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第2章視覺特性和彩色電視信號(hào) 第2章視覺特性和彩色電視信號(hào) 掌握?qǐng)D像對(duì)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(jì)量和彩色視覺了解彩色電視系統(tǒng) 學(xué)習(xí)目標(biāo) 第2章視覺特性和彩色電視信號(hào) 2 1人的視覺特性2 2彩色電視信號(hào)2 3分量彩色電視信號(hào)的數(shù)字化2 4小結(jié) 2 1人的視覺特性2 1 1圖像對(duì)比度與視覺的對(duì)比度靈敏度特性 1 視覺靈敏度人眼對(duì)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(huì) CIE 特推薦標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比度與視覺的對(duì)比度靈敏度特性 2 圖像的對(duì)比度與灰度對(duì)比度是指圖像相鄰區(qū)域或相鄰點(diǎn)的最大亮度Imax與最小亮度Imin之比 用符號(hào)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(jí)數(shù)稱為亮度層次 也稱為灰度 2 1 1圖像對(duì)比度與視覺的對(duì)比度靈敏度特性 臨界對(duì)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(duì)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(gè)亮度級(jí) 或灰度級(jí) 對(duì)比度靈敏度 1 Cr 臨界對(duì)比度的倒數(shù) 3 視覺的對(duì)比度靈敏度特性 2 1 1圖像對(duì)比度與視覺的對(duì)比度靈敏度特性 3 視覺的對(duì)比度靈敏度特性 觀測(cè)如下的情況 環(huán)境亮度為LS的面板中間放置一個(gè)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(duì)比度與視覺的對(duì)比度靈敏度特性 4 空間域的掩蔽效應(yīng) Masking 將一個(gè)光點(diǎn)放在亮度不均勻的背景上 通過改變光點(diǎn)的亮度測(cè)試此時(shí)的視覺閾 背景亮度變化越劇烈 視覺閾越高 即人眼的對(duì)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(hào)在x方向的空間頻率 x是空間距離 x 表示亮度信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)于不同的空間細(xì)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(duì)不同空間頻率的正弦光柵的響應(yīng) 當(dāng)空間頻率為3 4 5周 度時(shí) 視覺的對(duì)比度靈敏度最高 即人眼對(duì)這些空間頻率的分辨能力最強(qiáng)當(dāng)空間頻率高于50 60周 度時(shí) 人眼就很難分辨了 2 1 3視覺的時(shí)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(dāng)眼前的實(shí)際景物消失后 所看到的影像卻不立即消失黑暗中的運(yùn)動(dòng)亮點(diǎn)會(huì)看成一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)而給人一個(gè)較好的連續(xù)運(yùn)動(dòng)的感覺 2 1 3視覺的時(shí)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(gè)具有周期性的光脈沖 當(dāng)其重復(fù)頻率不夠高時(shí) 便會(huì)產(chǎn)生一明一暗的感覺 這種感覺就是閃爍 但當(dāng)重復(fù)頻率足夠高時(shí) 閃爍感覺將消失 隨之看到的是一個(gè)恒定的亮點(diǎn) 臨界閃爍頻率就是指閃爍感覺剛剛消失時(shí)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(biāo)準(zhǔn) 而在每幅畫面停留的時(shí)間內(nèi) 用一個(gè)機(jī)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(shí)間域響應(yīng) 2 運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性一般來說 要保持畫面中物體運(yùn)動(dòng)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(shí)間域的掩蔽效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明 當(dāng)電視圖像序列中相鄰畫面的變化劇烈 例如場(chǎng)景切換 時(shí) 人眼的分辨力會(huì)突然劇烈下降 如下降1 10 在新場(chǎng)景突然出現(xiàn)時(shí) 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(jì)量和彩色視覺 2 1 4彩色的計(jì)量和彩色視覺 從視覺的角度描述彩色的過程中會(huì)用的亮度 色調(diào)和飽和度三個(gè)術(shù)語 亮度表示光的強(qiáng)弱色調(diào)是指彩色的類別 如黃色 綠色 藍(lán)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(jì)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(hào)的像素點(diǎn)用灰度級(jí)表示 彩色視頻信號(hào)基于三原色原理 每個(gè)像素點(diǎn)由紅 R 綠 G 藍(lán) 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(hào) 常用的彩色空間表示有 YUV YIQ YGC等 2 1 4彩色的計(jì)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(jì)量和彩色視覺 3 彩色的掩蔽效應(yīng) 補(bǔ)充 2 1 5圖像的分類 2 2彩色電視信號(hào) 電視是利用光電和電光轉(zhuǎn)換原理 將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī) 將景物進(jìn)行圖像分解 完成空時(shí) 光電變換 然后送至信道進(jìn)行圖像信息的傳送 在接收端再由顯像設(shè)備 如顯示器 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行圖像復(fù)合 還原成原圖像 而其中的同步系統(tǒng) 則負(fù)責(zé)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(gè)電視系統(tǒng)主要由成像 電視信號(hào)形成 信號(hào)處理 傳輸系統(tǒng) 電視信號(hào)接收與顯示等部分組成 2 2 1掃描 