《数字图像处理实验》教学大纲
Digital Image Processing Experiments
课程代码：XF002037学时：16学分：0.5
适用专业：空间信息与数字技术 课程性质：选修
撰稿人：高华审定人：牟少敏
一、实验课的性质与任务
通过实验教学环节，完成指定的教学实验题目，加深学生对教学内容的理解；培养学生的分析问题和解决实际问题的能力；培养学生的综合应用基本概念、基本原理和技术方法的能力。真正做到学以致用，使课本上的抽象的理论，方法与具体的实践应用相结合。提高学生运用数字图像处理技术解决实际问题的能力。
二、实验目的与要求
实验课程以教材课后题题目为主，尽量要求每一学生能独立完成。要求学生能根据不同的题目类型调试程序成功。
三、实验项目设置情况
序号 | 实验项目名称 | 学时 | 开出要求 | 实验项目类型 |
必做 | 选做 | 基础型 | 综合设计 | 研究创新 |
演示 | 验证 |
1 | Matlab和Matlab工具箱实验 | 2 | √ |
| | √ | | |
2 | 图像代数运算和灰度变换实验 | 2 | √ |
|
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| √ |
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3 | 图像空域增强实验 | 2 | √ | | | | √ | |
4 | 图像变换和频域增强实验 | 2 | √ | | | | √ | |
5 | 图像分割和边缘检测实验 | 2 | √ | | | | √ | |
6 | 彩色图像处理实验 | 2 | √ | | | | √ | |
7 | 图像的形态学应用实验 | 2 | √ | | | | √ | |
8 | 图像处理综合应用实验 | 2 | | √ | | | | √ |
实验项目一：Matlab和Matlab工具箱2学时
（一）实验目的要求
初步掌握MATLAB软件的基本操作方法；
熟悉及掌握在MATLAB中能够处理哪些格式图像；
熟练掌握在MATLAB中如何读取图像；
掌握如何利用MATLAB来获取图像的大小、颜色、高度、宽度等等相关信息；
掌握如何在MATLAB中按照指定要求存储一幅图像的方法；
掌握不同格式图像间的转化。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
1．熟悉MATLAB工作环境
2．利用imread( )函数读取一幅图像，存入一个数组中；
3．利用whos 命令提取该读入图像的基本信息；
4．利用imshow()函数来显示图像；
5．利用imfinfo函数来获取图像文件的压缩，颜色等等其他的详细信息；
6．利用imwrite()函数来保存压缩图象。
7．用im2bw将一幅灰度图像转化为二值图像，并且用imshow显示出来观察图像的特征。
实验项目二：图像代数运算和灰度变换2学时
（一）实验目的要求
了解图像的算术运算在数字图像处理中的初步应用；
体会图像算术运算处理的过程和处理前后图像的变化；
学会对图像直方图的分析；
掌握直接灰度变换的图像增强方法。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
1．图像的加法运算Z = imadd（X，Y）；
2．图像的减法运算Z = imsubtract(X,Y)；
3. 图像的乘法运算Z = immulitply(X,Y)；
4．图像的除法运算Z = imdivide(X,Y)；
5．读出图像，计算并分析图像直方图，利用直接灰度变换法对图像进行灰度变换。
实验项目三：图像空域增强2学时
（一）实验目的要求
了解图像增强的目的及意义，加深对图像增强的感性认识，巩固所学理论知识；
学会对图像直方图的分析；
掌握灰度直方图的概念及其计算方法；
熟练掌握直力图均衡化和直方图规定化的计算过程；
熟练掌握空域滤波中常用的平滑和锐化滤波器；
掌握色彩直方图的概念和计算方法；
利用MATLAB程序进行图像增强；
