chǎn)生一明一暗的感覺 這種感覺就是閃爍 但當重復(fù)頻率足夠高時 閃爍感覺將消失 隨之看到的是一個恒定的亮點 臨界閃爍頻率就是指閃爍感覺剛剛消失時的頻率 它與脈沖亮度有關(guān) 脈沖的亮度越高 臨界閃爍頻率也相應(yīng)地增高 在通常的電影銀屏的亮度下 人眼的臨界閃爍頻率約為46Hz電影技術(shù)采用每秒鐘向銀屏投射24幅畫面的標準 而在每幅畫面停留的時間內(nèi) 用一個機械遮光閥將投射光遮擋一次 得到48Hz的重復(fù)頻率 2 1 4視覺的時間域響應(yīng) 2 運動的連續(xù)性一般來說 要保持畫面中物體運動的連續(xù)性 要求每秒鐘攝取的畫面數(shù)約為25幀左右 即幀率為25HZ 此外要考慮臨界閃爍頻率 3 時間域的掩蔽效應(yīng) 實驗表明 當電視圖像序列中相鄰畫面的變化劇烈 例如場景切換 時 人眼的分辨力會突然劇烈下降 如下降1 10 在新場景突然出現(xiàn)時 人基本上看不清新景物 在大約0 5秒之后 視力才能恢復(fù)到正常水平 2 1 4彩色的計量和彩色視覺 2 1 4彩色的計量和彩色視覺 從視覺的角度描述彩色的過程中會用的亮度 色調(diào)和飽和度三個術(shù)語 亮度表示光的強弱色調(diào)是指彩色的類別 如黃色 綠色 藍色等飽和度則代表顏色的深淺程度 如淺紫色 粉紅色 色調(diào)與飽和度又合稱為色度 可見它既表示彩色光的顏色類別 又表示顏色的深淺程度 2 彩色圖像的定量表示 1 彩色的定量表示 2 1 4彩色的計量和彩色視覺 1 彩色的定量表示 2 彩色圖像的定量表示黑白圖像信號的像素點用灰度級表示 彩色視頻信號基于三原色原理 每個像素點由紅 R 綠 G 藍 B 表示 利用視覺特性降低彩色圖像的數(shù)據(jù)量 把RGB空間的彩色圖像變換到其他彩色空間 產(chǎn)生一種亮度分量和兩種色度分量信號 常用的彩色空間表示有 YUV YIQ YGC等 2 1 4彩色的計量和彩色視覺 2 彩色視覺的空間頻率響應(yīng) 2 1 4彩色的計量和彩色視覺 3 彩色的掩蔽效應(yīng) 補充 2 1 5圖像的分類 2 2彩色電視信號 電視是利用光電和電光轉(zhuǎn)換原理 將光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號進行遠距離傳輸 然后再還原為光圖像的一門技術(shù) 在發(fā)送端首先經(jīng)過攝像設(shè)備 如攝像機 將景物進行圖像分解 完成空時 光電變換 然后送至信道進行圖像信息的傳送 在接收端再由顯像設(shè)備 如顯示器 對接收信號進行圖像復(fù)合 還原成原圖像 而其中的同步系統(tǒng) 則負責發(fā)送與接收數(shù)據(jù)之間的同步關(guān)系 這只是初略的劃分 一般來說 整個電視系統(tǒng)主要由成像 電視信號形成 信號處理 傳輸系統(tǒng) 電視信號接收與顯示等部分組成 2 2 1掃描 空間頻率到時間頻率的轉(zhuǎn)換 在攝像管和顯像管中 電子束都是以某種周期規(guī)律在光電導(dǎo)層和熒光屏上作來回地運動 這一過程就是電子掃描 從而完成由空間分布的像素變?yōu)殡S時間而變化的電信號 同時顯示器也利用電子掃描把所接收的隨時間變化的電信號變換成空間分布的像素 與發(fā)送時的空間排列規(guī)律相同 從而復(fù)合成一幅完整的光圖像 2 2 2隔行掃描與逐行掃描 1 逐行掃描逐行掃描是指電子束按一行接一行的規(guī)律 從上到下的對整個一幅 幀 畫面進行掃描的方式 人們將一個正程和逆程所用的時間稱為掃描周期 用Th表示 由此可以得出行掃描頻率 可見行掃描頻率 行頻 fh是行周期的倒數(shù) 逐行掃描存在缺點要使圖像連續(xù)而不產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象 則需要每秒鐘換幀50次 即幀頻為50HZ 但圖像信號的頻帶寬度太寬 使電視設(shè)備復(fù)雜化 為了壓縮圖像信號的帶寬 同時又能克服閃爍現(xiàn)象 借鑒電影技術(shù) 人們提出隔行掃描方式 目前廣播電視采用了隔行掃描 2 2 2隔行掃描與逐行掃描 隔行掃描是指將一幅 幀 圖像分成兩場進行掃描 第一場掃描1 3 5 7 等奇數(shù)行 通常稱為奇數(shù)場 然后再掃描2 4 6 8 等偶數(shù)行 故而稱為偶數(shù)場 可見兩場疊加起來就是一幅完整的圖像 滿足鄰界閃爍頻率要求 帶寬減少一半 2 隔行掃描 2 2 3電視信號的帶寬 周 米 令 2 2 4彩色空間的處理 彩色電視系統(tǒng)是按照三基色的原理而設(shè)計的 通常選擇紅 綠 藍為標準的三基色 