空間頻率到時(shí)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(yùn)動(dòng) 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(shí)間而變化的電信號(hào) 同時(shí)顯示器也利用電子掃描把所接收的隨時(shí)間變化的電信號(hào)變換成空間分布的像素 與發(fā)送時(shí)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(duì)整個(gè)一幅 幀 畫面進(jìn)行掃描的方式 人們將一個(gè)正程和逆程所用的時(shí)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(diǎn)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(hào)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(hào)的帶寬 同時(shí)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(chǎng)進(jìn)行掃描 第一場(chǎng)掃描1 3 5 7 等奇數(shù)行 通常稱為奇數(shù)場(chǎng) 然后再掃描2 4 6 8 等偶數(shù)行 故而稱為偶數(shù)場(chǎng) 可見兩場(chǎng)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(hào)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(jì)的 通常選擇紅 綠 藍(lán)為標(biāo)準(zhǔn)的三基色 用這三個(gè)攝像管分別提取景物光學(xué)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(xì)胞的視覺效果 這樣便形成了彩色電視系統(tǒng)中的紅 綠 藍(lán)三個(gè)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(fèi)者和各電視臺(tái)的利益 所以彩色電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lán)三個(gè)基色分量 而是傳輸1個(gè)亮度分量和2個(gè)色差分量 它們與紅 綠 藍(lán)三個(gè)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(lán)三個(gè)基色分量變換為1個(gè)亮度分量和2個(gè)色差分量 然后進(jìn)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(hào) 不同的色差信號(hào)傳送方案就形成了不同的彩色電視制式 當(dāng)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(hào)的傳送與彩色電視信號(hào) 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(hào) 2 頻譜交錯(cuò)原理和平衡正交調(diào)制 頻譜交錯(cuò)原理 電視信號(hào)的頻譜是以行頻 場(chǎng)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(hào)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(hào)的這一特性 可將色差信號(hào)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(hào)頻譜的空隙中間 然后用fSC對(duì)兩個(gè)色差信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 從而將它們搬移到空隙處 這就是亮度信號(hào)與色差信號(hào)按頻譜交錯(cuò)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(duì)fSC的選取 頻譜交錯(cuò) 2 2 5全彩色電視信號(hào) 由于兩個(gè)色差信號(hào)分別是以fSC調(diào)制到電視信號(hào)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(gè)色差信號(hào)U和V分別調(diào)制在載頻fSC的兩個(gè)正交相位上 因此這種調(diào)制就是正交調(diào)制 2 頻譜交錯(cuò)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(hào) 3 彩色電視信號(hào)的類型 日常生活有三種類型的電視信號(hào) 復(fù)合電視信號(hào)分離式電視信號(hào) S Video信號(hào) 分量電視信號(hào)復(fù)合信號(hào) 亮度信號(hào)和色度信號(hào)相加成為一個(gè)信號(hào)進(jìn)行傳輸分離式信號(hào) 亮度信號(hào)和色度信號(hào)在兩個(gè)通道中傳輸分量信號(hào) 色度信號(hào)在各自通道中傳輸 比如 R G B各自單獨(dú)傳輸 2 3分量彩色電視信號(hào)的數(shù)字化 ITU RBT601建議 建議采用分量編碼 亮度和色差信號(hào)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(duì)亮度信號(hào)和色差信號(hào)進(jìn)行量化 而且都采用8位碼 那么三個(gè)分量信號(hào)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量為 可見其數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的 因此需要進(jìn)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(hào)的數(shù)字化 ITU RBT601建議的主要參數(shù)4 2 2標(biāo)準(zhǔn) 它是對(duì)Y U V進(jìn)行取樣 但亮度和色差信號(hào)的取樣頻率之間的關(guān)系為13 5MHz 6 75MHz 6 75MHz 4 4 4標(biāo)準(zhǔn) 它是直接對(duì)R G B進(jìn)行分量編碼的標(biāo)準(zhǔn) 而且各分量的取樣頻率都相同 即13 5MHz 4 1 1標(biāo)準(zhǔn) 它是對(duì)Y U V進(jìn)行取樣 亮度與色差信號(hào)的取樣頻率之間的關(guān)系為13 5MHz 3 375MHz 3 375MHz 4 2 0標(biāo)準(zhǔn) 它同樣也是一種對(duì)Y U V進(jìn)行取樣的標(biāo)準(zhǔn) 其亮度和色度信號(hào)的取樣頻率之間的關(guān)系為4 2 2 但色差信號(hào)的行數(shù)為4 2 2標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(cuò)原理平衡正交調(diào)制目的分量彩色電視信號(hào)的數(shù)字化 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全