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1、2012-4-251铁路图像通信铁路图像通信通信与信息系统北京市重点实验室通信与信息系统北京市重点实验室 卢燕飞卢燕飞铁路图像通信介绍铁路图像通信介绍 数字视频技术概述数字视频技术概述 图像视频中一些基本参数、指标及特 性介绍 视频会议系统视频会议系统 综合视频监控系统综合视频监控系统一一. . 图像视频技术概述图像视频技术概述1.1.什么是图像和视频什么是图像和视频 图像图像是人对视觉感知的物质再现。是人对视觉感知的物质再现。图像可以由光学设备获取，如 照相机等；也可以人为创作，如手工绘画。图像可以记录、保存 在纸质媒介、胶片等等对光信号敏感的介质上。o随着数字采集技术和信号处理理论的发展，
2、越来越多的图像以数字形 式存储。因而，有些情况下“图像”一词实际上是指数字图像。 视频（视频（VideoVideo）泛指将一系列的静态图像以电信号方式加以捕捉、泛指将一系列的静态图像以电信号方式加以捕捉、 纪录、处理、存储、传送与重现的各种技术。纪录、处理、存储、传送与重现的各种技术。o视频技术最早是从阴极射线管的电视系统的建立而发展起来的，但是 之后新的显示技术的发明，让视频技术包括的范畴更大了。基于电视 的标准和基于计算机的标准，被试图从两个不同的方面来发展视频技 术。现在得益于计算机性能的提升，并且伴随着数字电视的播出和记 录，这两个领域又有了新的交叉和集中。电视原理：图像的光栅扫描电视
3、原理：电视原理： 电视同样也是采用动画的视觉原理构造而电视同样也是采用动画的视觉原理构造而 成的成的，其基本原理为顺序扫描和传输图像其基本原理为顺序扫描和传输图像 信号信号，然后在接收端同步再现然后在接收端同步再现。 CRT显示器的显示原理是：显像管内部显示器的显示原理是：显像管内部 的电子枪的电子枪（阴极阴极）通电通电，发出电子束发出电子束，经经 强度控制强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子聚焦和加速后变成细小的电子 流流，由偏转线圈控制电子的方向由偏转线圈控制电子的方向，穿过荫穿过荫 罩的小孔或荫栅并经荫罩或荫栅调正罩的小孔或荫栅并经荫罩或荫栅调正，然然 后高速轰击到荧光屏上的荧光粉后高速
4、轰击到荧光屏上的荧光粉，荧光粉荧光粉 被激活被激活，就可以发出光来就可以发出光来。R、G、B三三 色荧光点被按不同强度的电子流点亮色荧光点被按不同强度的电子流点亮，就就 会产生各种色彩会产生各种色彩。逐行扫描隔行扫描电子枪与荧光屏数字图像特点数字图像特点（1)色彩色彩 色彩表示技术是图像处理技术中的一个首要环节。色彩表示技术是图像处理技术中的一个首要环节。o自然界中的颜色成千上万，要处理这些颜色必须找到一种表示它们自然界中的颜色成千上万，要处理这些颜色必须找到一种表示它们 的简单方法；的简单方法；o色彩表示技术是图象实现电子化、计算机化处理的基础；色彩表示技术是图象实现电子化、计算机化处理的基
5、础； 在一个典型的多媒体计算机系统中在一个典型的多媒体计算机系统中，常常涉及到用几种不同的常常涉及到用几种不同的 色彩空间表示图形和图像的颜色色彩空间表示图形和图像的颜色，以对应于不同的场合和应用以对应于不同的场合和应用。 数字图像的生成数字图像的生成、存贮存贮、处理及显示都与色彩空间密切相关处理及显示都与色彩空间密切相关， 不同的色彩空间需要作不同的处理和转换不同的色彩空间需要作不同的处理和转换。(a)RGB色彩空间色彩空间采用采用R、G、B相加混色的原理来产相加混色的原理来产 生色彩的方法称为生色彩的方法称为RGB色彩空间表色彩空间表 示示。 在多媒体计算机技术中在多媒体计算机技术中，用的
6、最多用的最多 的是的是RGB色彩空间表示色彩空间表示。 RGB色彩空间采用物理三基色表色彩空间采用物理三基色表 示示，因而物理意义很清楚因而物理意义很清楚，适合彩适合彩 色显象管工作色显象管工作。然而这一体制并不然而这一体制并不 适应人的视觉特点适应人的视觉特点。因而因而，产生了产生了 其它不同的色彩空间表示法其它不同的色彩空间表示法。根据三基色原理，用基色光单位来表根据三基色原理，用基色光单位来表 示光的量，则在示光的量，则在RGB色彩空间，任意色彩空间，任意 色光色光F都可以用都可以用R、G、B三色不同分量三色不同分量 的相加混合而成：的相加混合而成： Fr R + g G + b B （
7、b）CMY色彩空间色彩空间彩色印刷或彩色打印中油墨或颜料的三基色是青（彩色印刷或彩色打印中油墨或颜料的三基色是青（Cyan）、品红）、品红 （Magenta）和黄（）和黄（Yellow），简称为），简称为CMY。 理论上说理论上说，任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同任何一种由颜料表现的色彩都可以用这三种基色按不同 的比例混合而成的比例混合而成，这种色彩表示方法称这种色彩表示方法称CMY色彩空间表示法色彩空间表示法。彩色彩色 打印机和彩色印刷系统都采用打印机和彩色印刷系统都采用CMY色彩空间色彩空间。 这种色彩模型一般称为相减混色模型这种色彩模型一般称为相减混色模型，用这种方法产生
8、的颜色之所用这种方法产生的颜色之所 以称为相减色以称为相减色，主要是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的主要是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的 反射光反射光。 CMY空间正好与空间正好与RGB空间互补，也即用白色减去空间互补，也即用白色减去RGB空间中的某一色彩值就等于同样色彩在空间中的某一色彩值就等于同样色彩在CMY 空间中的值。空间中的值。 RGB空间与空间与CMY空间的互补关系如下表所示：空间的互补关系如下表所示：RGB相加混色 CMY相减混色 对应色彩 000 111 Black 001 110 Blue 010 101 green 011 100 gray 100 011 r
