10262图形图像处理与现代模式识别综合实验教程190402

研究生教材
图形图像处理与现代模式识别
综合实验教程
郝建新、邹焕新、汤晓安、刘 方、余 莉 编著
前言
图形图像处理与现代模式识别是信息处理科学的重要内容，涉及的理论、方法及算法十分丰富，要理解和掌握好这些知识，实践是非常重要的环节。

不仅要学习图形处理与显示、图像分析与处理、现代模式识别等方面的基础理论、基本方法、算法原理，更重要的是要综合运用这些理论、方法和算法来分析和解决实际问题。

“图形图像处理与现代模式识别综合实验”是一门综合性的硕士研究生实验课程，主要针对信息与通信工程等相关学科的硕士研究生。

开设研究生综合实验课程是一件新生事物，有利于研究生教育的课程学习阶段与课题研究阶段的衔接，有利于研究生扩展知识面和提高综合应用的实践能力及创新能力。

本实验教材在结构上分为单元实验和综合实验两部分。

单元实验部分主要针对相应的课程，而综合实验部分着重培养学生的综合应用能力和创新能力。

在内容设计上，具有开放性、综合性高的特点，为师生构建了良好的教、学平台，使学生加深对图形图像处理和现代模式识别的基本理论、方法的理解，具备相关领域的基础实践能力和技能。

在编写过程中，得到了院、系领导的支持和同志们的帮助，表示衷心感谢。

由于时间仓促，书中难免有错误和不妥，敬请批评指正。

编 者
2009年8月
目 录
绪 论 (1)
1图形图像处理与现代模式识别综合实验课程的作用 (1)
2本综合实验课程教学的目的和要求 (1)
3本实验课程实验单元及项目的组织与要求 (2)
4实验平台与主要实验设备简介 (2)
第一章 数字图像采集 (4)
1.1图像获取实验 (4)
1.2不同传感器成像特性差异性、互补性分析实验 (10)
1.3地面可视环境信息获取实验 (14)
第二章 图像增强与图像恢复算法分析与设计 (16)
2.1图像灰度变换实验 (16)
2.2图像平滑与锐化实验 (18)
2.3散焦模糊图像的恢复实验 (23)
第三章 图像变换和图像数据压缩方案设计与实现 (26)
3.1图像傅立叶变换与应用实验 (26)
3.2图像数据压缩实验 (28)
第四章 特征提取与选择 (33)
4.1基于类别可分性判据实验 (33)
4.2分支定界法（BAB算法）实验 (36)
4.3离散K-L变换实验 (38)
第五章 模式分类技术的实现与分析 (42)
5.1ISODATA(迭代自组织数据分析)算法实验 (42)
5.2H-K（H O-K ASHYAP）算法实验 (45)
5.3B AYES分类器实验 (48)
5.4句法模式识别实验 (50)
5.5模糊C-均值算法（FCM）实验 (52)
第六章 图像基础融合算法的分析与实现 (57)
6.1多源图像特性对比与图像融合增强实验 (57)
6.2多源图像配准实验 (61)
6.3多源图像特征融合提取实验 (64)
6.4多源图像融合性能评估实验 (67)
第七章 图形生成处理及人机交互的设计与实现 (70)
7.1曲线与曲面的生成实验 (70)
7.2军标符号的生成与控制实验 (74)
7.3真实感图形生成与人机交互实验 (78)
第八章 信息可视化 (83)
8.1地理信息可视化实验 (83)
8.2复杂场景的建模与绘制实验 (86)
8.3电磁环境可视化实验 (88)
第九章 综合实验 (92)
9.1生物特征提取与识别系统设计综合实验 (92)
9.2多时相遥感图像变化检测综合实验 (94)
9.3复杂战场环境建模、仿真与推演综合实验 (97)
绪 论
1 图形图像处理与现代模式识别综合实验课程的作用
随着高等教育以及现代科学技术的不断发展，对人才培养提出了更高的要求，不但要求学生具有较强的理论功底，还要求学生具有较强的观察能力、分析能力、操作能力、思维能力、自学能力及科研创新能力。