学会使用Matlab对图像作滤波处理，掌握滤波算法，体会滤波效果；
了解不同滤波方式的使用和使用的场合，培养处理实际图像的能力。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
1．调入一幅数字图像，并进行计算机均衡化处理；
2．显示原图像的直方图和经过均衡化处理过的图像直方图。
3．调入并显示一幅数字图像，利用imnoise 命令在图像上加入高斯(gaussian) 噪声；
4．利用预定义函数fspecial 命令产生平均(average)滤波器；
5．分别采用3x3和5x5的模板，分别用平均滤波器以及中值滤波器，对加入噪声的图像进行处理并观察不同噪声水平下，上述滤波器处理的结果；
6．选择不同大小的模板，对加入某一固定噪声水平噪声的图像进行处理，观察上述滤波器处理的结果。
7．利用imnoise 命令在图像上加入椒盐噪声(salt & pepper)；
g）重复4~6的步骤。
实验项目四：图像变换和频域增强2学时
（一）实验目的要求
了解图像变换的意义和手段；
熟悉傅立叶变换的基本性质；
熟练掌握FFT变换方法及应用；
通过实验了解二维频谱的分布特点；
掌握频域滤波的概念及方法；
掌握利用傅立叶变换进行频域滤波；
掌握频域空间的各类滤波器。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
用Fourier变换算法，对图像作二维Fourier变换；
将其幅度谱进行搬移，在图像中心显示；
用Fourier系数的幅度进行Fourier反变换；
用Fourier系数的相位进行Fourier反变换；
利用MATLAB提供的低通滤波器实现图像信号的滤波运算，并与空间滤波进行比较。
利用MATLAB提供的高通滤波器对图像进行处理。
实验项目五：图像分割和边缘检测2学时
（一）实验目的要求
进一步了解MATLAB关于图像处理的相关指令。
掌握图像阈值分割的基本原理和基本方法。
使用一些主要的分割算子对图像进行处理并观察效果，体会各种因素对分割效果的影响。
能够用所学方法实现实际图像的分割。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
1．采用人工选择阈值法编写程序，把图像分割为二值图像。尝试不同阈值来分割图像，比较分割效果，选出最满意的阈值。
2．采用迭代式阈值选择方法对图像进行二值化处理，并和(1)中处理的结果比较。
3．利用Otsu法对图像进行阈值分割
4．使用Roberts 算子对图像进行分割。
5．使用Prewitt算子对图像进行分割。
6．使用Sobel算子对图像进行分割。
7．使用LoG (拉普拉斯-高斯) 算子对图像进行分割。
实验项目六：彩色图像处理2学时
（一）实验目的要求
使用Matlab 软件对图像进行彩色处理，熟悉使用Matlab软件进行图像彩色处理的有关方法，并体会到图像彩色处理技术以及对图像处理的效果；
要求学生能够完成彩色图像的分析，能正确讨论彩色图像的亮度、色调等性质；
会对彩色图像进行直方图均衡，并能正确解释均衡处理后的结果；
能够对单色图像进行伪彩色处理以及对单色图像进行彩色变换。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
1．彩色图像的分析：调入并显示彩色图像，拆分这幅图像，并分别显示其R，G，B分量；根据各个分量图像的情况讨论该彩色图像的亮度、色调等性质。
2．彩色图像的直方图均衡：显示这幅图像的R、G、B分量的直方图，分别进行直方图均衡处理，并显示均衡后的直方图和直方图均衡处理后的各分量；将处理完毕的各个分量合成彩色图像并显示其结果；观察处理前后图像的彩色、亮度、色调等性质的变化。
3．假彩色处理：调入并显示红色可见光的灰度图像，绿色可见光的灰度图像和蓝色可见光的灰度图像以及近红外灰度图像和中红外灰度图像；将R、G、B这三幅图像组合成可见光RGB彩色图像；分别以近红外图像和中红外图像替换R分量，形成假彩色图像；观察处理的结果，注意不同波长红外线图像组成图像的不同结果。