9、ed 101 010 紫红 110 001 Yellow 111 000 white RGBRGB彩色空间和彩色空间和CMYCMY彩色空间的表示法彩色空间的表示法RGBCMY（c）HSI色彩空间色彩空间HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调（色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调（Hue）、色饱和度）、色饱和度 （Saturation）和亮度（）和亮度（Intensity）来描述色彩。）来描述色彩。 通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。 由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色由于人
10、的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色 彩处理和识别，人的视觉系统经常采用彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比色彩空间，它比RGB色彩空间更符色彩空间更符 合人的视觉特性。合人的视觉特性。 在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI色彩空间中方便地使用色彩空间中方便地使用,可以可以 大大简化图像分析和处理的工作量。大大简化图像分析和处理的工作量。 HSI色彩空间和色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存因而它们之间存 在着转换关系在着转换关系，如公式所示：
11、如公式所示：（d）YUV与与YIQ彩色空间彩色空间在彩色电视制式中，使用在彩色电视制式中，使用YUVYUV和和YIQYIQ模型来表示彩色图像。模型来表示彩色图像。 在在PALPAL彩色电视制式中使用彩色电视制式中使用YUVYUV模型，其中的模型，其中的YUVYUV不是那几个英文不是那几个英文 单词的组合词，而是符号，单词的组合词，而是符号，Y Y表示亮度，表示亮度，UVUV用来表示色差，用来表示色差，U U、V V 是构成彩色的两个分量；是构成彩色的两个分量； 在在NTSCNTSC彩色电视制式中使用彩色电视制式中使用YIQYIQ模型，其中的模型，其中的Y Y表示亮度，表示亮度，I I、Q Q
12、是两个彩色分量。是两个彩色分量。 YUV色彩空间的特点：色彩空间的特点： 用亮度信号用亮度信号Y和两个色差信号和两个色差信号U、V表示图象的色彩；表示图象的色彩； 如果只有如果只有Y信号分量而没有信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图就是分量，那么这样表示的图就是 黑白灰度图；黑白灰度图； 彩色电视采用彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号空间正是为了用亮度信号Y解决解决彩色电视机与 黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色信号使黑白电视机也能接收彩色信号。YUV色彩空间色彩空间Y: luminance明亮度明亮度 Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U, V
13、: chrominance色彩差异度色彩差异度 U = B Y, V = R - Y2. 数字图像与视数字图像与视频的数据量频的数据量数字图像的数据量数字图像的数据量 图像的分辨率越高图像的分辨率越高、图像深度越深图像深度越深，则数字化后的图像效果越逼真则数字化后的图像效果越逼真、图图 像数据量越大像数据量越大。如果是按照像素点及其深度映射的图像数据大小可用下如果是按照像素点及其深度映射的图像数据大小可用下 面的公式来估算：面的公式来估算：o图像数据量图像的总像素图像数据量图像的总像素图像深度图像深度 / 8 （Byte）o一幅一幅640480、真彩色的图像真彩色的图像，其文件大小约为：其文件
14、大小约为：64048024/ 8 1MByte； 数字视频的数据量数字视频的数据量 由多幅图像构成由多幅图像构成，用用bit/s来表示；来表示； 数字视频的比特率数字视频的比特率=每帧图像的数据量每帧图像的数据量*帧率帧率（帧帧/s）（1）图像的分辨率：确定组成一幅图像的像素数目）图像的分辨率：确定组成一幅图像的像素数目QSIF (19Kp)SIF (82Kp)601 (300Kp)SVGA (500Kp)720P (1Mp)HDTV（1080P） (2Mp)1202404806007209001080160352720800115212801920（2）像素深度：决定图像色彩的种类）像素深度
15、：决定图像色彩的种类像素深度是指存储每个像素所用的像素深度是指存储每个像素所用的bit位位 数数 像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的 颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能 有的灰度级数有的灰度级数 ； o例如，一幅彩色图像的每个像素用例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三三 个分量表示，若每个分量用个分量表示，若每个分量用8位，那末一位，那末一 个像个像 素共用素共用24位表示，就说像素的深度为位表示，就说像素的深度为24，每个，每个 像素可以是像素可以是224=16777216种颜色中的一种。种颜色中的一种。（3）帧率：视频中每秒所包含的图像（帧）数）帧率：视频中每秒所包含的图像（帧）数视频效果是利用人眼的视觉残留效益，由视频效果是利用人眼的视觉残留效益，由 多帧图像产生多帧图像产生 笼中小鸟的例子；笼中小鸟的例子； 如右图；如右图； 根据电视信号的特点，目前数字视频的帧根据电视信号的特点，目前数字视频的帧 率主要采用：率主要采用：30帧帧/S 25帧每秒帧每秒 在实际应用中有时为了保证系统的在实际应用中有时为了保证系统的QoS，可，可 能会丢帧；能会丢帧；彩色电视国际制式 TV 制式 NTSCM PALD SECAM 帧频（Hz） 30 25 25 行 / 帧 525 625 625 亮
