3.1.6　图像通信技术

图像通信是传送和接收图像信号或称为图像信息的通信。它与目前广泛使用的声音通信方式不同，传送的不仅是声音，而且还有看得见的图像、文字、图表等信息，这些可视信息通过图像通信设备变换为电信号进行传送，在接收端再把它们真实地再现出来。可以说图像通信是利用视觉信息的通信，或称它为可视信息的通信。

1．图像信号的基本概念

图像是当光辐射能量照在物体上经过反射或透射，或由发光物体本身发出光的能量，在人的视觉器官中所重现出的物体的视觉信息。图像源于自然景物，其原始的形态是连续变换的模拟量。与文字、语音信息相比较，图像信息主要具有图像信息的信息量大、图像的直观性强、图像信息的模糊性、图像的实体化和形象化等特点。

（1）图像信号的分类

按图像的存在形式分类，可分为实际图像与抽象图像。

1）实际图像

通常为二维分布，又可分为可见图像和不可见图像。

·可见图像：指人眼能够看到并能接受的图像，包括图片、照片、图、画、光图像等。

·不可见图像：如温度、压力、高度和人口密度分布图等。

2）抽象图像

如数学函数图像，包括连续函数和离散函数。按照图像亮度等级分类，可分为二值图像和灰度图像。

·二值图像：只有黑白两种亮度等级的图像。

·灰度图像：有多种亮度等级的图像。

3）按照图像的光谱特性分类

可分为彩色图像和黑白图像。

·彩色图像：图像上的每个点有多于一个的局部性质，如在彩色摄影和彩色电视中重现的所谓三基色（红、绿、蓝）图像，每个像点就有分别对应3个基色的3个亮度值。

·黑白图像：每个像点只有一个亮度值分量，如黑白照片、黑白电视画面等。

4）按照图像是否随时间而变换分类

可分为静止图像与活动图像。

·静止图像：不随时间而变换的图像，如各类图片等。

·活动图像：随时间而变换的图像，如电影和电视画面等。

5）按照图像所占空间的维数分类

可分为二维图像和三维图像。

·二维图像：平面图像、如照片等。

·三维图像：空间分布的图像，一般使用两个或者多个摄像头来成像。

（2）数字图像处理

数字图像处理指的是用计算机对图像信息进行处理的一门技术，使利用计算机对图像进行各种处理的技术和方法，主要分为以下几种。

1）图像变换

由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）。

2）图像增强

图像增强和复原的目的是提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化低频分量可减少图像中噪声影响。

3）图像复原

在图像获取的过程中，由于目标的高速运动、系统畸变、介质散射、噪声干扰等因素，会导致图像质量的退化。图像复原就是对退化的图像进行处理，使它趋于原物体的理想图像，即减去或减轻在图像处理过程中造成的图像质量的下降。

4）图像分割

图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。要分割到何种程度，要视具体问题而定。如将航空照片分割得到城市、水域、农田、道路、森林等，将车牌图像分割为背景和字符等。

5）图像压缩编码

图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。

（3）图像处理系统

数字图像处理系统主要由5个部分（模块）组成，即图像输入（釆集）模块，图像输出（显示）模块，图像存储模块，存取、通信模块，图像处理模块。

1）图像输入（釆集）模块

主要负责图像的采集，将景物或模拟图像转换为数字图像，供图像处理设备进行处理。目前最常用的数字图像输入设备主要有图像扫描仪、数码照相机和数码摄像机以及相应的计算机接口卡（图像采集卡）构成的摄像输入设备。

2）图像输出（显示）模块

主要是将图像的处理结果显示给用户。常见的图像输出（显示）设备有电视、显示器、彩色打印机、彩色绘图仪等。

3）图像存储模块

由于图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图像处理中大容量和快速的图像存储设备是必不可少的。图像存储分为在线存储、离线存储、近线存储等多种形式。

·在线存储是指存储设备和所存储的数据时刻保持“在线”状态，可供用户随意读取，满足计算平台对数据访问的速度要求，就像PC机中常用的磁盘存储模式一样。一般在线存储设备为磁盘和磁盘阵列等存储设备，价格相对昂贵，但性能较好。

·离线存储是对在线存储数据的备份，以防范可能发生的数据灾难。离线存储的数据不常被调用，一般也远离系统应用，所以人们用“离线”来生动地描述这种存储方式。离线存储介质上的数据在读写时是顺序进行的。当需要读取数据时，需要把磁带卷到头，再进行定位。当需要对已写入的数据进行修改时，所有的数据都需要全部进行改写。因此，离线存储的访问速度慢、效率低。离线存储的典型产品是磁带库，价格相对低廉。

·近线存储主要定位于客户在线存储和离线存储之间的应用。近线存储是指将那些并不是经常用到，或者说数据的访问量并不大的数据存放在性能较低的存储设备上。但同时对这些的设备要求是寻址迅速、传输率高（例如客户一些长期保存的不常用的文件的归档）。因此，近线存储对性能要求相对不高，但又要求较好的访问性能。同时多数情况下由于不常用的数据在总数据量中占有比较大的比重，这也就要求近线存储设备需要较大的容量。

