第4讲 图像信号处理
第四讲---多变量优化模型
2
函数存在唯一的驻点
(1) A是正定矩阵
对称矩阵
xmin A 1b, f min c bT A 1b
(2) A是负定矩阵
(2) a>0, 抛物线开口向下,
xmax b 4ac b 2 arg max{ f ( x)} , f max x 2a 4a
xmax A 1b, f max c bT A 1b
问题描述的一般形式
可行解集合
S {x n : gi (x) ci , i 1, 2,, m}
min{ f ( x)} n
x
地方高校电子信息类《数字信号处理》课程教学改革探索
地方高校电子信息类《数字信号处理》课程教学改革探索发布时间：2022-09-02T02:41:03.771Z 来源：《教育学文摘》2022年5月9期作者：关旋旋[导读] 近年来，社会进步迅速，数字信号处理是计算机专业的一门专业课。
其应用领域极其广关旋旋宿州学院机械与电子工程学院安徽省宿州市 234000摘要：近年来，社会进步迅速，数字信号处理是计算机专业的一门专业课。
其应用领域极其广泛，包括现如今非常热门的移动通信5G 技术、语音及图像的处理技术，生物医学工程，雷达导航及定位系统等。
这门课程以复变函数以及信号与系统这两门课程为先修课。
文章以计算机科学与技术专业培养目标为中心，以数学知识为基础，同时强调其实际应用效果为准则，从教学方式及考核方式两个方面进行教学改革与实践。
关键词：地方高校电子信息；《数字信号处理》课程；教学改革探索引言教育的目标是培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，立德树人是其根本任务，“思政课程”和“课程思政”是立德树人的两条基本的途径。
对于电子信息类专业，大量的专业基础课、专业课，由于其科学性、快速发展性、以及高技术性，与国家的发展战略、国家及区域的经济社会发展紧密相关。
课程内容的逻辑性、学习方法的科学性、学习态度及工作要求的严谨性、思维方式的系统性和辩证性，使得这些课程在教学过程中蕴含着大量的思政元素。
将思政元素充分挖掘出来，有效地融入专业教学之中，可以起到润物细无声的育人效果，根除机械说教带来的负面作用。
实现全体教师、全课程、全课堂、全方位育人，完美体现育人为本、以德为先的课程思政理念，促进学生的全面发展。
1课程定位与存在的问题分析数字信号处理是电子信息工程、通信工程、信息工程等电子信息类本科生的一门专业必修课程，它是信号与线性系统课程的后续课程，为后续的图像信号处理、多媒体信息处理等课程打基础，一般在大学三年级第一学期开设。
它是理论分析与实践操作相结合的重要专业课程，以离散时间信号与系统作为对象，对离散时间信号进行各种分析与处理，包括频谱分析和滤波处理。
数学中的图像处理和信号处理
数学中的图像处理和信号处理随着科技的不断发展，计算机技术已经成为了现代生活中不可或缺的一部分。
而数学中的图像处理和信号处理就是计算机技术的重要组成部分。
它们可以帮助我们更好地理解和分析数字信号，进而提高计算机系统的性能表现。
下面，我们将为大家介绍数学中的图像处理和信号处理。
一、图像处理图像处理是计算机图形学和数字信号处理的分支之一，它主要用于改变或增强图像的特征。
图像处理技术可以帮助我们提高照片的清晰度、增加图像的对比度、减少图像的噪声等，从而使图像更加美观、更有用。
1. 傅里叶变换傅里叶变换是一种非常常见的图像处理技术，其主要作用是将时域信号变换为频域信号。
这种变换可以帮助我们查找特定频率的信号，在图像处理中有着广泛的应用。
2. 图像滤波图像滤波是图像处理的一种常见方法，它包括低通滤波和高通滤波两种类型。
低通滤波可以帮助我们减少图像的噪声，提高图像的清晰度；而高通滤波则可以帮助我们增加图像的对比度。
3. 边缘检测边缘检测也是图像处理中的一种常见技术，它可以帮助我们分析图像中的主要特征。
通过边缘检测，我们可以检测到图像中的线条、边缘、轮廓等，从而得到更准确的图像信息。
二、信号处理信号处理是另一种与图像处理相关的数学技术，它主要用于处理数字信号，如声音信号和视频信号。
信号处理可以帮助我们清晰了解信号的结构和特征，从而提高计算机的性能表现。
1. 离散傅里叶变换离散傅里叶变换是信号处理中一种常用的技术，与傅里叶变换类似，其主要作用是将时域信号转换为频域信号。
离散傅里叶变换可以帮助我们更好地分析声音或视频信号中各频率成分的特征。
2. 数字滤波器数字滤波器是信号处理中常用的一种技术，它可以帮助我们滤除图像或声音信号中一些无用的成分，提高信噪比。
数字滤波器主要分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种类型。
3. 时域和频域分析时域和频域分析是信号处理中的重要概念。
时域分析主要用于分析信号在时间上的变化规律，而频域分析则用于研究信号在频率上的变化规律。
第4章多媒体技术与应用图像处理教程
图象的大小.
