《数字图像处理》实验教学大纲.doc

《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
序号
实验编号
实验项目名称
实验内容提要
实验时数
实验类型
实验类别
实验要求
每组人数
1
01
图像处理的MATLAB基础
MATLAB应用复习，图像读入和读出

验证
专业
必修
1
2
02
空域图像增强
图像灰度变换，直方图均衡，均值滤波和中值滤波

验证
专业
必修
1
3
03
图像频谱和频域增强
图像二维傅里叶变换、图像频谱的意义，理想低通滤波

综合
专业
必修
1
4
04
彩色图像处理
彩色空间及其相互转换，彩色增强和滤波

综合
专业
必修
1
5
05
边缘检测
图像锐化和边缘检测，图像分割

综合
专业
选修
1
合计

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，2005
2. 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。
实验报告内容包括：实验要求，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。
七、考试(考核)方式
实验的考核由实验指导教师完成，本课程实验由学生单人独立完成，学生的实验成绩根据实验结果、实验中分析解决问题的能力、课堂纪律、预习情况、操作技能、数据分析能力等综合评估。
1. 基本要求
（1）学生在实验前认真预习准备实验。复习教材中相关知识，并根据需要查找资料。明确实验目的、任务，拟订实验方案，规划流程图。
（2）实验中认真分析实验结果，主动解决出现的问题，学会自主调试程序。
（3）实验结果进行分析研究，书写实验报告。
2. 实验考核评价要求
实验成绩＝实验过程（60％）＋实验报告（40％）

八、使用说明
本实验教学大纲适用于电子信息工程和电子信息科学与技术两个专业，按照课堂讲授进度可适当调节实验内容。

制定人：马加庆 审定人： 批准人： 批准日期：

附件：
《数字图像处理》课程实验项目1
一、 实验项目名称及实验项目编号
图像处理的MATLAB基础，054411－01
二、 课程名称及课程编号
数字图像处理，056123
三、 实验目的
通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行数字图像处理的基本语句。
四、 实验原理
本实验是基于数字图像处理课程中的数字图像基本概念来设计的。
本实验的准备知识：MATLAB语言基础；数字图像的基本概念。其中会涉及到的函数：
用于数字图像基本处理的函数：imread; imshow, imwrite
A＝imread(filename,fmt) 读入图像文件；
imwrite(A,filename,fmt) 输出图像；
imshow(I,n) 图像显示。
五、 实验内容
(一) 复习MATLAB基本命令、基本绘图方法和编程方法
1、 输入A=[7 1 5；2 5 6；3 1 5]，B=[1 1 1; 2 2 2; 3 3 3]，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：
A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A^2 A.^2 B/A B./A
2、 同屏绘制正弦曲线y=sin(x)、余弦曲线y=cos(x)、y=sin(x)cos(x)、y=sin(x)+cos(x)的图像。
3、 设，求定义域x=[-2,2],y=[-2,2]内的z值，网格取0.1见方，画出三维曲面图。
4、 编程计算30!。
（二） 熟悉imread函数，imshow函数，imwrite函数的使用方法
1、 读入图像lena_gray.tif，并显示。读入图像rice.tif，并显示。
2、 令I=imread(‘lena_gray.tif’);求得图像的尺寸。显示图像I(20:200,20:100)，将该图像存储为bmp格式的图像。
3、 对图像rice.tif和lena_gray.tif进行加法、和旋转运算，并显示结果。
4、 读入彩色图像lena_color.tif，并显示。
六、 实验方法与步骤
1、 回顾MATLAB语言和编程方法。参考以前的教材或者MATLAB语言指导参考书进行复习回顾。
2、 根据实验指导书，完成上述所有实验内容。
3、 将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。
七、 实验要求
1、本实验由学生单人独立完成。
2、学生进入实验室后签到，再综合实验报告情况给出最后的成绩。
八、 场地、设备与器材
信电学院实验中心；高性能计算机， windows操作系统，编程软件Matlab7.x
《数字图像处理》课程实验项目2
一、 实验项目名称及实验项目编号
灰度图像增强，054411－02
二、 课程名称及课程编号
数字图像处理，054411
三、 实验目的
通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行二维傅里叶变换的方法，加深对二维傅里叶变换的理解和图像频谱的理解。
四、 实验原理
本实验是基于数字图像处理课程中的图像变换和增强理论来设计的。
本实验的准备知识：第三章，空域图像增强方法。重点如下：
1、直方图和直方图均衡：
画图像的直方图命令， imhist(A)
直方图均衡命令， Aeq＝histeq（A）
2、基本灰度变换
3、空域滤波技术：
添加噪声命令：imnoise
中值滤波技术，均值滤波技术
五、 实验内容
（一） 直方图均衡
1、读入lena_gray.tif图像文件，画出其直方图，并解释之；
2、对该图像进行直方图均衡，显示均衡后的图像及其直方图，并解释之；
3、将均衡后的图像存为lena_gray_1.tif文件。
4、再将lena_gray_1.tif文件读入并重复上述过程，说明增强效果并解释之。
（二） 图像灰度变换
读入lena_gray.tif文件，对其灰度进行下列调整，并显示图像：
（1）将图像的灰度降低70％，同屏显示原图像和灰度调整后图像；
（2）将图像灰度加上一个值（如50），使图像变亮，编程，同屏显示原图像和灰度调整后图像。
思考：灰度变换时应该注意什么？
（三）空间滤波
读入lena_gray.tif文件，进行下列操作:
（1）将图像添加上椒盐噪声， A_noised=imnoise(A, ‘salt & pepper’, 0.02)，同屏显示原图像和加噪图像，说明椒盐噪声的特点；
（2）设计3×3、5×5，7×7三种模板的算术均值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明；
（3）设计3×3、5×5，7×7三种模板的中值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明；
（4）将图像添加上高斯噪声， A_noised=imnoise(A, ‘gauss’, 0.02)，同屏显示原图像和加噪图像，说明高斯噪声的特点；
（5）设计3×3、5×5，7×7三种模板的算术均值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明；
（6）设计3×3、5×5，7×7三种模板的中值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明。
思考：椒盐噪声和高斯噪声有何不同特点？分别使用何种滤波器消噪效果好？
六、 实验方法与步骤
1. 顺序完成上述实验内容
2. 按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。
七、 实验要求
1、本实验由学生单人独立完成。
2、学生进入实验室后签到，再综合实验报告情况给出最后的成绩。
八、 场地、设备与器材
信电学院实验中心；高性能计算机，安装软件Matlab7.x

