《數(shù)字圖像處理：Matlab算法設計與解譯》-教學大綱 李俊山

《數(shù)字圖像處理》課程教學大綱Digitalimageprocessing一、教學目標及教學要求數(shù)字圖像處理課程是智能科學與技術、數(shù)字媒體技術、通信工程、光電信息科學與工程、遙感科學與技術、探測制導與控制技術等專業(yè)的專業(yè)必修課。主要目標及要求是通過該課程的學習，使學生初步掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、基本原理、基本技術和基本處理方法，了解數(shù)字圖像的獲取、存儲、傳輸、顯示等方面的方法、技術及應用，為學習相關的數(shù)字媒體、視頻媒體和機器視覺等課程，以及今后從事數(shù)字媒體、視頻媒體、圖像傳輸、圖像識別、圖像感知和計算機視覺等領域的技術研究與系統(tǒng)開發(fā)打下堅實的理論與技術基礎。二、本課程的重點和難點（一）課程教學重點教學重點內容包括：圖像的表示，圖像基本運算方法，圖像直方圖和直方圖均衡，基于均值與中值濾波的圖像平滑方法，基于空間銳化濾波的圖像增強方法，圖像的傅里葉頻譜及其特性分析，圖像編碼模型、霍夫曼編碼和變換編碼，基于圖像邊緣及閾值的圖像分割方法，圖像的邊緣特征及其檢測方法，彩色模型與彩色圖像變換，二值形態(tài)學圖像腐蝕運算和膨脹運算。（二）課程教學難點教學難點包括：直方圖均衡，二維離散傅里葉變換的若干重要性質、圖像的傅里葉頻譜及其特性分析，變換編碼，圖像的紋理特征及其描述和提取方法，圖像目標描述，Matlab圖像處理算法編程。三、主要實踐性教學環(huán)節(jié)及要求本課程的實驗及實踐性環(huán)節(jié)要求使用Matlab軟件平臺，編寫程序實現(xiàn)相關的數(shù)字圖像處理算法及功能，并進行實驗驗證。課程實驗與實踐共10學時，分別為：實驗一：圖像基本運算實驗（2學時）。實驗二：圖像均值濾波去噪實驗（2學時）。實驗三：圖像中值濾波去噪實驗（2學時）。實驗四：圖像邊緣檢測實驗（2學時）。相關圖像處理算法的課堂演示驗證（2學時）。要求每個學生在總結實驗準備、實驗過程和收獲體會的基礎上，寫出實驗報告。四、采用的教學手段和方法利用多媒體課件梳理課程內容和講授思路，合理運用啟發(fā)式教學方式激發(fā)學生的思考力，采用討論式教學方式增強教學過程的互動效果，理論教授與應用實例編程實踐相結合，提高學生的分析和解決問題的能力。五、教材與主要參考文獻（一）教材[1]李俊山.數(shù)字圖像處理：Matlab算法設計與解譯，清華大學出版社，2023年5月。（二）主要參考文獻[1]李俊山.數(shù)字圖像處理（第4版），清華大學出版社，2021年8月。[2]岡薩雷斯著，阮秋琦譯.《數(shù)字圖像處理》（第三版），電子工業(yè)出版社，2013年六、考核形式與成績計算平時成績（上課考勤、課堂表現(xiàn)、課程作業(yè)）占20%，課程實驗占20%，期末閉卷成績占60%。七、教學內容和學時分配（一）第1章緒論（2學時）內容要點：數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成；圖像處理技術研究的基本內容；圖像處理技術的應用領域。教學要求：了解圖像處理技術研究的基本內容；數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成；掌握數(shù)數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理的概念。教學方法與手段：以課堂講授為主，用實例說明。重點、難點：重點內容包括為數(shù)字圖像與數(shù)字圖像處理。無難點內容。（二）第2章數(shù)字圖像處理基礎（4學時）內容要點：電磁波譜與可見光譜；人眼的亮度視覺特性；圖像的表示；空間分辨率和灰度級分辨率；像素間的關系；圖像的顯示；圖像文件格式。教學要求：了解電磁波譜與可見光譜和人眼的亮度視覺特性，理解圖像文件格式，掌握圖像的表示、空間分辨率和灰度級分辨率、圖像顯示的相關概念和像素間的基本關系。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用實例演示相關內容。重點、難點：重點內容包括圖像的表示、圖像顯示的相關概念和像素間的基本關系。難點內容為空間分辨率和灰度級分辨率和圖像文件格式。（三）第3章數(shù)字圖像的基本運算（4學時）內容要點：灰度反轉；對數(shù)變換；灰度直方圖；圖像的代數(shù)運算；圖像的幾何運算。教學要求：了解圖像的灰度反轉和對數(shù)變換，理解圖像的代數(shù)運算和圖像的幾何運算，掌握灰度圖像直方圖及其特性。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用Matlab編程實現(xiàn)的相關算法實例演示相關內容。重點、難點：重點內容為灰度圖像直方圖及其特性。難點內容為圖像幾何運算中的圖像縮放。（四）第4章空間域圖像增強（6學時）內容要點：基于點運算的圖像增強方法；基于直方圖的圖像增強方法；基于空間平滑濾波的圖像增強方法；基于空間銳化濾波的圖像增強方法。教學要求：理解基于點運算的圖像增強方法，掌握基于直方圖均衡的圖像增強方法、基于空間平滑濾波的圖像增強方法，以及基于空間銳化濾波的圖像增強方法。