《数字图像处理》实验教学大纲
《数字图像处理》实验教学大纲
《数字图像处理》课程实验教学大纲电子信息工程教研室编信息与电子工程学院2013 年 8 月课程名称：数字图像处理课程编号：056123英文名称： Digital Image Processing 课程负责人：马加庆课程性质：非独立设课课程属性：专业应开实验学期：第6学期学时学分：课程总学时---48 实验学时---16 课程总学分---3 实验学分---0实验者类别：本科生适用专业：电子信息工程、电子信息科学与技术先修课程：线性代数，信号与系统，数字信号处理，计算机仿真及应用一、课程简介数字图像处理是研究数字图像处理的基本理论、方法及其在智能化检测中应用的学科，本课程侧重于数字图像的基本处理理论和方法，并对图像分析的基本理论和实际应用进行系统介绍。
目的是使学生系统掌握数字图像处理的基本概念、基本原理、实现方法和实用技术，了解数字图像处理基本应用和当前国内外的发展方向。
要求学生通过该课程学习，具备解决智能化检测与控制中应用问题的初步能力，为在计算机视觉、模式识别等领域从事研究与开发打下扎实的理论基础。
二、课程实验教学的目的、任务与要求通过实验使学生加深对课堂上所学专业知识的认识，通过理论与实践相结合提高学生的动手能力。
要求学生利用所学知识完成对图像的锐化、模糊、加噪声、读取、变换等处理。
三、实验方式与基本要求实验方式：学生一人一机，独立实验，注意记录实验数据与结果分析。
基本要求：实验前，学生要认真预习实验任务，了解实验目的和实验内容；实验时，要认真上机，做好观察分析和记录；实验后，按要求编写实验报告。
四、实验项目设置注：实验类型：1.演示/2.验证/3.综合/4.设计研究/5.其他；实验类别：1.基础/2.专业基础/3.专业/4.其它；实验要求：1.必修/2.选修/3.其它五、教材（讲义、指导书）：《数字图像处理》，冈萨雷斯著，阮秋琦等译，电子工业出版社，2007.8。
参考书：1．《图像处理》，章毓晋编，清华大学出版社，20052. Digital Image Processing，Castleman R K. 朱志刚等译，清华大学出版社1998六、实验报告要求每个实验均按统一格式编写实验报告。
01332130《数字图像处理》实验教学大纲
课程名称：数字图像处理课程编码：01332130
适用专业：测绘工程、地理信息系统
课程总学时：48 实验学时：10
大纲执笔人：授课单位：测绘与地理信息工程系
一、教学目标
使学生通过实验环节教学，掌握和巩固数字图像处理特别是二值图像和数字图像处理的典型方法。
二、基本要求
要求学生掌握数字图像的增强处理、数字图像的几何校正方法。
三、实验项目内容与学时分配
四、实验教材和参考书
（一）教材
1．计算机图像处理与分析，贾永红编著，武汉大学出版社，2001。
（二）参考书
1．计算机图像处理，荣观澳编著，清华大学出版社，2000；
2．计算机图像处理与分析，贾永红编著，武汉大学出版社，2001；
3．计算机图像处理技术，（日）田村秀行等著，北京师范大学出版社，1988；
4．数字图像处理学，（美）W.K普拉特著，科学出版社，1984；
5．数字图像处理，（美）Kenneth R.Castleman著，清华大学出版社，1998。
《数字图像处理》教学大纲
《数字图像处理》教学大纲
一、课程简介
数字图像处理是机器视觉、模式识别、医学图像处理等的基础，本课程为工程专业的学生提供数字图像处理的基本知识，是理论性和实践性都很强的综合性课程。
课程内容广泛涵盖了数字图像处理的基本原理，包括图像采样和量化、图像算术运算和逻辑运算、直方图、图像色彩空间、图像分割、图像形态学、图像频域处理、图像分割、图像降噪与图像复原、特征提取与识别等。
二、课程目标
通过本课程学习，学生可以掌握数字图像处理的基本方法，具备一定的解决图像处理应用问题的能力，培养解决复杂工程问题的能力。
具体目标如下：
1.掌握数字图像处理的基本原理、计算方法，能够利用专业知识并通过查阅资
料掌握理解相关新技术，对检测系统及处理流程进行创新性设计；
2.能够知晓工程领域中涉及到的数字图像处理技术，理解其适用场合、检测对
象及条件的限制，能根据给定的目标要求，针对工业检测中的工程问题选择和使用合适的技术和编程，进行仿真和分析；
3.能够知晓工程领域中所涉及的现代工具适用原理及方法，根据原理分析和仿
真结果，进行方案比选，确定设计方案，具有检测算法的设计能力；