《数字图像处理》课程实验项目3
二、 实验项目名称及实验项目编号
二维傅里叶变换和频域增强，054411－03
三、 课程名称及课程编号
数字图像处理，054411
四、 实验目的
通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行二维傅里叶变换的方法，加深对二维傅里叶变换的理解和图像频谱的理解。
五、 实验原理
本实验是基于数字图像处理课程中的二维傅里叶变换理论来设计的。
本实验的准备知识：第四章 频域图像增强中的一维傅里叶变换和二维傅里叶变换，频域图像增强的步骤，频域滤波器。实验用到的基本函数：
一维傅里叶变换函数： fft,
一维傅里叶反变换函数：ifft
频谱搬移函数：fftshift
二维傅里叶变换函数：fft2
二维傅里叶反变换函数：ifft2
绘图函数：imshow， mesh
六、 实验内容
（一） 一维傅里叶变换的实现和分析
1、 生成一个一维向量，x＝[1 2 3 4 5 6 7 8]; 计算该向量的傅里叶变换，并由傅里叶变换求反变换，验证结果。
2、 在时间域中将x乘以(-1)n，计算其傅里叶变换，实现傅里叶变换的平移性质
3、 使用fftshift函数，实现频谱的平移。
（二） 二维傅里叶变换的实现和分析
产生如图所示图象 f1(x,y)（64×64大小，中间亮条宽16，高40，居中，暗处=0，亮处=255），用MATLAB中的fft2函数求其傅里叶变换，要求：
1、同屏显示原图f1和FFT(f1)的幅度谱图；
2、若令f2(x,y)=（-1）x+y f1(x,y)，重复过程1，比较二者幅度谱的异同，简述理由；
3、若将f2(x,y)顺时针旋转90度得到f3(x,y)，试显示FFT(f3)的幅度谱，并与FFT(f2)的幅度谱进行比较。
（三）任意图像的频谱显示
1、读入图像lenagray.tif，计算该图像的频谱，并将频谱原点移到中心位置显示。
2、读入图像rice.tif，计算该图像的频谱，并将频谱原点移到中心位置显示。
（四）频域增强
设计不同截止频率的理想低通滤波器，对lena图像进行频域增强。观察频域滤波效果，并解释之。
七、 实验方法与步骤
1. 按照顺序逐步完成上述实验内容。
2. 按照实验内容要求，根据实验指导书，逐步完成实验内容。
3. 将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。
思考：
图像频谱有何特点？低频分量和高频分量在图像频谱中是怎样分布的？频域增强的步骤有哪些？
八、 实验要求
1、本实验由学生单人独立完成。
2、学生进入实验室后签到，再综合实验报告情况给出最后的成绩。
九、 场地、设备与器材
信电学院实验中心；高性能计算机，安装软件Matlab7.x

