安防系统规范与技术 4 视频监控系统基本知识

null第二章 视频监控系统基本知识 *第二章 视频监控系统基本知识 第一节 视频监控系统的概念与组成 第二节 图像产生基础知识 第三节 摄像机基础知识 第四节 监视器基础知识 第五节 数字视频压缩基础知识 第二章 视频监控系统基本知识 *第二章 视频监控系统基本知识 第二节 图像产生基础知识 一、彩色与视觉特性 二、电视图像的传送 三、电视的制式与色彩空间 二、电视图像的传送 （一）电视传像原理二、电视图像的传送 （一）电视传像原理电视的传播是用电信号传送活动图像和伴音。 传送伴音要把随时间变化的声能变成电信号传送出去， 接收机再把电信号转换为声音。 传送活动图像要在发送端把亮度信息从空间、时间的多维函数变成时间的单变量函数电信号,传送出去， 接收机再把电信号转换为活动图像。二、电视图像的传送 （一）电视传像原理二、电视图像的传送 （一）电视传像原理1．图像的分解-像素 人眼分辨力有限，不能区分图像上视角小于1′的两个点。 将一幅空间上连续的黑白图像分解成许多小单元， 这些小单元面积相等、分布均匀，明暗程度不同。 大量的单元组成了电视图像，这些单元称为像素。 单位面积上的像素数越多，图像越清晰。 一幅黑白平面图像，表征它的特征参量是亮度。 组成黑白画面的每个像素有确定的几何位置，呈现着不同的亮度； 活动图像在确定位置上的像素其亮度又随时间不断地变化着。 像素亮度既是空间（二维）函数，同时又是时间函数。二、电视图像的传送 （一）电视传像原理二、电视图像的传送 （一）电视传像原理2．图像的传送-串行传输 一幅高质量的图像有几十万个像素。 把图像上各像素的亮度信号按从左到右、从上到下的顺序一个一个地传送。 电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理， 或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成。 接收端再按同样顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度的像素 这种像素的串行传输具有两个特点： 第一是要求传送速度快。 传送迅速，时间小于视觉暂留时间，重现图像才会给人以连续无跳动的感觉 第二是传送要准确。 每个像素一定要在轮到它传送时才被转换、传送，并被接收方接收。 收、发双方每个像素被转换、还原的的几何位置要一一对应。 即收发双方应同步工作，同步在电视系统中是十分重要的 二、电视图像的传送 （一）电视传像原理二、电视图像的传送 （一）电视传像原理3．图像的转换-电子扫描 将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描。 扫描的过程和我们读书时视线从左到右、自上而下依次进行的过程类似。 从左至右的扫描称为行扫描； 自上而下的扫描称为帧（或场）扫描。 电视系统中，扫描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。 通过电子扫描与光电转换， 把反映一幅图像亮度的空间与时间的函数， 转换为只随时间变化的单值函数（电信号）， 从而实现平面图像的顺序传送。二、电视图像的传送 （一）电视传像原理二、电视图像的传送 （一）电视传像原理3．图像的转换-电子扫描 电视接收机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像素， 只要在视觉暂留的0.1s时间里完成一幅图像所有像素的电光转换， 那么人眼感觉到的将是一幅完整的图像。 视觉惰性可以把连续动作分解为一连串稍有差异的静止图像。 电影每秒放映24幅稍有差异的静止画面来得到活动图像的， 电视每秒传送25幅稍有差异的电视画面来得到连续动作的效果的。 活动图像可分解为一连串的静止图像，静止图像又可分解为像素， 1/25s里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息进行光电转换， 接收端再依次重现相应亮度的像素，就可以完成活动图像的传输。 这种将图像分解成像素后顺序传送的方法叫做顺序传送原理。二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理 二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理 在电视发送端用摄像器件实现光电转换， 在接收端用显像管实现电光转换。就将现实景物显示在监视器上。 实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像管。 。 二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理1．摄像管与光电转换 光电导摄像管是一种电真空器件。 它主要由镜头、光电靶、电子枪、聚焦线圈和偏转线圈组成。 光电靶由光敏半导体材料构成，受光作用之后电阻率变小 靶面上的光图像使靶面各单元受光照的强度不同，各单元的电阻率不同， 与较亮像素对应的靶单元阻值较小， 与较暗像素对应的靶单元阻值较大。 这样一幅因像上各像素的不同亮度就表现为靶面上各单元的不同电阻值。 二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理1．摄像管与光电转换 从摄像管阴极发射出来的电子束， 电子枪电场及偏转线圈的磁场力作用下，高速、顺序地扫过靶面各单元。 电子束接触靶面某单元时，阴极、信号板、负载、电源构成一个回路 负载RL中就有电流流过,电流大小取决于光电靶在该单元的电阻值大小。 光照强处，对应阻值较小、流过负载的电流就较大， 因而RL两端产生的压降也就较大，输出信号的电位也就越低。 。 二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理2．