像素深度
指存储每个象素所用的位数，图像深度用来确定彩色 图像的每个像素可能有的颜色数 。
真彩色、伪彩色与直接色
✓真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有r，g，b三个基色分量， 每个基 色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。 真彩色图通常是指r：g：b =8:8:8，即图像的颜色数等于2的24次方，也常称为全彩色 (full color)图像。
4.1.2色彩模型
CMYK 颜色模式 Lab 颜色模式 HSB 颜色模式
就是针对印刷设计出的一种色彩模式. 由品红,品黄,品蓝,黑色组成. 当颜色相互叠加后产生黑色,反之为白色, 成为减色法.
就是通过2个色调参数A(由绿到红的光 谱变化),B(由蓝到黄的光谱变化)和一个 光亮强度(0-100)来控制色彩. 当RGB和CMYK转换时需先转换为Lab 模式来减少转换中的损耗.
1.新建图像文件 新建文件->photoshop新建窗口
2.存储图像文件
3.打开图像文件
调整图像大小: 图像-> 图像大小
调整画布大小:
图像->画布大小
4.4.3 图像基本编辑操作
1.图像的选取（Photoshop图像选区）
(1)选框工具组 选框工具组
样式列表
(2)套索工具组
(3)魔棒工具与“色彩范围”命令 魔棒工具组
Photoshop是平面图像处理业界霸主Adobe公司推出的 跨越PC和MAC两界首屈一指的大型图像处理软件。
Photoshop支持众多的图像格式，对图像的常见操作和变换 做到了非常精细的程度，使得任何一款同类软件都无法望其 颈背;它拥有异常丰富的插件(在Photoshop中叫滤镜) 。
第4讲-图像信号处理PPT课件
态图像以及动态图像（Video）处理算法的基础 。
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3.1.4 彩色全电视信号
1. 黑白全电视信号 3. 彩色全电视信号
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23
电视摄像机是一种广泛使用的视频和 图像的输入设备，它能将景物、图片等光 学信号转变为全电视信号，目前主要有黑 白和彩色两种摄像机。
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4. 数模转换和矩阵变换 这部分由两个器件组成，即D/A转换器
SAA9065和视频信号处理器TDA4680。 5. 视频信号和VGA信号的叠加
由于两路信号均为模拟信号，因此使 用了模拟开关电路实现两信号的叠加。
色键：Color Key
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6. 数字式多制式视频信号编码部分
这部分只选用了数字或多制式视频 信号编码器SAA7199。它是以数字方式 进行视频信号编码的编码器，支持PAL 和NTSC 两种制式。
。的 有相差位别上。的U信。号在的PA调L制制与系N统T中SC，制调相制同情，况而略V
信号的调制是：第一行调制在90。的相位上 （与NTSC制相同，称为NTSC行）；下一行 （同隔行扫描是下面的第三行）调制在270。 的相位上（称为PAL行）；再下一行又回到 90。的相位上。按此顺序，V信号调制相位 逐行倒相180。
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3.1.4 黑白和彩色全电视信号
1. 黑白全电视信号 3. 彩色全电视信号
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1. 黑白全电视信号
全电视信号主要由三个部分组成：
图像信号
复合消隐信号
复合同步信号
-
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从时间上看全电视信号：
每行时间为 64 μs
图像
53.2µs
数字图像处理(冈萨雷斯)-4_fourier变换和频域介绍(dip3e)经典案例幻灯片PPT