特别是在研究生教育中，更注重学生的基础理论知识、综合应用能力与创新能力的培养，而研究生的综合实验训练是研究生综合应用能力与创新能力培养不可缺少的环节。

“图形图像处理与现代模式识别” 是一门综合性的硕士研究生实验课程，主要针对以下学科、方向的硕士研究生：信息与通信工程、电子科学与技术、摄影测量与遥感等学科，重点支持图形与图像处理技术、计算机视觉与智能信息处理、信息处理与信息系统技术、数字摄影测量、遥感信息处理、地理空间信息处理等研究方向。

其内容涉及信息与通信工程等相关学科研究生的多门主干课程：现代模式识别、数字图像分析、计算机图形学及应用等。

这些课程的特点是理论性强，算法多，内容丰富且更新快。

相关的基础理论知识、算法原理及实现方法仅通过课堂教学和阅读资料是难以深刻理解和掌握的，有必要通过一些针对性强的单元实验和综合实验项目的训练，结合具体的实际问题进行分析与处理，加强对课程内容、算法原理及具体实现方法的理解与掌握，提高综合运用信息与通信工程基础理论及相关学科知识解决工程实际问题的能力。

开设研究生实验课程有利于研究生教育的课程学习阶段与课题研究阶段的衔接，有利于本学科相关研究方向的研究生扩展知识面，提高独立分析问题和解决问题的实践能力及创新能力，为进入课题研究阶段打下良好的基础。

2 本综合实验课程教学的目的和要求
“图形图像处理与现代模式识别” 综合实验课程主要针对课程学习阶段后期的研究生，是本学科多门主干课程教学内容的延伸，注重研究生综合运用相关课程的基础理论知识与算法原理、结合实际问题开展研究的实践能力的培养。

本课程教学的目的是：在本学科多门主干课程课堂教学的基础上，针对具体的实际问题，通过单元实验和综合实验项目的训练，加深对主干课程教学内容的理解，掌握科学实验的方法，增强本门学科知识综合应用的实践能力和创新能力。

本实验课程的单元实验和综合实验项目主要是关于图形处理、数字图像分析与处理、现代模式识别等方面的基础理论和各种算法的分析理解及设计实现的训练。

要求学生在实验前认真理解实验项目的内容、要求和算法原理，结合具体问题提出实验步骤和算法实现方案；在实验过程中正确建立所做实验项目的开发环境及算法实现平台，认真设计相关算法实现的步骤和程序，并做好实验过程数据和结果的记录；完成实验后详细分析实验项目各步骤的过程数据及实验结果，撰写规范的实验报告，并解答实验项目的思考题。

3 本实验课程实验单元及项目的组织与要求
为适应本学科相关研究方向的学生选修实验项目的要求，本实验课程采用单元实验和综合实验相结合的方法来组织各实验项目。

目前共设置八个单元实验和一组综合实验，包括29个实验项目。

八个单元实验分别是：⑴ 数字图像采集单元实验（含3个实验项目），⑵ 图像增强与图像恢复算法分析与设计单元实验（含3个实验项目），⑶ 图像变换和图像数据压缩方案设计与实现单元实验（含2个实验项目），⑷ 特征提取与选择单元实验（含3个实验项目），⑸ 模式分类技术的实现与分析单元实验（含5个实验项目），⑹ 图像基础融合算法的分析与实现单元实验（含4个实验项目），⑺ 图形生成处理及人机交互的设计与实现单元实验（含3个实验项目），⑻ 信息可视化单元实验（含3个实验项目），每个实验子项目安排3学时实验时间。

综合实验包括3个实验项目：⑴ 生物特征提取与识别系统设计综合实验， ⑵ 多时相遥感图像变化检测综合实验，⑶ 复杂战场环境建模、仿真与推演综合实验，每个综合实验项目安排6～9学时实验时间。

根据《2009研究生培养方案》关于实验课程的要求，本学科相关研究方向在制定研究生的具体培养方案时，各研究方向可在综合实验项目中选择对应的一个综合实验子项目，其它子项目可在相应的单元实验中选择，建议跨研究方向选择单元实验子项目，有利于学生扩展知识面。