显像管与电光转换 显像管是在接收端重现图像的电真空器件， 主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成。 由阴极发射出的电子束，在偏转线圈所产生的磁场力作用下， 按从左到右，从上到下的顺序依次轰击荧光屏。 屏面上涂有荧光粉，在电子束轰击下荧光粉发光， 其发光亮度正比于电子束携带的能量。二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理二、电视图像的传送 （二）电视扫描原理2．显像管与电光转换 若将摄像端送来的信号加到显像管电子枪的阴极与栅极之间， 就可以控制电子束携带的能量，使荧光屏的发光强度受图像信号的控制。 屏幕上重现的图像各像素的亮度都正比于所摄图像相应各像素的亮度， 屏幕上便重现了发端的原图像。。第二章 视频监控系统基本知识 *第二章 视频监控系统基本知识 第二节 图像产生基础知识 一、彩色与视觉特性 二、电视图像的传送 三、电视的制式与色彩空间 三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式1．电视制式概要 电视信号的标准也称为电视的制式。 制式的区分主要在于其帧频的不同、分解率的不同、信号带宽以及载频的不同、色彩空间的转换关系的不同等等。 电视制式就是用来实现电视图像信号和伴音信号， 或其它信号传输的方法，和电视图像的显示 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 ， 以及这种方法和电视图像显示格式所采用的技术标准。 电视制式有很多种， 对于模拟电视，有黑白电视制式，彩色电视制式，以及伴音制式等； 对于数字电视，有图像信号、音频信号压缩编码格式TS流编码格式，还有数字信号调制格式，以及图像显示格式等制式。 为了接收和处理不同制式的电视信号，也就发展了不同制式的电视接收机和录像机。三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式2．彩色电视制式 理论上帧频越高越好，但帧频越高对电路的要求也高，技术复杂，成本也高。 我国电网频率50Hz， 采用25 Hz 帧频时，隔行扫描的场频为50 Hz ，与电网同频， 这样，电源对图像的干扰固定，人眼不容易感觉出来，所以选择了25Hz的帧频。 电视在显示图像的时候，把一帧分成了两场来显示， 一个场由帧中的奇数行组成，叫做奇场；另一个场由帧中的偶数行组成，叫做偶场。 显示器上每秒钟显示25帧图像时，人眼感觉到连续性不太好，还有明显的闪烁， 一帧分成两场后，场频为50Hz，图像更加连续一些。 PAL制式每帧图像共625行， 每场为312.5行，在每场的312.5行中， 有一些行要用作场消隐，是不包含视频信号的。一帧中有效的总行数为576。 由最上面的半行，加上中间的574行，加上最下面的半行。 三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式3．三种电视制式 （1）NTSC制式 美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准， 它采用正交平衡调幅的技术方式，故也称为正交平衡调幅制。 美国、加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。 （2）PAL制式 联邦德国在1962年指定的彩色电视广播标准， 它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。 西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式 PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式， 其中PAL-D制是我国大陆采用的制式。 （3）SECAM制式 法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色电视制式。 意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制，它也克服了NTSC制式相位失真的缺点。 使用SECAM制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。 。三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式三、电视的制式与色彩空间 （一）电视制式三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间1．RGB颜色表示系统 相加混色是由发光体发出的光相加而产生的颜色， 相加混色的三基色是红、绿、蓝（RGB）， 相减混色是白色光中减去某些成分（吸收）得到各种彩色； 相减混色的三基色是青、品、黄（CMY，黄、蓝、红）； 相加混色和相减混色有不同规律（指颜料相混）。 于是相应的有： RGB：位图颜色的一种编码方法， 用红、绿、蓝三原色的光学强度来表示一种颜色。 这是最常见的位图编码方法，可以直接用于屏幕显示。 CMYK：位图颜色的一种编码方法， 用青、品红、黄、黑四种颜料含量来表示一种颜色。 常用的位图编码方法之一，可以直接用于彩色印刷。三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间2．CIE的RGB颜色表示系统 国际照明委员会（CIE）选择 红色（λ=700.nm）、绿色（546.1nm）和蓝色（435.8nm） 三种单色光作为表色系统的三基色。 