4．伪彩色处理：调入并显示灰度图像，利用MATLAB提供的函数对图像在8~256级的范围内进行切片处理，并使用hot模式和cool模式进行彩色化；观察处理的结果。
5．彩色变换(选做)：调入并显示灰度图像，使用不同相位的正弦函数作为变换函数，将灰度图像变换为RGB图像。其中红色分量R的变换函数为-sin( )，绿色分量G的变换函数为-cos( );，蓝色分量B的变换函数为sin( )；显示变换曲线及变换合成的彩色图像并观察彩色变换图像的色调与原始图像灰度之间的关系；将RGB的变换公式至少互换一次(例如R与G互换)，显示变换曲线、变换结果并观察处理的结果。
6．对全部结果进行讨论。
实验项目七：图像的形态学应用实验2学时
（一）实验目的要求
学习常见的数学形态学运算基本方法，了解腐蚀、膨胀、开运算、闭运算取得的效果，培养处理实际图像的能力，并为课堂教学提供配套的实践机会。
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
1．调入并显示一幅灰度图像；
2．选取合适的阈值将灰度图像转换为二值图像；
3．设置结构元素；
4．对得到的二值图像进行腐蚀运算；
5．对得到的二值图像进行膨胀运算；
6．对得到的二值图像进行开运算；
7．对得到的二值图像进行闭运算；
8．将两种处理方法的结果作比较。
实验项目八：图像处理综合应用2学时
（一）实验目的要求
对输入图象提取特征，用模式识别原理分类
（二）实验材料和仪器设备
微型计算机，Windows、MATLAB软件环境。
（三）实验内容
利用相关的运算进行模板匹配，要求在一幅图像text.bmp中定位字母“a”，即对模板的对应特征进行定位。方法如下：
将包含字母“a”的图像与text.bmp图像进行相关运算，也就是将字母“a”和text.bmp图像进行傅立叶变换，然后利用快速卷积的方法，计算字母“a”和text.bmp的卷积，提取计算的峰值。
参考程序：
a=imread(a.bef’);
[ma,na]=size(a);
i=imread(‘text.bmp’);
[mi,ni]=size(i);
afft=fft2(a);
ifft=fft2(i);
m=ma+mi-1;
n=na+ni-1;
afft(m,n)=0
ifft(m,n)=0;
filtered=ifft2(afft.*ifft);
filtered=filtered(1:mi,1:ni);
filtered=filtered/max(max(filtered,[],1));
result=filtered>0.9;
imshow(result)
五、实验报告要求
实验报告采用电子文档方式，文件名格式：学号_班级_姓名_实验名称。
实验报告包括实验题目、实验目的，实验内容，实验算法分析，实验步骤，源程序（加注释），实验结果（图形），结果分析和讨论。
对实验步骤及结果分析要详细，要用数据和图片给出各个步骤中取得的实验结果，并对包括原始图像及其计算处理后的图像的解释和必要讨论。
六、课程考核方式及成绩评定
（一）考核方式
平时成绩：ð√ 课堂提问/ð√ 学习态度/ð√ 课外资料收集整理/ð√ 预习报告/ð√ 实验报告/ð其他；
结课后考试：ð笔试/ð√ 操作。
（二）课程成绩评定办法
成绩构成：考勤10%/平时60%/考试30%。
七、实验应配套的主要仪器设备及台（套）数（以一个实验教学班为标准）
微型计算机、Windows操作系统、安装MATLAB软件。
附：教学参考资料
1、选用的教材：
李俊山，李旭辉. 数字图像处理.清华大学出版社,2013
2、主要参考书：
[1]章毓晋.图像工程（上）,图像处理和分析.清华大学出版社，2004
[2]丰茂森.遥感图像数字处理.地质出版社,1991
[3]周虎成 骆剑承 杨晓梅 杨存建 刘庆生 科学出版社 2001年2月
[4]张永生.遥感图像信息系统.科学出版社,2000
[5]冈萨雷斯著，阮秋琦译. 数字图像处理（第二版）. 电子工业出版社,2003
[6]冈萨雷斯.数字图像处理（MATLAB版）.电子工业出版社,2004