4 实验平台与主要实验设备简介
“图形图像处理与现代模式识别” 综合实验课程的实验平台由通用微机系统、高档图形工作站、图像数据采集设备、图形图像处理软件和网络设备等构成，形成实验室内部局域网，实现教学实践资源的共享，主要支持图形图像处理与现代模式识别相关内容的软件设计与实现方面的实验项目。

针对不同的研究方向及实验单元，设置了以下实验子平台：⑴ 图像数据采集子平台（包括红外成像仪、高速摄像机、图像扫描仪、微光夜视仪、雷达测距器、激光测距器、虹膜摄像机及虹膜识别系统、指纹采集仪以及设备配套的专用软件等），支持图像数据采集单元的实验项目；⑵ 图像处理、分析理解与识别子平台（包括开放式机器视觉开发平台、指纹识别系统及各类专用软件等），支持图像增强与图像恢复算法分析与设计、图像变换和图像数据压缩方案设计与实现、特征提取与选择、模式分类技术的实现与分析、图像基础融合算法的分析与实现单元的实验项目；⑶ 图形处理与可视化子平台（包括高档图形工作站及配套软件、通用图形库、通用图形处理软件等），支持图形生成处理及人机交互的设计与实现、信息可视化单元的实验项目；⑷ 数据计算与存储子平台（包括大容量图像存储设备及通用软件等），支持图像数据采集单元和综合实验的实验项目；⑸ 遥感信息处理子平台（包括多传感器遥感实验数据及遥感图像处理软件等），支持图像数据采集单元和综合实验的实验项目。

主要实验设备简介如下：
1、通用微机系统 方正科技文祥系列E350。

Intel(R)Pentium(R)Dual E2180处理器，2.00GHz 主频，1GB内存，160G硬盘，DVD光驱，Windows XP操作系统。

2、图形工作站 HP xw6600，2个至强 E5405处理器，2000MHz主频，4GB内存，250GB硬盘SATA，DVD刻录机，NVIDIA Quadro FX 1700显卡，512MB显存，高保真集成 Realtek ALC262 音频,6个全长插槽，集成Broadcom 5755 Netxtreme千兆 PCIe局域网，Windows Vista操作系统。

3、红外成像仪 ThermoVison A40M， 24"×18"/0.3m(35mm镜头)视场角/最小焦距，1.3mrad IFOV空间分辨率，在30℃时0.08℃的热灵敏度，手动或自动调焦，50/60Hz帧频，三种探测器类型，7.5～13μm的波长范围，模拟复合视频和8/16位的数字图像输出， -40～+500℃的测温范围， 5种测量模式，读数±2%的精度，0.1～1.0的辐射率校正，根据输入的反射温度自动校正反射环境温度，根据输入的窗口穿透率和温度自动校正窗口，14bit数字化热图的文件格式。

数字图像输出和仪器控制: 6针（IEEE-1394）连接方式，同步处理16位数字图像信号和非同步数据控制，或标准RJ-45以太网连接，处理图像信号（RTP）和数据控制（TCP/IP） BNC 复合视频（NTSC/PAL）。

4、高速摄像机（MG-TC） JAI CV-M4+CL+Corcco 采集卡： 2/3"IT CCD，1392(H)×1040(V)，逐行扫描，帧频24fps，电子快门1/24～1/10000(秒)，外部触发功能，部分读出功能，数字10bit Camera Link 。

PCI PC2-CamLink：PCI-Half-slot rev 2.1,5V和3.3V插槽(32-bit,33MHz)的板卡，使用面扫描和线扫描应用1Base相机进行采集，扫描方式有四种，像素格式有8，10，12，14，16bit。

数据格式：3×8-bit ILUT、采集切割、在PCI传输过程中进行YCrCb转换。

支持Sapera LT和IFC、使用Sapera Processing进行处理和分析、兼容Microsoft Windows NT 4.0和Windows XP、使用Microsoft C/C++ DLLs或Visual Basic开发应用程序。