4.通过校内外资源和现代信息技术，了解数字图像处理发展趋势，提高解决复
杂工程问题的能力。
三、课程目标对毕业要求的支撑关系
四、理论教学内容及要求
四、实验教学内容及要求
五、课程考核与成绩评定
六、教材及参考书。
《数字图像处理》课程教学大纲
数字图像处理课程教学大纲课程简介数字图像处理是计算机科学与技术领域的一门重要课程，它研究如何使用计算机和算法来处理和分析数字图像。
本课程旨在介绍数字图像处理的基本原理、方法和应用，并培养学生的图像处理能力和技巧。
课程目标本课程的主要目标是让学生掌握数字图像处理的基本理论和方法，具备图像处理算法设计、图像增强、图像分割、图像压缩等技术的基本能力。
同时，通过实践项目的实施，培养学生的问题解决能力和团队合作能力。
课程安排第一周：课程介绍与基本概念•课程介绍•数字图像的基本概念与特点•数字图像处理的基本步骤第二周：图像预处理•图像采集与获取•图像灰度变换•图像噪声模型与去噪方法第三周：图像增强•直方图均衡化•空域滤波与频域滤波•边缘增强与锐化第四周：图像压缩•图像压缩的基本概念与方法•离散余弦变换（DCT）与JPEG压缩算法•小波变换与JPEG2000压缩算法第五周：图像分割与边缘检测•阈值分割•基于边缘的图像分割•基于区域的图像分割第六周：实践项目1 - 图像识别•项目需求分析与设计•图像特征提取与选择•分类器的训练与测试第七周：实践项目2 - 图像恢复•项目需求分析与设计•图像模型与图像去模糊•图像去噪与图像修复第八周：实践项目3 - 图像处理工具开发•项目需求分析与设计•图像处理算法的实现•图形界面设计与用户交互评估方式•平时成绩：30%•作业与实验报告：30%•期末考试：40%参考教材•Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods. 数字图像处理（第三版）. 清华大学出版社，2018.•Richard Szeliski. 计算机视觉：算法与应用. 电子工业出版社，2014.参考资源•MATLAB图像处理工具箱文档•OpenCV计算机视觉库官方文档以上是《数字图像处理》课程的教学大纲，希望通过本门课程的学习，能够让学生对数字图像处理有一个全面的了解，并具备实践应用的能力。
数字图像处理实验大纲
《数字图像处理》实验教学大纲课程编号：课程名称：数字图像处理实验总学时数：8学时适应专业：电子信息工程、信息工程承担实验室：信息工程学院实验室一、实验教学的目的和任务1．目的掌握数字图像处理的基本理论及分析方法，掌握数字图像加减及逻辑运算、图像变换、图像增强、二进制图像操作处理及滤波等原理。
2．任务能够熟练地用Matlab语言编写数字图像处理的各种应用程序，计算图像统计参数，对数字图像进行二维离散Fourier变换，掌握图像边缘检测、图象去噪及各种高通、低通滤波的程序实现方法，并能解决实际中的问题。
二、实验项目及学时分配三、每项实验的内容和要求实验一：数字图像文件基本类型的转换1．实验目的、意义1)了解Matlab支持4种图像类型：灰度图像、二值图像、索引图像和RGB图像。
2)学会运用RGB颜色空间与灰度图像类型的转换3)分析灰度图像与二值图像的变换关系。
2.实验内容1）灰度图像与索引图像的相互转换2）RGB 图像与索引图像的相互转换3）将灰度图像转换为二值化图像3．实验要求1)实验之前要预习，简述图像文件基本类型的转换原理和方法；2)写出实验报告。
报告要求：有实验目的，实验内容，实验过程，实验小结。
实验二：数字图像FFT变换1．实验目的、意义1)掌握二维Fourier变换的基本定义以及快速Fourier变换的方法；2)学会运用zeros; fft2;ifft2; fftshift等函数3)分析二维离散Fourier变换的基本特点。
2．实验内容1)创建一副图像，大小为128*128,背景为黑色，中间开出一个8×8白色的窗口；2)运用ff2函数，对上面产生的图像做二维离散傅立叶变换；3）把低频分量移到图像中心，而把高频分量移到四个角上。
采用两种方法：a)在FFT以前对测试图像逐点加权;b)利用FFTSHIFT函数4) 利用图像增强中动态范围压缩的方法增强傅立叶变换并在频域中显示变换结果。
数字图像处理教学大纲
数字图像处理教学大纲一、课程基本信息课程名称：数字图像处理课程类别：专业必修课学分：X总学时：X授课对象：具体专业二、课程教学目标通过本课程的学习，使学生掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法，具备运用相关知识和技术解决实际问题的能力。
