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1、 图像信号处理实验指导书 编者：王祖林 陈 炜 徐华平 王鹏波 徐迈 北航电子信息工程学院 2017 年 4 月 2 i 目目 录录 第一章 数字图像处理系统 . 1 1.1 图像采集 . 1 1.2 图像显示 . 4 1.3 图像存储 . 4 1.4 图像处理和分析 . 4 第二章 MATLAB 编程基础 . 5 2.1 MATLAB 7.01 开发环境 . 5 2.2 MATLAB 的主要图形功能 . 7 2.3 MATLAB 的图形用户界面（GUI） . 10 第三章 实验系统 . 12 3.1 CCD 彩色摄像机 . 12 3.2 SEED-VPM642 板卡介绍 . 12 3.3 实
2、验系统 . 16 第四章 上机实验 . 17 4.1 实验要求： . 17 4.2 实验内容 . 18 参考文献 . 23 附 1：实验中调用软件的初始化 . 24 附 2：Transdata 程序 . 31 1 第一章第一章 数字图像处理系统数字图像处理系统 数字图像处理，即用计算机对图像进行处理，主要应用的是计算机图像技 术。这包括利用计算机和其它电子设备进行和完成的一系列工作，例如图像的 采集、获取、编码、存储和传输，图像的合成和产生，图像的显示和输出，图 像的变换、增强、恢复（复原）和重建，图像的分割，目标的检测、表达和描 述，特征的提取和测量，序列图像的校正，3-D 景物的重建复原，
3、图像数据库 的建立、索引和抽取。图像的分类、表示和识别，图像模型的建立和匹配，图 像和场景的解释和理解，以及基于它们的判断决策和行为规划等等。另外，还 可包括为完成上述功能而进行的硬件设计及制作等方面的技术。 一个基本的图像（处理和分析）系统构成可由图 1.1 所示。图中各部分都 有特定的功能，分别是采集、显示、存储、处理和分析。 图 1.1 数字图形处理系统 1.1 图像采集图像采集 由于计算机只能处理数字图像，为得到采集数字图像，近年来获得发展的 图像传感器类型是电子自扫描固态传感器阵列，固态阵是由称为感光基元的离 散硅成像元素构成的。这样的感光基元能产生与所接受的输入光强成正比的输 出电
4、压。固态阵按几何组织形式分为两种：线扫描器和平面扫描器。线扫描传 感器包括一行感光基元，它靠场景和检测器之间的相对运动来获得 2-D 图像。 平面扫描传感器由排成方阵的感光基元组成，可直接得到 2-D 图像。固态平面 传感器的一个显著特点是它具有非常快的快门速度 （可达） ， 所以能将许多运动 定格下来。 固态阵中主要元件是 CCD，CCD 是英文 Charge Coupled Device 即电荷耦 合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个 感光元件叫一个像素。CCD 摄像机里是一个极其重要的部件，它能够将光线变2 为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使
5、电压发生变化，是理想 的摄像机元件，以其构成的 CCD 摄像机具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗 强光、畸变小、体积小、寿命长、不受磁场影响、具有抗振动和撞击等优点而 被广泛应用。它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性 能的好坏将直接影响到摄像机的性能。 图 1.2 给出了一个线扫描 CCD 传感器的示意图。 这个传感器由一行感光基 元、两个定时地将感光基元中的内容传给传输寄存器的传输门，以及一个定时 地将传输寄存器的内容传给放大器的输出门构成。放大器输出的电压信号与感 光基元行的内容成比例。 图 1.2 线扫描传感器 电荷耦合平面阵的工作原理与线形相似，但这里感光基元排列成一
6、个矩形 形式（如图 1.3 所示） 。感光基元列由传输门和传输寄存器隔开。先将奇数列感 光基元的内容顺序送进垂直传输寄存器，然后再送进水平传输寄存器。把水平 传输寄存器的内容送进放大器就得到 1 帧隔行的视频信号。对偶数感光基元重 复以上过程就可得到另 1 帧隔行的视频信号。将两帧合起来就得到隔行扫描电 视的 1 场。 图 1.3 平面扫描传感器 3 1.1.1 CCD 摄像机特性：摄像机特性： 1电荷耦合器件 CCD 芯片被制造在一片光敏结晶硅片上，一个矩形的光电探测器（势阱）阵 列被制造在硅基片中。在局部区域中产生的光电子被收容在最近的势阱中， 并作为一个电荷包沿一串势阱移动直到到达外部引
7、出端。 2CCD 摄像机的工作方式 被摄物体的图像经过镜头聚焦到 CCD 芯片上， CCD 根据光的强弱积累相应比 例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、 放大处理后， 形成视频信号输出。 视频信号连接到监视器或电视机的视频输 入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。 3分辨率的选择 评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率， 其单位为线对， 即成像后可以分辨 的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为 380-480，其数值越 大成像越清晰。 一般的监视场合， 用 400 线左右的黑白摄像机就可以满足要 求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用 600 线的摄像机能
8、得到更清晰的 图像。 4成像灵敏度 通常用最低环境照度要求来表明摄像机的灵敏度， 黑白摄像机的灵敏度大多 是0.02-0.5Lux(勒克斯),彩色摄像机多在1Lux的摄像机用于普通像机用于 普通的监视场合； 在夜间使用或环境光线较弱时， 推荐使用 0.02Lux 的摄像 机。与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。另外摄像机的灵 敏度还与镜头有关，0.97Lux/F0.75 相当于 2.5Lux/F1.4。 5电子快门 电子快门的时间在 1/50-1/100，000 秒之间，摄像机的电子快门一般设置 为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的 图像。有些摄像机允许
9、用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用 场合。 6外同步与外触发 外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步， 它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了 实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号（C-sync）或复合视频 信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到室完整的连整的连续的一帧 图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机， 如敏通公司的 MS-2821 等。 7光谱响应特性 CCD 器件由硅材料制成， 对近红外比较敏感， 光谱响应可延伸至 1.0um 左右。 其响应峰值为绿光（550nm）。夜间隐蔽监视时，可以用
10、近红外灯照明，人 眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于 CCD 传感器表面有 一层吸收紫外的透明电极，所以 CCD 对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单 元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。 8CCD 芯片的尺寸 CCD 的成像尺寸常用有有 1/2”，1/3”等，成像尺寸越小的摄像机的体积 可以做得更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视通角越大。 4 1.2 图像图像显示显示 对图像处理来说，处理的结果主要用来显示给人看。对图像分析来说，分 析的结果也可以借助计算机图形学技术转换为图像形式直观的展示。所以图像 显示对图像处理和分析系统来说是非常重要的。
11、 常用的图像处理和分析系统的主要显示设备是电视显示器。最重要的显示 特性是图像的大小、光度分辨率和空间分辨率、低频响应和噪声特性。 1.3 图像存储图像存储 图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图形处理和 分析系统中，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。用于图像处理和分析 的数字存储器可分为 3 类： 1、处理和分析过程中使用的快速存储器； 2、用于比较快地重新调用的在线或联机存储器； 3、不经常使用的数据库（档案库）存储器。 1.4 图像处理和分析图像处理和分析 对图像的处理和分析一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件 实现，只是在为了提高速度或克服通用计算机限制的情况下才用特制的硬件。 图像处理和分析中的一个重要事实是对特殊的问题需要特殊的解决方法。现有 的图像处理和