4）图像通信模块

图像通信模块主要负责图像的通信，即将图像传输到远端。在进行图像通信前通常要对图像进行压缩编码，以节约数据量，便于传输。

5）图像处理模块

图像处理模块主要是对图像进行相应的处理（如图像压缩编码、图像增强等），以便进行下一步的图像输出或者通信，它是图像处理系统的核心模块。

（4）图像质量的评价

图像质量评价是对图像压缩与处理系统优劣的评价。对于图像质量的评价，除了对系统进行客观的数值测试外，还应考虑人的视觉心理等主观因素。图像质量的含义包括图像的逼真度和可懂度。目前对图像质量的评价方法主要有主观评价和客观测量。

·主观评价：最常用也是最直接的图像质量评价方法，因为主观评价直接反映人眼的感觉。

·客观测量：基于仿人眼视觉模型的原理对图像质量进行客观评估，并给出客观评价分。目前已经有很多客观测量的方法和工具不断被开发出来。客观测量的方法又分为相对评估和绝对评估，其中相对评估是把处理过的图像与原始图像相对比获得相对评估的指标值，并根据这些指标值评估图像质量。而绝对评估是直接对处理后的图像进行评估以获得绝对评估的指标值来评估图像质量，准确性一般不如相对评估。

2．数字图像通信系统的结构

数字图像通信系统的结构组成主要有图像输入设备、编码器、调制器、信道和图像输出设备组成。

（1）图像输入设备

常见的图像输入设备有数码相机、摄像机、扫描仪等，都可以产生静态或者动态图像的基带信号。

（2）编码器

编码器分为信源编码器和信道编码器两部分。其中，信源编码器用于去除或减少图像信息中的冗余度，压缩信息量为了得到更好的信道传输，提高传输效率。而信道编码器主要解决的是误码问题，在信息中加入检错码或者纠错码，能够让接收端能够判断传输过程中是否出错并能够进行纠错，确保传输图像的质量。

（3）调制器

把图像输入设备产生的基带信号转换成适合在信道中传输的模式。

（4）信道

一般理解为传输的路径和通路，例如无线微波信道、光纤信道、电缆信道、卫星信道等。

（5）图像输出设备

常见的图像输出设备有显示器、打印机、传真接收机等，它是显示图像的部分。

3．图像通信系统的应用

随着计算机、数字通信、数字图像通信技术发展，图像通信方式越来越多，图像通信应用范围日益扩大，图像传输的有效性和可靠性不断改善。目前，已经出现或正在出现的图像通信领域的应用系统主要有会议电视系统、可视电话系统、远程图像通信系统等。

（1）会议电视系统

会议电视系统是指两个或两个以上不同地方的个人或群体，通过传输线路及多媒体设备，将声音、影像及文件资料互传，实现即时且互动的沟通，以实现会议目的的系统设备。视频会议的使用有点像电话，除了能看到通话的人并进行语言交流外，还能看到他们的表情和动作，使处于不同地方的人就像在同一房间内沟通。

国际电信联盟对于会议电视系统及其兼容性的技术进行了规范，在这些基本的协议中，同时对语音、视频、数字信号的编码格式，用户控制模式等都进行了相关的规定。ITU-T制定的适用于视频会议的标准有H.320协议（用于ISDN上的群视频会议）、H.323协议（用于局域网上的桌面视频会议）、H.324（用于电话网上的视频会议）、H.310（用于ATM和B-ISDN网络上的视频会议）和H.264（高度压缩数字视频编解码器标准）。其中，H.323协议成为目前应用最广最通用的协议标准，而H.264是目前最先进的网络音视频编解码技术。

会议电视系统的基本组成部件由终端设备、多点控制单元MCU、传输网络等组成。

（2）可视电话系统

可视电话是利用电话线路实时传送人的语音和图像的一种通信方式。可视电话系统由语音处理部分、图像信号输入部分、图像信号输出部分以及核心图像信号处理部分所组成。可视电话系统要实现互联互通就必须遵循统一的标准。ITU-T的H.324系列标准是可视电话系统的标准。

（3）远程图像通信系统

远程图像通信是传送和接收图像信号或称为图像信息的通信。它与目前广泛使用的声音通信方式不同，传送的不仅是声音，而且还有看得见的图像、文字、图表等信息，这些可视信息通过图像通信设备变换为电信号进行传送，在接收端再把它们真实地再现出来。可以说图像通信是利用视觉信息的通信，或称它为可视信息的通信。其中远程图像通信系统最典型的应用就有远程教育系统。

远程教育系统的目的是实现个性化、因材施教的高效教学方式，是对传统教学模式的一次革命。它突破了传统“面授”教学的局限，为求知者提供了时间分散、自由安排学习、资源共享、地域广阔、交互式的学习创新方式。远程教育系统从系统功能层次上可分为管理控制层、系统核心层、教学用户接入层3个部分。其中管理控制层主要是完成网络设备的管理、远程教育用户的管理以及业务的管理3方面的功能。它负责整个远程教育业务的管理和网络资源的调度，使得用户可以灵活地使用远程教育业务。系统核心层完成远程教育中图像、语音、数据的交换，提供教学会场多点控制、电子白板讨论、应用软件共享、媒体流的直播与点播等功能，使教师教学和学生上课、自习、测试完全实现电子化。用户接入层是指利用多种视音频终端产品组建用户学习环境。