具体包括：1、理解数字图像的获取、表示和存储方式。
2、掌握数字图像增强、复原、压缩、分割等基本处理技术。
3、能够运用编程工具实现简单的数字图像处理算法。
4、培养学生的创新思维和实践能力，为进一步学习和从事相关领域的工作打下坚实的基础。
三、课程教学内容（一）数字图像基础1、图像的感知和获取视觉系统的特性图像的形成与数字化图像的采样和量化2、数字图像的表示灰度图像彩色图像图像的矩阵表示3、数字图像的存储图像文件格式图像数据库（二）图像增强1、空域增强灰度变换直方图均衡化空域滤波2、频域增强傅里叶变换频域滤波（三）图像复原1、图像退化模型常见的退化原因退化函数的建立2、逆滤波原理与实现局限性3、维纳滤波基本原理算法实现（四）图像压缩1、图像压缩的基本原理信息论基础冗余度2、无损压缩霍夫曼编码算术编码3、有损压缩预测编码变换编码（五）图像分割1、阈值分割全局阈值局部阈值2、边缘检测梯度算子拉普拉斯算子Canny 算子3、区域分割区域生长区域分裂与合并（六）图像特征提取与描述1、颜色特征颜色直方图颜色矩2、纹理特征统计方法结构方法3、形状特征边界描述区域描述（七）图像识别1、模式识别基础分类器设计特征选择与提取2、图像分类与识别应用人脸识别车牌识别四、课程教学方法1、课堂讲授通过讲解理论知识，使学生掌握数字图像处理的基本概念、原理和方法。
2、实验教学安排一定数量的实验课程，让学生通过实践加深对理论知识的理解，提高编程和解决实际问题的能力。
3、案例分析结合实际应用案例，引导学生分析问题、解决问题，培养学生的创新思维和实践能力。
4、小组讨论组织学生进行小组讨论，促进学生之间的交流与合作，激发学生的学习兴趣和主动性。
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《数字图像处理》实验教学大纲实验类别：专业教育课程 实验课程名称：数字图像处理 实验室名称：动态信息获取与处理实验室 课程编号：总学时：8 学 分： 0.5 适用专业：信息与计算先修课程：复变函数、线性代数、电路分析、电子技术、信号与系统、数字信号处理 一、实验在教学培养方案中地位、作用《数字图像处理》课程是大学本科四年级信息与计算专业本科生选修的专业课程。
随着科学技术的飞速发展，数字图像处理的应用已渗透到了通信、雷达、航空航天、医疗等各个科学技术领域。
《数字图像处理》是一门理论与实践并重的技术，在成功掌握了理论知识的同时再配合做一些相关的实验，更能加深对课程中的基本概念、算法、分析方法等的理解与掌握，为课程的学习起到促进和巩固作用，也为今后从事独立的开发打下扎实的基础。
因此本实验在整个专业中与《数字图像处理》课程具有同等重要的地位和作用。
二、实验内容、基本要求：实验一 图像变换 内容：1． 对标准图像进行离散傅里叶变换并在计算机屏幕观测其频谱，验证二维傅里叶变换的常用性质。
2． 对标准图像进行离散余弦变换并在计算机屏幕观测其频谱，验证二维余弦变换的常用性质，了解二维余弦变换用在图像压缩中的原因。
3． 对标准图像离散傅里叶变换和离散余弦变换的频谱进行比较。
4． 对标准图像进行Walsh 变换并在计算机屏幕观测其频谱。
基本要求：1．加深理解DFT 、DCT 、Walsh 变换的原理和基本性质。
2．掌握DFT 、DCT 变换的算法流程，并能根据流程编程实现。
3．分析变换域内频谱的特征。
实验二 灰度图的线性变换 内容：灰度的线性变换就是将图像中所有的点的灰度按照线性灰度变换函数进行变换。
该线性灰度变换函数)(x f 是一个一维线性函数：B A f x f x f +⋅=)(灰度变换方程为：B A A A B f D f D f D +*==)(式中参数A f 为纯属函数的斜率，B f 为纯属函数在y 轴上的截距，A D 表示输入图像的灰度，B D 表示输出图像的灰度。
当1>A f 时，输出图像的对比度将增大；当1<A f 时，输出图像的对比度将减小；当01≠=B A f f 且时，操作仅使所有像素的灰度值上移或下移，其效果是使整个图像更暗或更亮；如果0<A f ，暗区域将变亮，亮区域将变暗，点运算完成了图像求补运算。
特殊情况下，当0,1==B A f f 时，输出图像和输入图像相同；当255,1==B A f f 时，输出图像的灰度正好反转。
基本要求：1、理解和掌握线性变换的原理和应用。