5、图像扫描仪 清华紫光 Uniscan F20A，平板式扫描仪，CCD扫描元件，最大幅面A4，光学分辨率(dpi):2400×4800，彩色深度48位，扫描速度：20，USB2.0接口，扫描介质：反射稿。

6、微光夜视仪 胜利女神夜视仪523007。

依据弱光增强原理,胜利NV夜视镜能捕捉到裸眼难以胜任的月光、星光和来自于地平线的辐射光。

散射在物体上的微光，经过复杂的技术处理，被加强2万倍后显现在夜视镜的磷光性屏幕上。

放大倍数5.6倍，有效物镜口径62mm，在1000之视野146m，瞳径3.0mm，聚焦轮调整范围+6dpt，曲光度调节±4dpt，可调瞳镜 57～73mm，光线增强20000倍，亮度9.0，最短可视范围5米，有效范围500米。

7、雷达测距器 H-3611，由雷达水位计传感器和接口转换器及测试软件组成。

雷达传感器数据接口为2线制,内置HART通信协议。

通过往水面发射高频雷达波，接收水面反射波，测量到水面的距离。

水位量程：0.5～30米，水位精度：±0.03%，波束开角：10°，数据接口：RS232，工作温度：-40～+80℃，导波喇叭管直径: L=211mm, d=75mm，内部显示: 背光LCD。

8、激光测距仪 日本尼康（NIKON）激光测距仪-Laser1200S型 ，放大率 7 倍；有效孔径25 mm；视场 5.0°；瞳孔3.6mm；眼调节18.6mm；距离显示在LCD屏；量测精度±0.5m；量测范围10 ～ 1100米。

9、指纹采集仪（含SDK2.0） ADEL-FBB-06，通过高速USB接口与计算机联机，采集指纹图像，可形成指纹模板，或进行指纹比对。

指纹图像录入时间小于1.0秒，认假率小于0.001%，拒真率小于1%，工作温度：0～40℃。

10、虹膜摄像机及虹膜识别系统 LG IrisAccess 4000，用于人的双眼识别和面部识别。

设备安装在传统的墙体凹槽内使用。

内部元件：改良的16×变焦 B/W型CCD相机，红外灯2个，相机控制RS232；操作范围： 26cm～36cm，工作温度：0～40℃，转角：+35°/-25°，接口：以太网、USB，ProximityCard读卡器，智能卡阅读器等。

第一章 数字图像采集
图像处理技术和方法的应用对象是图像，图像采集是进行图像处理的基本前提之一。

根据客观需要和应用目的的不同，图像信息可以通过不同的图像获取设备来获得。

本单元实验的目的是培养学生根据具体应用的要求选择适当的图像获取手段、灵活操作图像获取设备的能力。

本单元设置三个实验项目，分别为图像获取实验、不同传感器成像特性差异性、互补性分析实验和地面可视环境信息获取实验。

学生通过图像获取实验，可以掌握利用不同的图像获取设备来采集和存储图像的方法，为后续图像处理实验奠定基础；通过对不同传感器成像特性差异性、互补性的分析，可以了解不同传感器获取图像的异同以及它们的适用范围；通过地面可视环境信息获取实验，可以掌握对视野内的目标进行成像的方法。

1.1 图像获取实验
一、实验目的
通过本实验使学生掌握图像获取设备（成像装置）的概念，了解图像采集在图像处理领域里的重要意义，培养学生根据需要灵活使用不同图像获取设备获取图像的能力。

二、实验内容
利用图像扫描仪、红外成像仪、微光夜视仪、高速摄像机、指纹采集仪（含SDK2.0）、虹膜摄像机等获取图像并存储。

三、实验原理、方法和手段
1、实验原理
不同的图像获取设备具有各自不同的成像方式。

通常情况下，这些图像获取设备均需连接至计算机，并在相应的专用图像采集和处理软件的支持下才能采集和存储图像。

2、实验方法和手段
图像采集设备通常包括图像扫描仪、红外成像仪、微光夜视仪、高速摄像机、指纹采集仪（含SDK2.0）、虹膜摄像机等。

⑴ 图像扫描仪
图像扫描仪是图像采集设备中一种比较简单但又十分重要的设备。

使用扫描仪获取图像，若要想得到比较好的扫描品质，首先要尽可能多地掌握自己所用扫描仪的性能，根据扫描原稿的情况及当前的用途对扫描参数进行合理地调整，其次还得掌握一定的扫描技巧，这二者缺一不可。