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用Matlab編程實現(xiàn)的相關算法實例演示相關內容。重點、難點：重點內容為基于直方圖均衡的圖像增強方法、基于空間平滑濾波的圖像增強方法和基于空間銳化濾波的圖像增強方法。難點內容為基于直方圖均衡的圖像增強方法。（五）第5章頻率域圖像處理（3學時）內容要點：二維離散傅里葉變換；頻率域圖像處理的基本實現(xiàn)思路；基于頻率域的圖像噪聲消除（頻率域低通濾波）；基于頻率域的圖像增強（頻率域高通濾波）；帶阻濾波和帶通濾波。教學要求：了解帶阻濾波和帶通濾波，理解基于頻率域的圖像噪聲消除（頻率域低通濾波）、基于頻率域的圖像增強（頻率域高通濾波）、二維離散傅里葉變換及其重要性質，掌握圖像傅里葉變換的頻譜特性和圖像傅里葉變換的意義。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為二維離散傅里葉變換、傅里葉變換的頻譜特性和圖像傅里葉變換的意義。難點內容為二維離散傅里葉變換和傅里葉變換的頻譜特性。（六）第6章圖像恢復（3學時）內容要點：圖像的退化模型；圖像噪聲與被噪聲污染圖像的恢復；幾何失真的校正。教學要求：了解常見退化現(xiàn)象的物理模型和圖像退化模型的表示，理解圖像噪聲與被噪聲污染圖像的恢復、圖像幾何失真的校正。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為常見退化現(xiàn)象的物理模型、圖像退化模型的表示和圖像幾何失真的校正。難點內容為圖像幾何失真的校正。（七）第7章圖像壓縮編碼（7學時）內容要點：DCT變換；數(shù)字圖像壓縮編碼基礎；幾種最基本的變長編碼方法；位平面編碼；游程編碼；變換編碼；圖像質量評價。教學要求：了解位平面編碼和游程編碼方法，理解DCT變換方法，掌握數(shù)字圖像壓縮編碼基礎知識（圖像壓縮概念、客觀保真度準則和圖像編碼模型）、霍夫曼編碼方法、變換編碼方法。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為DCT變換、數(shù)字圖像壓縮編碼基礎、霍夫曼編碼方法、位平面編碼和變換編碼。難點內容為DCT變換和變換編碼。（八）第8章圖像分割（3學時）內容要點：圖像分割的概念；基于邊緣檢測的圖像分割；基于閾值的圖像分割；基于跟蹤的圖像分割；基于區(qū)域的圖像分割。教學要求：了解圖像分割概念和基于邊緣檢測的圖像分割方法，理解基于閾值的圖像分割方法，掌握基于跟蹤的圖像分割方法和基于區(qū)域的圖像分割方法。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為基于跟蹤的圖像分割方法和基于區(qū)域的圖像分割方法。難點內容為基于雙峰形直方圖的閾值選取。（九）第9章圖像特征提?。?學時）內容要點：圖像的邊緣特征及其檢測方法；圖像的點與角點特征及其檢測方法；圖像的紋理特征及其描述和提取方法；圖像的形狀特征；圖像的統(tǒng)計特征。教學要求：了解SUSAN角點檢測算法、圖像的紋理特征及其描述和提取方法（基于灰度直方圖統(tǒng)計矩的紋理特征描述與提取方法、基于結構方法的紋理描述、基于頻譜方法的紋理描述）、圖像的形狀特征和圖像的統(tǒng)計特征，理解基于灰度共生矩陣的紋理特征提取方法，掌握圖像的邊緣特征及其檢測方法（圖像邊緣的特征、梯度邊緣檢測、二階微分邊緣檢測）、圖像的點與角點特征及其檢測方法（圖像點特征及其檢測方法）、圖像的紋理特征及其描述和提取方法（圖像紋理的概念和分類、圖像紋理的主要特性及描述方法）。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為圖像的邊緣特征及其檢測方法和基于灰度共生矩陣的紋理特征提取方法。難點內容為SUSAN角點檢測算法和基于灰度共生矩陣的紋理特征提取方法。（十）第10章彩色圖像處理（4學時）內容要點：彩色視覺；彩色模型；彩色變換；彩色圖像增強；彩色圖像的平滑；彩色圖像的銳化。教學要求：理解彩色模型、彩色圖像平滑和彩色圖像銳化方法，掌握彩色視覺、彩色變換和彩色圖像增強方法。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為彩色變換和彩色圖像增強方法。難點內容為彩色模型。（十一）第11章形態(tài)學圖像處理（2學時）內容要點：集合論基礎；二值形態(tài)學的基本運算。教學要求：理解形態(tài)學中的集合運算方法、開運算和閉運算方法，掌握腐蝕和膨脹兩種二值形態(tài)學基本運算方法。教學方法與手段：以課堂講授為主，運用啟發(fā)使教學，用相關算法實例進行說明展示。重點、難點：重點內容為二值形態(tài)學的腐蝕和膨脹運算方法。難點內容為開運算、閉運算。（十二）第12章目標表示與描述（2學時）內容要點：邊界表示；邊界描述（簡單的邊界描述子、形狀數(shù)）；區(qū)域表示（區(qū)域標示、四叉樹表示）；區(qū)域描述（幾種簡單的區(qū)域描述子、拓撲描述子）；關系描述（串描述子）。教學要求：了解邊界表示中的多邊形近似、邊界分段、標記圖方法；邊界描述中的簡單的邊界描述子、傅里葉描述子、統(tǒng)計矩方