2、分析经线性变换后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验三 灰度窗口变换 内容：灰度窗口变换是将某一区间的灰度级和其它部分(背景)分开。
下图可说明灰度窗口变换的原理，其中[gold1, gold2]为灰度窗口。
灰度窗口变换可以检测出在某一灰度窗口范围内的所有像素，是图像灰度分析中的一个有力工具。
灰度窗口变换有两种：一种是清除背景的变换，一种是保留背景的变换。
前者是把不在灰度窗口范围内的像素都赋值为0，在灰度窗口范围内的像素都赋值为255，这也能实现灰度图的二值化；后者是把不在灰度窗口范围内的像素保留原灰度值，在灰度窗口范围内的像素都赋值为255。
基本要求：1、理解和掌握灰度窗口变换的原理和应用。
2、分析经灰度窗口变换后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验四 灰度拉伸 内容：灰度拉伸和灰度的线性变换有点类似，都用到了灰度的线性变换。
但不同之处在于灰度拉伸不是完全的线性，而是分段进行线性变换。
它的灰度变换函数表达式如下：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧>+-⨯--≤≤+-⨯--<⨯=)()(255255)()()()(2222221111212111x x y x x x y x x x y x x x x y y x x xx y x f区间以改善输出图像。
如果一图像灰度集中在较暗的区域而导致图像偏暗，可以用灰度拉伸功能来拉伸(斜率 > 1)物体灰度区间以改善图像；同样如果图像灰度集中在较亮的区域而导致图像偏亮，也可以用灰度拉伸功能来压缩(斜率 〈 1)物体灰度区间以改善图像质量。
基本要求：1、理解和掌握灰度拉伸的原理和应用。
2、分析经灰度拉伸后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验五 灰度均衡 内容：灰度均衡也称直方图均衡，目的是通过点运算使输入图像转换为在每一级上都有相的像素点数的输出图像(即输出的直方图是平的)。
这对于进行图像比较或分割之前将图像转化为一致的格式是十分有益的。
1．在离散形式下，用k r 代表离散灰度级，用频数近似代替概率值，即()1,,2,1,0,10-=≤≤=L k r nn r p k k k r式中L 是灰度级的总数目，()k r r p 是取k r 这种灰度的概率，k n 为图像中出现k r 这种灰度的次数，n 是图像中像素的总数。
通常把为得到均匀直方图的图像增强技术叫做直方图均衡化处理。
2．直方图均衡化处理是以累积分布函数变换法为基础的直方图修正法。
其形式为：()()j kj r k j j k r p n n r T s ∑∑=====0其反变换为：()k k s T r 1-=在变换后的变量s 的定义域内的概率密度是均匀分布的。
由此可见，用累积分布函数作为变换函数可以产生一幅灰度级分布具有均匀概率密度的图像。
其结果扩展了像素取值的动态范围。
基本要求：1、理解和掌握灰度均衡的原理和应用。
2、分析经灰度均衡后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验六 均值滤波 内容：均值滤波是指在图像上，对待处理的像素给定一个模板，该模板包括了其周围的邻近像素，将模板中的全体像素的均值来替代原来的像素值的方法。
这种方法通过把突变点的灰度分散在其相邻点中来达到平滑效果，操作起来也简单，但这样平滑往往造成图像的模糊，滤波掩模尺寸N 选取越大，模糊越严重。
基本要求：1、理解和掌握均值滤波的原理和应用。
2、分析经均值滤波后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验七 中值滤波 内容：中值滤波是一种能有效地抑制图像中噪声的非线性信号处理技术。
中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值来代替定点(一般是窗口的中心点)的灰度值。
对于奇数个元素，中值是指按大小排序后，中间的数值；对于偶数个元素，中值是指按排序后中间两个元素灰度值的平均值。
常用的二维中值滤波窗口形状有线形、方形、圆形、十字形等。
