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实验一视频/图像信号处理实验

2021-05-02 19:32:32 作者：互联网

一、实验目的

掌握视频/图像文件输入输出。
掌握视频信号亮度方程原理和实现方法。
了解视频信号的存储方式。
了解视频信号不同分量的关系和存储关系。

二、实验器材

电脑
Matlab软件/或其他

三、实验原理

1、关于配色方程

（1）假定三个基色采用显像(电视)三基色配色方程数学表达式： $F=R[R]+G[G]+B[B]$

式中F表示待配色的彩色光的彩色量；R、G、B分别代表三基色分布系数；[R]、[G]、[B]分别代表三基色的单位量；R[R]、G[G]、B[B]为彩色量F中所含三基色光通量成分，它们共同决定所配彩色光的光通量。

（2）理想白光源E： $F_{E}=1[R]+1[G]+1[B]$

[R]、[G]、[B]分别为1lm、 4.5907lm、 0.0601lm；E光的光通量为5.6508lm。

2、色度图

(1) XYZ计色制配色方程：

$F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]$

其中，XYZ为标准三基色系数，[X][Y][Z] 为标准三基色单位

(2) XYZ计色制规定

A标准三基色系数均为正值；

B系数Y表示混合彩色光的亮度，而X、Z不含亮度；色度由X、Y、Z比值确定；

C当X＝Y＝Z＝1，配出等能量白光E。

(3) 色度坐标

色度是由三基色系数X、Y、Z的相对值x、y、z确定的，与X、Y、Z的绝对值无关。

$m=X+Y+Z$

$x=\frac{X}{X+Y+Z}=\frac{X}{m}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}=\frac{Y}{m}$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}=\frac{Z}{m}$

$x+y+z=1$

其中，m为色模，表示某彩色光所含标准三基色单位总量，与光通量有关；x、y、z为相对色度系数(色度坐标)

(4) x－y标准色度图：

x＋y＋z＝1，则z是一个非独立参量，因此配色数据可换算为x－y坐标值，即x－y标准色度图，如图1.1所示。

图1.1 x－y标准色度图

A舌形曲线全部位于第一象限所有可见光的光谱色都在封闭曲线内，所有的单色光都位于舌形曲线上；

B 等能量E白光的坐标为[X][Y][Z]标准基色三角形的重心；

C 舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线；

D 不在同一等色调线上的任意两点，表示两种不同的颜色，由这两种颜色组成的全部混合色都处在这两点的连线上；

E饱和度相同的彩色所对应的各点的连线称为等饱和线；

F 在谱色曲线内任取三点对应的彩色作基色，则由此三基色混合成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。三角形外的彩色不能由所选基色混合得到。因此，彩色电视中选择三基色，应使在色度图上包含的面积尽量大，配出的颜色就丰富。

3、亮度公式

根据上述x-y标准色度图，得到NTSC制标准白光源C白：

亮度信号 $E_{Y}=0.299E_{R}+0.587E_{G}+0.114E_{B}$

化简为： $Y=0.30R+0.59G+0.11B$

我国PAL制标准白光源D65，近似采用：

$Y=0.30R+0.59G+0.11B$

可见，三基色对于白光总亮度中各自的亮度贡献不等。

4、亮度信号在视频信号中的作用

黑白电视接收机能接收彩色电视信号，而能重现质量较好的黑白图像的特性为兼容制；反之，彩色电视接收机能接收黑白电视信号，而能重现质量较好的黑白图像的特性为逆兼容制，两种电视基本标准须具有相同的特性，才能达到兼容。

为了达到兼容，彩色电视必须能与黑白电视很好地兼容，传送黑白图像时，色差信号为0，R＝G＝B，无色差信号干扰亮度信号；传送彩色图像，能减弱色度信号对亮度信号的干扰改善兼容性。