下面以常见的平板扫描仪为例，介绍使用图像扫描仪获取图像的步骤：
z调整好显示器
扫描仪在使用之前，首先应调整好显示器。

扫描仪出厂时设定的缺省值与显示器的参数不太可能相同，为了能准确预览扫描效果，应使扫描仪与显示器的亮度、色彩等参数保持一致，否则扫描出来的图像不是太亮就是太暗，还可能导致色彩不平衡甚至色彩失真，无法保证扫描图像的质量。

z调整图像的亮度和对比度
图像的亮度是指一幅图像中亮调和暗调的平衡。

对于灰阶和彩色图像来说，如果亮度太高，会
使图像看上去发白；亮度太低，则又太黑。

这时应拖动亮度滑动条上的滑块，使图像的亮度适中。

图像对比度是指图像中最暗调和最亮调之间的差异范围。

对比度过大或过小都将使图像层次减少，高的对比度使图像看上去像影印件那样发硬，低的对比度使图像平淡发软。

此时应选择合适的对比度。

z调整图像的伽玛曲线
通过调整图像的伽玛(Gamma)曲线，可以调整彩色图像和灰阶图像的中间调或者中间灰度层次。

伽玛曲线显示出原图像与处理结果之间的像素亮度变化。

刚打开曲线对话框时，由于输入和输出图像完全一样，因此是一条对角线。

图形的X轴代表原图像的像素亮度，Y轴代表处理后新图像的像素亮度。

当曲线向下移动时，图像的相应像素变暗；向上移动时，相应像素变亮。

它的调整往往需要与亮度、对比度共同配合使用才能达到满意的结果。

z调整图像的色调和饱和度
色调是一种颜色区别于另一种颜色的色彩表现方式。

当原图像中有某种颜色偏色时，应使用色调工具调整，使图像看起来更自然。

饱和度是指色彩的纯度和强度。

饱和度是用与色调成一定比例的灰度数量表示的，从0%(灰)～100%(最饱和)。

通过拖动饱和度滑动条上的滑块控制饱和度，正确地选择饱和度会加强所有的色调。

z调整色彩平衡
调整色彩平衡可以改变图像整体色调。

它要求调节者具有一定的色彩学的知识，尤其是三原色和补色的原理。

具体的操作与Photoshop中很相似，学生可以在实践中逐步掌握。

z选择合适的分辨率
扫描仪分辨率的设定对扫描图像的质量影响较大。

分辨率设置得过低，输出的图像会明显丧失锐度而呈现模糊的感觉；分辨率设置得过高，图像输出不一定由此变得更好，反而无故增大了文件的存储量，降低整体工作效率。

所以，原则上最恰当的设定值应该是选择以达到最佳输出品质的最低分辨率，只有这样才可提高工作效率，节约存储空间。

z去除网纹
当扫描印刷品时，在图像的连续调上往往会有网纹出现。

如果扫描仪没有附带消除网纹功能，可以尝试寻找使网纹最小的分辨率，通常是与印刷品网纹一样或1倍的分辨率有可能奏效。

一旦得到相当好的扫描结果，可再使用Photoshop软件中的高斯模糊(Gaussian Blur)滤镜(用小于1像素的设置)稍微柔化网纹，能够取得更好的效果。

一幅高品质的扫描图像应该尽量做到不必再用图像处理软件进行更多的调整，即可满足图像的输出需要。

z图像存储
指定扫描图像的存储目录，将扫描得到的图像以指定的格式（通常为BMP、JPG、TIFF等格式）存储，以供后续的图像处理。

⑵ 红外成像仪
红外成像仪是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。

红外热像仪能够将探测到的热量精确量化或测量，使用户不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。

红外成像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，超声波测
厚仪在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换为标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。