《数字图像处理》课程实验项目4
一、 实验项目名称及实验项目编号
彩色图像处理，054411－04
二、 课程名称及课程编号
数字图像处理，054411
三、 实验目的
通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行彩色图像处理的方法，加深对彩色空间和彩色图像的理解。
四、 实验原理
本实验是基于数字图像处理课程中的彩色图像处理理论来设计的。
本实验的准备知识：第六章彩色图像处理中的彩色空间，彩色图像处理方法。重点如下：
1、 彩色空间及其相互转换：
a) RGB空间
b) CMY空间
c) HIS空间
2、彩色空间中各图像分量的演示和意义，关键命令：
f=imread(‘C:\...\lena_color.tif’, ‘TIF’);
显示： imshow
红色图像分量： f(:,:,1)
绿色图像分量： f(:,:,2)
蓝色图像分量： f(:,:,3)
3、彩色图像消噪
添加噪声命令：imnoise
中值滤波技术，均值滤波技术
五、 实验内容
（一） 彩色RGB空间的各个分量
读取lena_color.tif图像，显示彩色图像，
（1）提取三个图像分量，同屏显示彩色图像及其各个分量图像，说明各个图像分量的意义。
（2）同屏显示三个图像分量的直方图，并解释之。
（二） RGB-CMY空间的转换
（1）编写程序，实现将lena图像的反色，也就是转换为CMY空间。

（2）提取CMY空间的三个图像分量，同屏显示彩色图像及其各个分量图像，说明各个图像分量的意义。
（3）同屏显示三个图像分量的直方图，并解释之。
（三） 彩色变换
读取lena_color.tif图像，
（1）将该RGB图像的亮度降低70％，并同屏显示原图像与亮度降低后图像。
（2）将该RGB图像中的红色分量的亮度降低50％，并同屏显示原图像与变换后彩色图像。
（3）将该RGB图像中的绿色分量的亮度降低50％，并同屏显示原图像与变换后彩色图像。
思考：彩色变换时应该注意什么？
（三）RGB空间的彩色平滑
读取lena_color.tif图像，进行下列操作:
（1） 采用7×7均值滤波器对彩色图像的所有分量进行相同平滑，同屏显示原图像和平滑后图像，对结果进行说明；
（2） 采用7×7均值滤波器对彩色图像的红分量进行平滑，其它分量不变，同屏显示原图像和平滑后图像，对结果进行说明；
（3） 采用直方图均衡方法，对彩色图像的三个分量进行增强，同屏显示原图像和增强后图像，对结果进行说明；
（4） 将图像添加上椒盐噪声， A_noised=imnoise(A, ‘salt & pepper’, 0.02)，选择合适的滤波器进行滤波，观察滤波效果；
（5） 将图像添加上高斯噪声， A_noised=imnoise(A, ‘gauss’, 0.02)，选择合适的滤波器进行滤波，观察滤波效果；
思考：彩色图像的滤波应该注意什么？
六、 实验方法与步骤
1. 顺序完成上述实验内容
2. 按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。
七、 实验要求
1、本实验由学生单人独立完成。
2、学生进入实验室后签到，再综合实验报告情况给出最后的成绩。
八、 场地、设备与器材
信电学院实验中心；高性能计算机，安装软件Matlab7.x

《数字图像处理》课程实验项目5
一、 实验项目名称及实验项目编号
图像边缘检测，054411－05
二、 课程名称及课程编号
数字图像处理，054411
三、 实验目的
通过本实验使学生掌握图像边缘检测的基本方法，加深对图像分割的理解。
四、 实验原理
本实验是基于数字图像处理课程中的图像分割理论来设计的。
本实验的准备知识：第三章空域图像增强，第十章图像分割中关于图像锐化和边缘检测的方法。重点如下：
1、 图像锐化的意义，其中的关键算子有：
a) Prewitt算子
b) Sobel算子
c) LoG算子
2、 图像分割的意义，其中的关键算子：prewitt算子，sobel算子
3、 图像边缘检测技术
五、 实验内容
（一） 图像锐化
读取lena_gray.tif图像，
（1）使用prewitt算子对图像进行锐化，同屏显示原图像和锐化后图像，并解释结果。
（2）使用sobel算子对图像进行锐化，同屏显示原图像和锐化后图像，并解释结果。
（3）使用LoG算子对图像进行锐化，同屏显示原图像和锐化后图像，并解释结果。
（4）对比上述锐化结果，说明三个算子的优缺点。
（二） 图像边缘检测
读取house.tif图像，
（1）设计合适的算子，检测图像中的横向边缘，同屏显示原图像和边缘图像，并解释结果。
（2）设计合适的算子，检测图像中的纵向边缘，同屏显示原图像和边缘图像，并解释结果。
（3）将上述两幅边缘图像叠加，试解释结果的意义。
（三） 图像分割
读取rice.tif图像，
（1）使用prewitt算子对图像进行分割，同屏显示原图像和分割后图像，并解释结果。
（2）使用sobel算子对图像进行分割，同屏显示原图像和分割后图像，并解释结果。
六、 实验方法与步骤
1. 顺序完成上述实验内容
2. 按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。
七、 实验要求
1、本实验由学生单人独立完成。
2、学生进入实验室后签到，再综合实验报告情况给出最后的成绩。
八、 场地、设备与器材
信电学院实验中心；高性能计算机，安装软件Matlab7.x