产生1lm的白光所需要的三基色的近似值可用下面的亮度方程来表示： 1lm（W）= 0.30lm（R）+ 0.59lm（G）+ 0.11lm（B） 为了计算方便采用T单位制： 1lm（W）= 1T（R）+ 1T（G）+ 1T（B） 三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间3．人类色觉与色彩深度 （1）人类色觉 人类的色觉主要靠亮度和色度来感知。 亮度是指被感知的光的明亮程度，与可见光频带中的总能量成正比。 色度是由色调和饱和度表征的， 色调是指彩色的颜色，是由光的峰值波长决定的； 饱和度是指颜色有多纯，是由光谱的范围或者称为带宽的大小决定的。 彩色又可以用三参数决定。 衡量可见光频带中的总能量的亮度、 衡量可见光峰值波长大小的色调、 衡量可见光带宽大小的饱和度 三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （二）RGB色彩空间3．人类色觉与色彩深度 （2）色彩深度 色彩深度又叫色彩位数，即位图中要用多少个二进制位来表示每个点的颜色，是分辨率的一个重要指标。 常用有1位（单色），2位（4色，CGA），4位（16色，VGA），8位（256色），16位（增强色），24位和32位（真彩色）等。 色深16位以上的位图还可以根据其中分别表示RGB三原色或CMYK四原色（有的还包括Alpha通道）的位数进一步分类， 如16位位图图片还可分为RGB565，RGB555X1（有1位不携带信息），RGB555A1，RGB444A4等等。 三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间1．YUV色彩空间 YUV是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。 Y表示亮度（Luminance或Luma），是不同权重的R、G、B的平均值：   Y = kr R + kg G + kb B 色彩信息可以表示为色差（Chrominance或Chroma）， 每一个色差表示了RGB与Y的差： U = B – Y V = R – Y 这样彩色图像的完整信息——亮度和色差，就由Y、U、V分别给出了。 YUV最大的优点在于 只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）； 使彩色视频信号的传输兼容老式黑白电视。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间2．YCbCr色彩空间 YCbCr 是ITU-R BT1601 建议的一部分，YUV经过缩放和偏移翻版。 其中Y与YUV 中的Y含义一致， Cb，Cr 同样都指色彩，只是在表示方法上不同而已。 在YUV 家族中，YCbCr 是在计算机系统中应用最多的成员， 其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。 一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。 YCbCr有许多取样格式，如4：4：4 ， 4：2：2，4：1：1 和4：2：0。三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间3．YUV、YIQ、YCbCr的区别 YUV模型很多时候，是把它和YIQ/YCbCr模型混为一谈的。 实际上，YUV模型用于PAL和SECAM制式的电视系统， Y表示亮度，UV并非任何单词的缩写。 YIQ模型与YUV模型类似，用于NTSC制式的电视系统。 YIQ中的I和Q分量相当于将YUV空间中的UV分量做了一个33度的旋转。 YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间， 主要用于数字电视系统中。 从RGB到YCbCr的转换中，输入、输出都是8位二进制格式。三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间三者与RGB的转换方程如下： 1）RGB 转换为 YUV Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B，   U = -0.147R - 0.289G + 0.436B， V = 0.615R - 0.515G - 0.100B 2）RGB转换为YIQ Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B， I = 0.596R - 0.275G - 0.321B， Q = 0.212R - 0.523G + 0.311B 3）RGB转换为YCbCr Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B， Cb = -0.169R - 0.331G + 0.500B， Cr = 0.500R - 0.419B - 0.103B 三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （三）YUV系列色彩空间从公式中， UV/CbCr信号实际上就是蓝色差信号和红色差信号， 一定程度上间接的代表了蓝色和红色的强度。 数字多媒体领域的YUV格式， 是以YCbCr色彩空间模型为基础的多种存储格式的颜色模型的家族 包括YUV444 / YUV422 / YUV420 / YUV420P等等）。 并不是传统意义上用于PAL制模拟电视的YUV模型。 这些YUV模型的区别主要在于UV数据的采样方式和存储方式。 在数字图像处理中，最常用的YUV模型是 YUV422格式， 采用4个字节描述两个像素，能和RGB565模型比较好的兼容。 有利于图像传感器和图像控制器的软硬件接口设计。 作业作业什么是逐行扫描、隔行扫描？ 彩色电视信号有哪些制式？ 颜色表示系统有几种？分别是什么？