因此在选择代表彩色的三个基本参量的传输信号的要求：

(1)、满足兼容性，必须传送一个与黑白电视相同的亮度信号，且频带宽度要与黑白电视系统相同；

(2)、需两个代表色度的信号；

(3)、当传送黑白电视信号，R=G=B时，色度信号为0；

(4)、代表色度的两个信号是相互独立；

(5)、三基色信号与这三个传输信号之间换算简单。

5、数字视频/图像信号中的亮度公式作用：

将数字彩色视频/图像转化成为黑白(灰度)视频/图像的过程成为图像的灰度化处理。彩色视频/图像中的每个像素的颜色有R、G、B三个分量决定。数字视频/图像中每个分量取值范围为[0,255]，每个像素点可以有1677多万（256×256×256）的颜色的变化范围。

在很多计算和应用场合，基于灰度视频/图像的计算更能符合实际应用需求。因此，在数字处理中一般先将各种格式的图像转变成灰度视频/图像可较少后续的视频/图像的计算量，提取关键信息。灰度视频/图像的描述与彩色视频/图像一样，仍能反映整幅图像的整体和局部的色度和亮度等级的分布和特征。

根据YUV的颜色空间中，Y的分量的物理意义是点的亮度，由该值反映亮度等级，根据RGB和YUV颜色空间的变化关系可建立亮度Y与R、G、B三个颜色分量的对应：Y=0.3R+0.59G+0.11B，以这个亮度值表达视频/图像的灰度值。

四、实验步骤

读取视频/图像文件；
根据亮度公式，计算视频/图像信号；
完成彩色视频/图像信号变换；
显示视频/图像文件；

分析数字视频/图像信号分量。

I = imread('C:\lancer666.jpg');% 读入需要转换的彩色图片
PR=I(:,:,1);%提取红色分量 
PG=I(:,:,2);%提取绿色分量 
PB=I(:,:,3);%提取蓝色分量
figure(1); 
subplot(2,2,1);imshow(I);title('原图像'); 
subplot(2,2,2);imshow(PR);title('提取红分量后'); 
subplot(2,2,3);imshow(PG);title('提取绿色分量后'); 
subplot(2,2,4);imshow(PB);title('提取蓝色分量后');
Y=0.30*PR +0.59*PG+ 0.11*PB;%灰度变换公式
figure(2);
imshow(Y);
title('灰度图像1');%使用公式转换
Y1=rgb2gray(I);
figure(3);
imshow(Y1);
title('灰度图像2');%使用Matlab自带的函数转换

五、实验报告

分析亮度公式原理。
根据实验结果记录，在实验报告上显示处理前后的图像，并进行对比。
对实验思考题加以分析，做出回答。

六、思考题

用色差信号传输色度信息的优点。

兼容效果好

当选用Y、R-Y、B-Y三种信号时，Y仅代表被传送景物的亮度，而不含色度。而且，当所传送的图像为黑白图片时，色差信号为零，因为任何黑白图片仅有亮度明暗的层次变化，因此它们的三基色信号总是相等的。色差信号只表示色度不表示亮度，而且三色差信号对亮度的贡献为零。所以，色差信号的失真不会影响亮度。因此，黑白电视机只接收彩色电视台中的Y信号，其效果与收看黑白电视台的节目一样。

能够实现恒定亮度原理

所谓恒定亮度原理，是指被摄景物的亮度在传输系统是线性的前提下，均保持恒定，即与色差信号失真与否无关，只与亮度信号本身的大小有关。

有利于高频混合

由于传送亮度信号占有全部视频带宽0--6MHz，而传送色度信号只利用较窄的频带0--1.3MHz。因此，电视接收机所恢复的三个基色信号就只包含较低的频率成分，反应在画面上，只表示出大面积的彩色轮廓；而图像彩色的细节，即高频成分则由亮度信号来补充。这就是说，由亮度出显示出一幅高清晰度的黑白图像，再由色度信号在这幅黑白图像上进行大面积的低清晰度着色。

标签：视频,信号处理,彩色,亮度,色度,实验,信号,图像,基色
来源： https://blog.csdn.net/lzp05222/article/details/116353497

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