这种方法在一定条件下可以克服线性滤波器如最小均方滤波、均值滤波等带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效。
由于在实际运算过程中不需要图像的统计特征，因此这也带来了不少方便。
但对于一些细节多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不宜采用中值滤波。
基本要求：1、理解和掌握中值滤波的原理和应用。
2、分析经中值滤波后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验八 梯度锐化 内容：图像处理中最常用的微分方法就是利用梯度。
对一个连续函数()y x f ,，其梯度是一个矢量（需要用2个模板分别沿x 和y 方向计算）：Ty f xff ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂∂∂=∇ 其模（以2为模，对应欧氏距离）为：2122⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=∇y f x f f 可见，梯度的数值就是()y x f ,在其最大变化率方向上的单位距离所增加的量。
在实用中为了简便，利用城区距离（以1为模）：yfx f f ∂∂+∂∂=∇ 对于离散的数字图像，设输入图像为()y x f ,，输出图像为()y x g ,，那么Sobel 运算定义为：()y x V V y x g +=,其中（图为模板）：()()()[]()()()[]()()()[]()()()[]1,11,21,11,11,21,11,1,121,11,1,121,1++++++---++-+--=+++++-+-+-+-+--=y x f y x f y x f y x f y x f y x f V y x f y x f y x f y x f y x f y x f V y xSobel 算子模板基本要求：1、理解和掌握梯度锐化的原理和应用。
2、分析经梯度锐化后图像的效果。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验九 图像频域增强 内容：频率域增强方法是以卷积理论为基础。
设函数()y x f ,与线性位不变算子()y x h ,的卷积结果是()y x g ,，即()()()y x f y x h y x g ,,,*=，那么根据卷积定理在频域有：()()()v u F v u H v u G ,,,=其中()()()v u F v u H v u G ,,,,,分别是()()()y x f y x h y x g ,,,,,的傅里叶变换。
用线性系统理论的话来说，()v u H ,是转移函数。
然后再对()v u G ,进行反傅里叶变换而得到：()()()[]v u F v u H y x g ,,,1-ℑ=常用的频域增强方法有：低通滤波、高通滤波、带通和带阻滤波、同态滤波等。
基本要求：1、对标准图像进行低通滤波、高通滤波增强处理并在计算机屏幕观测增强后的图像。
2、对原始图像和利用上述两种频域增强后的图像进行比较并得出相应的结论。
本实验要求学生完成程序的设计。
实验十 逆滤波恢复方法 内容：在实际的成像系统中，噪声是不可避免的，设噪声为加性噪声()y x n ,，则退化过程为：()y x n y x h y x f y x g ,),(),(),(+*=对上式作傅里叶变换有：()()()()v u N v u H v u F v u G ,,,,+=从图像的退化模型可见，图像的恢复问题就是从()y x g ,中获得原图像()y x f ,的最佳估计。
由上式有：),(),(),(),(),(),(),(),(),(v u N v u M v u G v u M v u H v u N v u H v u G v u F -=-=其中),(1),(v u H v u M =称为逆滤波器的频率响应函数。
当噪声为零时，上式表示为：),(),(),(),(),(v u G v u M v u H v u G v u F ==则原图像可通过反卷积恢复，即),(),(),(y x m y x g y x f *=基本要求：1．对标准图像在频域用高斯函数进行退化并叠加白噪声，比较原始图像和退化图像。
2．掌握图像退化模型。
3．理解逆滤波恢复方法的原理和应用。
4．对退化图像逆滤波恢复方法恢复，比较原始图像和恢复图像并得出相应的结论。