这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制、实标校正、伪色彩描绘等。

z强大的实时存储和分析软件
ThermaCAM Researcher 是为从事研究和开发的专家特别设计的，其中包括希望能够静态和实时地分析热过程的科研人员和所有其它红外用户。

ThermaCAM Researcher 用于需要详细地对动态事件进行热分析的科研环境。

因为是基于Windows和它自有的强大的功能，ThermaCAM Researcher使得红外成像技术更加强大和灵活，其中包括具有更大的分析能力的同时还可以高速采集数据。

Researcher 直接从红外热像仪完全地存储、召回和分析红外图像和数据，从而可以更加深入和精确地分析热现象。

z强大的录制系统
全辐射数字红外视频可以录制到硬盘里供以后回放。

提供许多不同的方式设置开始/停止录制图像：开始/停止在特定的时间、在一个触发信号或手工按一个键。

记录速度可以设置为实时 (50～90Hz)、可选择的时间、时间间隔或每次触发信号到来时再存储。

z强大的温度分析功能
ThermaCAM Researcher 提供强大的内置测量和分析功能，可以进行快速多样的温度分析，这些分析功能包括等温线、点温测量、线温分布、区域直方图和图像相减功能等。

所有测量工具可以设置独立的发射率和距离参数。

还包括其它高级功能：灵活的屏幕分布、自动调整最佳视图、用户自定义录制条件、序列文件编辑、可定义的测量工具图形、易于理解的结果列表、OLE技术等。

z特点和优点
强大的温度分析功能
静态图像分析功能
实时红外视频和数据分析
高速红外数据采集和分析
自动完成温度—时间图
利用电脑远程控制红外热像仪
简单的数据输出：自动将红外图像转换成AVI、BMP、MatLab 格式
兼容Windows 95、98、2000、 XP 和 NT
自动剪辑序列文件
兼容OLE-2
以ASCII 形式存储测量工具结果
图像互减
各种图像重放速率
以FLIR通用文件格式存储图像
通用公式
目标信号
图1.1 ThermaCAM Researcher 测量工具提供更深入地热分析
⑶ 微光夜视仪
z微光的含义
我们平时所谓的黑夜，很少是绝对黑暗的，因为自然界总是存在着微弱的光线，例如星月光、大气的辉光和黄道光。

即使肉眼不容易察觉的星星，对地面的照度仍然可以达到2×10-4勒克司。

能够利用如此微弱的光线进行观测，是因为两个技术上的重大突破。

首先，研制成功了灵敏度极高的光电阴极，即S-20多碱光电阴极。

比以前的光电阴极灵敏度提高了一个数量级，使得夜视仪的光电增益大大提高。

另一个突破是采用了光学纤维面板。

即一种由大量光导纤维组成的薄板阵列，每根纤维传导一个像素减少了光的散射，传导效果好，由于可以将纤维的末端排列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像质量。

将多个上述结构的像增强器串联起来，将光线逐级放大，使得极其微弱光线下的图像放大到了人眼可以清晰观看的程度，便实现了无需红外照明的微光观测。

z微光夜视仪的工作原理
微光夜视仪利用夜间目标反射的微弱光线经物镜汇聚后在像增强器的阴极面上成像，通过像增强器的光增强作用，逐级放大并将红外光转变为可见光，在最后一级的荧光屏上形成有足够亮度和清晰度的图像，供使用者观察，从而达到适于肉眼夜间进行侦察、观察、瞄准、车辆驾驶和其它战场作业等。

微光夜视仪主要由望远光学系统、像增强器(也称微光管)和高压供电装置组成，利用夜天光等进行被动方式工作，因此能较好的隐藏自己。

微光夜视仪适合于从事特殊工作的部门，如军事、刑侦、辑毒、辑私、夜晚监控、保卫的应用等。

⑷ 高速摄像机
目前，主流摄像机的感光元件采用CCD元件，实际上就是光电转换元件。

和以前的CMOS感光元件相比，CCD的感光度是CMOS的3到10倍，因此CCD芯片可以接受到更多的光信号，转换为电信号后，经视频处理电路滤波、放大形成视频信号输出。

接受到的光信号越强，视频信号的幅值就。