F (u,v)
F *(u, v)
f ( x ,y ) ☆ h ( x ,y ) i f f t c o n j F ( u , v ) H ( u , v )
h(x,y):CD 周期延拓
PAC1
h:
PQ
QBD1
DFT
H (u,v)
F*(u,v)H(u,v)
IDFT
R(x,y):PQ
✓ 使用这组基函数的线性组合得到任意函数f，每个基函数的系 数就是f与该基函数的内积
图像变换的目的
✓ 使图像处理问题简化； ✓ 有利于图像特征提取； ✓ 有助于从概念上增强对图像信息的理解；
图像变换通常是一种二维正交变换。
一般要求： 1. 正交变换必须是可逆的； 2. 正变换和反变换的算法不能太复杂； 3. 正交变换的特点是在变换域中图像能量将集中分布在低频率 成分上，边缘、线状信息反映在高频率成分上，有利于图像处理
4.11 二维DFT的实现
沿着f(x,y)的一行所进 行的傅里叶变换。
F (u ,v ) F ( u , v ) (4 .6 1 9 )
复习：当两个复数实部相等,虚部互为相 反数时,这两个复数叫做互为共轭复数.
4.6
二维离散傅里叶变换的性质
其他性质：
✓尺度变换〔缩放〕及线性性
a f( x ,y ) a F ( u ,v ) f( a x ,b y ) 1 F ( u a ,v b ) |a b |
域表述困难的增强任务，在频率域中变得非常普通
✓ 滤波在频率域更为直观，它可以解释空间域滤波的某些性质
✓ 给出一个问题，寻找某个滤波器解决该问题，频率域处理对 于试验、迅速而全面地控制滤波器参数是一个理想工具
✓ 一旦找到一个特殊应用的滤波器，通常在空间域用硬件实现
研究生电子工程教案：数字信号处理的理论与实践
研究生电子工程教案：数字信号处理的理论与实践1. 引言•介绍数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）的概念和应用领域。
•阐述数字信号处理在现代电子工程中的重要性和广泛应用。
2. 数字信号处理基础2.1 数字信号与模拟信号•解释数字信号与模拟信号的区别和特点。
•讲解模拟到数字信号的转换过程。
2.2 采样定理•解释采样定理的原理和条件。
•探讨采样率对数字信号处理的影响。
2.3 快速傅里叶变换（FFT）•介绍快速傅里叶变换算法及其应用。
•讲解FFT在频域分析和滤波器设计中的作用。
3. 数字滤波器设计3.1 FIR滤波器•解释FIR滤波器的结构和工作原理。
•探讨FIR滤波器设计方法和性能评估指标。
3.2 IIR滤波器•解释IIR滤波器的结构和工作原理。
•讲解IIR滤波器设计方法和性能评估指标。
3.3 滤波器设计工具•介绍常用的数字滤波器设计工具和软件。
•示范如何使用特定工具进行滤波器设计和验证。
4. 数字信号处理应用案例4.1 语音信号处理•讨论语音信号的特点和数字处理方法。
•探讨语音信号压缩、降噪和增强等应用案例。
4.2 图像信号处理•分析图像信号处理的基本原理和技术。
•示范图像处理中的滤波、边缘检测及图像增强方法。
4.3 音频信号处理•阐述音频信号数字化与处理的过程。
•探讨音频效果器、均衡器等音频处理应用案例。
5. 实验与项目设计5.1 数字滤波器实验•完成一项关于FIR或IIR滤波器的实验项目。
•分析结果并讨论实验中遇到的问题与解决方案。
5.2 数字信号处理项目设计•设计一个涉及数字信号处理的电子工程项目。
•提供详细步骤和流程，并阐述预期结果和意义。
6. 结束语•总结数字信号处理的重要性和应用领域。
•强调继续深入学习和研究数字信号处理的必要性。
以上内容为《研究生电子工程教案：数字信号处理的理论与实践》的大致框架，详细内容可根据需求进一步完善。
数字图像处理ch01(MATLAB)-课件
2024/10/12
第一章 绪论
17
2024/10/12
第一章 绪论
18
2024/10/12
第一章 绪论
19
2024/10/12
第一章 绪论
20
<2>几何处理
放大、缩小、旋转，配准，几何校正，面积、周长计算。
请计算台湾的陆地面积
2024/10/12
第一章 绪论
21
<3>图象复原
由图象的退化模型，求出原始图象
图像处理是指按照一定的目标，用一系列的操 作来“改造”图像的方法.