用這三個攝像管分別提取景物光學圖像中的這三種彩色分量 以此來模仿人眼中的三種錐形細胞的視覺效果 這樣便形成了彩色電視系統(tǒng)中的紅 綠 藍三個基色分量 由于彩色電視系統(tǒng)是在黑白電視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 需要考慮廣大消費者和各電視臺的利益 所以彩色電視系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮到與已有的黑白電視系統(tǒng)的兼容問題 因此在彩色電視系統(tǒng)中所傳輸?shù)牟皇羌t 綠 藍三個基色分量 而是傳輸1個亮度分量和2個色差分量 它們與紅 綠 藍三個基色分量 R G B 呈矩陣變換關(guān)系 因而在系統(tǒng)的發(fā)射端要利用變換矩陣將紅 綠 藍三個基色分量變換為1個亮度分量和2個色差分量 然后進行信息的傳送 2 2 4彩色空間的處理 如果系統(tǒng)是彩色電視系統(tǒng) 除了亮度之外 圖像的色調(diào)和飽和度都是表示圖像質(zhì)量的重要參數(shù) 它們與U V的關(guān)系如下 圖像的色調(diào) 圖像的飽和度 2 2 5全彩色電視信號 不同的色差信號傳送方案就形成了不同的彩色電視制式 當今世界上主要的彩色電視制式有三種 NTSC PAL SECAM 我國采用的是PAL制 1 色度信號的傳送與彩色電視信號 色彩處理方式不同行數(shù)和幀頻不同 2 2 5全彩色電視信號 2 頻譜交錯原理和平衡正交調(diào)制 頻譜交錯原理 電視信號的頻譜是以行頻 場頻或幀頻按一定的規(guī)律排列而成的離散型線狀譜 而且譜線中間存在很大的空間 另外U V色差信號是由R G B的線性組合 因而其頻譜分布具有相同的規(guī)律 因此在彩色電視中 正是利用電視信號的這一特性 可將色差信號插入到這些空隙之中 具體方法是 選擇副載波fSC 它是半行頻的奇數(shù)倍 即 它正好出現(xiàn)在電視信號頻譜的空隙中間 然后用fSC對兩個色差信號進行調(diào)制 從而將它們搬移到空隙處 這就是亮度信號與色差信號按頻譜交錯間置的共頻傳送原理 由此看來現(xiàn)在問題的關(guān)鍵是在于對fSC的選取 頻譜交錯 2 2 5全彩色電視信號 由于兩個色差信號分別是以fSC調(diào)制到電視信號頻譜的空隙處 它們共同占有相同的帶寬 在NTSC和PAL制中是將兩個色差信號U和V分別調(diào)制在載頻fSC的兩個正交相位上 因此這種調(diào)制就是正交調(diào)制 2 頻譜交錯原理和平衡正交調(diào)制平衡正交調(diào)制 2 2 5全彩色電視信號 3 彩色電視信號的類型 日常生活有三種類型的電視信號 復(fù)合電視信號分離式電視信號 S Video信號 分量電視信號復(fù)合信號 亮度信號和色度信號相加成為一個信號進行傳輸分離式信號 亮度信號和色度信號在兩個通道中傳輸分量信號 色度信號在各自通道中傳輸 比如 R G B各自單獨傳輸 2 3分量彩色電視信號的數(shù)字化 ITU RBT601建議 建議采用分量編碼 亮度和色差信號的取樣頻率fY和fC分別為 其中fHNTSC和fHPAL分別代表NTSC制和PAL制中的行頻 如果對亮度信號和色差信號進行量化 而且都采用8位碼 那么三個分量信號數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量為 可見其數(shù)據(jù)量是相當大的 因此需要進行數(shù)據(jù)的壓縮以提高信道的利用率 2 3分量彩色電視信號的數(shù)字化 ITU RBT601建議的主要參數(shù)4 2 2標準 它是對Y U V進行取樣 但亮度和色差信號的取樣頻率之間的關(guān)系為13 5MHz 6 75MHz 6 75MHz 4 4 4標準 它是直接對R G B進行分量編碼的標準 而且各分量的取樣頻率都相同 即13 5MHz 4 1 1標準 它是對Y U V進行取樣 亮度與色差信號的取樣頻率之間的關(guān)系為13 5MHz 3 375MHz 3 375MHz 4 2 0標準 它同樣也是一種對Y U V進行取樣的標準 其亮度和色度信號的取樣頻率之間的關(guān)系為4 2 2 但色差信號的行數(shù)為4 2 2標準的1 2 小結(jié) 視覺特性彩色的概念亮度 色度和飽和度空間頻率響應(yīng)人眼的對比度特性視覺惰性閃爍電視系統(tǒng)的亮度方程掃描頻譜交錯原理平衡正交調(diào)制目的分量彩色電視信號的數(shù)字化 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全