2024/10/12
第一章 绪论
7
➢图象处理技术的分类(从方法上进行分类)[2]
1．模拟图象处理（光学图像处理等）
用光学、电子等方法对模拟信号组成的图像，用光学器 件、电子器件进行光学变换等处理得到所需结果（哈哈 镜、望远镜，放大镜，电视等）.
2024/10/12
第一章 绪论
22
<4>图象重建[3]
[3]此图像来自罗立民，脑成像，
2024/10/12
第一章 绪论
23
/zhlshb/ct/lx.htm
2024/10/12
第一章 绪论
图形用户界面，动画，网页制作等
2024/10/12象处理的基本概念，和基 本问题，以及一些典型的应用。
2024/10/12
第一章 绪论
33
提问
摄像头(机),扫描仪,CT成像装置,其他图象成像装置
2)图象的存储
各种图象存储压缩格式(JPEG,MPEG等),海量图象数据库技术
3)图象的传输
内部传输(DirectMemoryAccess),外部传输(主要是网络)
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图3.19视频信号获取器诊断调试软件框图
3.20
3.3 视频信号的实时处理
3.3.1 视频数字信号快速处理器的作用 3.3.2 基于DSP的视频信号快速处理器 3.3.3 流水线结构的图像处理机
3.3.1 视频数字信号快速处理器的作用
数学运算 ： （1）点处理
（2）二维卷积运算
（5）统计量计算
3.1.4
彩色全电视信号
1. 黑白全电视信号 3. 彩色全电视信号
电视摄像机是一种广泛使用的视频和 图像的输入设备，它能将景物、图片等光 学信号转变为全电视信号，目前主要有黑 白和彩色两种摄像机。
3.1.4 黑白和彩色全电视信号
1. 黑白全电视信号 3. 彩色全电视信号
1. 黑白全电视信号
全电视信号主要由三个部分组成： 图像信号 复合消隐信号
用YUV和YIQ的好处：
(1). 亮度信号Y解决了彩色电视机与黑白电 视的兼容问题。 (2). 大量实验表明，人眼对色差信号不敏 感，而对亮度信号特别敏感。
Y 带宽4.43MHz（PAL） （因为敏感） U、V 带宽1.3MHz (因为不敏感)
(4). 量化比例
由于人眼对亮度信号敏感，选择 量化的比例为： Y:U:V= 8:4:4 Y:U:V= 8:2:2 Y:U:V= 8:8:8
度
饱和度 色调 黄 橙
红
黑
图3.4 颜色立体图
4. 其它彩色空间表示
• 彩色空间表示还有很多种，如CIE（国际照明委员会）
制定的CIE XYZ，CIE LAB彩色空间，CCIR（ Consultative Committee International Radio）制定的 CCIR601-2YCbCr彩色空间。 • 按照CCIR601-2建议，欧洲电视专家组将非线性的RGB 信号编码成YCbCr，编码过程开始是先采用符合 SMPTE-CRGB（它定义了三种荧光粉及一种参考白光 ，应用于演播室监视器及电视接收机标准的RGB）基 色作为校正信号。非线性RGB信号很容易与一个常量 矩阵相乘而得到亮度Y和两个色差信号Cb和Cr。靠近 中心轴的彩色，其亮度信号与CIEXYZ的Y成分的r校正 形式非常接近，CCIR601-2YCbCr通常在图像压缩时选 作彩色空间，而在通信中是一种非正式标准。
图3.8示出了PAL制的平衡正交调制的L制色度信号Ch的表达式 Ch = UsinωSCt + S(t)VcosωSCt （3.16） 式中，S(t)称为PAL开关函数，它是双极性矩形脉冲，其重 复周期为行周期Th的两倍，幅度为+1和-1。PAL开关函数S(t) 代表PAL制系统的根本特征，它的引入相当有效地克服了 NTSC制系统中对信道微分相位敏感的缺点，这是PAL制取得 成功的原因。
复合同步信号
从时间上看全电视信号：
每行时间为 64 μs
图像
行消隐 行同步信号
53.2µ s
11.8µ s 4.7 μs
行延迟
1.3 μs
一帧 = 奇数场 + 偶数场 625行= 313.5 + 313.5 场消隐 = 25 64 + 11.8 = 1600 + 11.8 = 1611.8 μs
（4）坐标变换
（3）二维正交变换
• 举一个简单的例子，一个装配机器人的视觉系统，要
在传送带上识别出所要的机械零件，确定该零件的位 置，然后命令机械手把它抓起来，根据已有的装配工 艺知识进行装配。相对来说，这是一个比较简单的计 算机视觉问题，其计算理论及算法已经解决。具体的 作法是计算机把摄像机摄到的图像数字化成一幅512 × 512 × 8bit的数字图像，然后把图像上的零件分割 出来，抽取特征，进行识别匹配，确定几何位置，最 后，命令机械手完成抓取和装配的任务。处理一幅512 × 512 × 8bit的图像，把零件和背景、零件和零件分 割出来的典型运算是进行 3 × 3的卷积（Sobel算子） 。如果卷积是实时的（25帧/s），则运算速度要求为 ： • 512 × 512 × 9 × 2 × 25/s＝ 118MOPS
这部分只选用了数字或多制式视频 信号编码器SAA7199。它是以数字方式 进行视频信号编码的编码器，支持PAL 和NTSC 两种制式。
2018/8/8
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3.2.3 视频信号获取器的 诊断和驱动软件
在设计制造视频信号获取器的过程 中，为了调试硬件的正确性，并给用户 提供方便的编程环境，还需要设计：诊 断软件、在DOS和Windows环境下的演 示软件，应用软件以及库函数。
3.1.2 彩色空间
1. RGB彩色空间 显示器需要的彩色空间 2 . YUV 和 YIQ 彩色空间 PAL 制式使用YUV 彩色空间 NTSC制式使用YIQ彩色空间 3. HSI彩色空间 4. 其它彩色空间表示
Y是亮度，UV和IQ是色差
1. RGB 空间
任意颜色的光F，其配色方程可写成： F= r[R]+ g[G]+b[B] 其中r、g、b 为三个系数 r[R]、g[G]、b[B]为F色光的三色分量
R G B
3. HSI空间 H：Hue S： Saturation I： Intensity 代表色调（纯度、颜色） 代表饱和度 代表亮度
HSI彩色空间与RGB彩色空间之间的转换
例: 黄色=>蓝色
RGB处理 黄 蓝 黄 HSI处理 蓝
红 143 绿
31 31
色调 60 饱和度 180 亮度 105 HSI值 组成黄色像素 色调值60 饱和度180 亮度105
三基色(RGB)的原理：
自然界常见的各种颜色光，都是由红(R)、 绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成， 同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝 三种色光，这就是色度学中最基本的原理— 三基色原理。
红色+绿色=黄色
红色+蓝色=品红
绿色+蓝色=青色
红色+绿色+蓝色=白色
RGB和黑白电视信号不兼容，希望 空中发射的信号转换成YUV信号。 当白光的亮度用Y来表示时，它和 红、绿、蓝三色的关系可用如下方程描 述： Y=0.299R+0.587G+0.114B
1. A/D变换和数字解码 3. 窗口控制器 3. 帧存储器系统 4. 数模转换和矩阵变换 5. 视频信号和VGA信号的叠加 6. 数字式多制式视频信号编码部分
2018/8/8 36
图3.10 多媒体计算机视频信号获取器总体框图
2018/8/8 37
1. A/D变换和数字解码
图3.11 视频模拟输入接口TDA 8708原理方框图
最后将亮度、复合同步信号混合放大 ， 形成PAL制彩色全电视信号。以100%幅度 和100%饱和度(简写为100/100)的彩条信号 为例的彩色全电视信号如图所示。
在75欧负载上 ，100/100彩 条的彩色全电 视信号各部分 的电平标准（ 输入信号R、 G、B、幅度 为0.7V时)
3.2.1 视频信号获取器的工 作原理
240 180 105
255 143 RGB值 组成黄色像素 31 红色值143 绿色值143 蓝色值31 蓝 新的RGB值 组成蓝色像素 红色值31 绿色值31 蓝色值255
新的HSI值 组成蓝色像素 色调值240 饱和度180 亮度105
• 多媒体计算机系统涉及到多种彩色空间，在CD-I
系统中，支持的图像格式、视频方式有DYUV、 RGB5:5:5、CLUT8、CLUT7、CLUT4、RL7以 及RL3。其中DYUV方式与CCIR601-2YCbCr有 密切联系；RGB5:5:5方式采用RGB彩色空间， RGB每个分量占用5位；CLUT8、CLUT7、 CLUT4、RL7以及RL3采用的也是RGB彩色空间 ，它用彩色查找表（Color Look-up Table-CLUT ，也叫调色板）进行映射和解码。在DVI系统中 采用YUV彩色空间，它所支持的图像格式又涉及 到YIQ、RGB彩色空间，其中RGB支持8位、16 位和24位。综上所述，搞清楚彩色空间表示以及 它们之间的转换，是多媒体计算机彩色图形、静 态图像以及动态图像（Video）处理算法的基础 。
3.1.3 彩色空间的转换其实现技 术
RGB与YUV和YIQ之间的转换 HSI空间与RGB之间的转换
1. RGB与YUV和YIQ之间的转换
Y 0.3 0.59 0.11 U = -0.15 -0.29 0.44 V 0.61 -0.52 -0.096 R G B
Y I = Q
0.3 0.59 0.11 0.6 -0.28 -0.32 0.21 -0.52 0.31
3. HSI彩色空间
• 在HSI彩色空间中，人们常用H、S、I3个
参数描述颜色特性，其中H表示色调（ Hue），S表示颜色的饱和度（Saturation ），I表示光的强度（Intensity）。用一 个三维空间的枣形立体图（见图3.4）， 可以把颜色的这三个参量的特性更加形 象的表示出来。
白
亮 和 蓝 蓝绿 绿 绿黄 亮度 绿蓝 紫
场同步 = 3 64 = 192 μs
全电视信号
3.1.4 黑白和彩色全电视信号
1. 黑白全电视信号 3. 彩色全电视信号
3. 彩色全电视信号
在现代彩色电视系统中，通常采用 YUV彩色空间或YIQ彩色空间，Y为亮度信 号，它可以与黑白全电视信号兼容，U和V 用载波频率ωSC调制加到亮度Y上，最后形 成彩色全电视信号，如下式所示： CVBS = Y + UsinωSCt + S (t)VcosωSCt
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4. 数模转换和矩阵变换 这部分由两个器件组成，即D/A转换器 SAA9065和视频信号处理器TDA4680。 5. 视频信号和VGA信号的叠加 由于两路信号均为模拟信号，因此使 用了模拟开关电路实现两信号的叠加。 色键：Color Key