B0210111C 《数字图像处理与图像通信实验》大纲
课程编号 ：B0210111C 课程名称：数字图像处理与图像通信实验
课内总学时：24 实验学时：24×1.5
一、实验课程的性质、目的与任务
性质：《数字图像处理与图像通信实验》是电子信息工程专业开设的专业选修课。本实验是在《图像处理》和《图像通信》课程基础上开设的独立实验课。
目的：结合上述两门课程的理论知识，通过实验教学环节，使学生更好地了解数字图像的特性，以及图像处理和编码算法的基本性能和实现方法。培养学生的科学实验能力。
任务：使用Matlab7.X软件平台，结合图像处理工具箱，学会设计图像处理和图像编码相关算法实验程序。通过改变不同的实验参数，观察各种条件下的图像效果，并对实验结果进行比较和分析。
二、实验内容、学时分配及基本要求
序号 |
实验名称 |
课时 |
实验内容及要求 |
开出组数 |
实验类型 |
选做 |
必做 |
备注 |
1 |
图像信号的数字化 |
4×1.5 |
内容：
编写图像数字化程序（图像的抽样与量化）。参数 k，n 可调。其中k为亚抽样比例；n为量化比特数。改变抽样频率和量化比特数，显示图像处理结果。
要求：
可选择任意图像进行处理，在显示器上观察各种数字化参数组合下的图像效果。了解图像的数字化参数选择与质量的关系。 |
50 |
验证 |
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√ |
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2 |
图像灰度级修正 |
2×1.5 |
内容：
用选定的降质图像进行灰度变换和直方图均衡设计。
1.编程实现图像的灰度变换。改变图像输入、输出映射的灰度参数范围(拉伸和反比)，观看图像处理结果。
2.对图像进行直方图均衡化处理，显示均衡前后的直方图和图像。
要求：
掌握图像灰度变换和直方图均衡化基本方法。根据均衡化后的图像特点，分析哪一类图像需要均衡化处理，哪一类图像不适宜这种处理。 |
50 |
验证 |
|
√ |
|
3 |
图像平滑滤波 |
4×1.5 |
内容：
1.编写并调试窗口为m×m的平滑滤波函数。
2.编写并调试窗口为m×m的中值滤波函数。
要求：
掌握均值滤波和中值滤波基本方法，对处理的图像结果，分析两种算法的主要区别、以及改变窗口尺寸对滤波结果的影响。 |
50 |
验证 |
|
√ |
|
4 |
图像锐化处理 |
2×1.5 |
内容：
1.编写Robert梯度滤波函数。
2.编写Sobel算子滤波函数。
3.编写拉普拉斯边缘增强滤波函数。
要求：
掌握各种算子的基本原理和方法，实现图像边缘的提取和加强。显示、观察结果图像，分析锐化滤波算子各自的特点。 |
50 |
验证 |
|
√ |
|
5 |
图像的伪彩色处理 |
2×1.5 |
内容：
编写密度分割函数和灰度级彩色变换函数，实现图像的伪彩色显示。
要求：
掌握伪彩色处理的基本方法，将灰度图像转换为多种颜色的彩色图像，观察和分析伪彩色图像的特点。 |
50 |
验证 |
√ |
|
|
6 |
图像的几何变换 |
2×1.5 |
内容：
1.编程实现图像的比例缩放。
2.编程实现图像任意角度的旋转变换。
3.分别用MATLAB函数提供的三种插值方法实现图像的缩放和旋转。
要求：
掌握图像几何空间变换和灰度插值的基本方法，根据几何变换结果，比较和分析1/2、1/4图像经三种插值算法的缩放效果。 |
50 |
验证 |
√ |
|
|
7 |
图像的复原处理 |
4×1.5 |
见综合实验大纲 |
50 |
综合 |
√ |
|
|
8 |
图像的数学形态学变换 |
2×1.5 |
内容：
1. 编程实现二值图像的基本形态学处理。如腐蚀、膨胀、开运算和闭运算。
2. 用形态学运算实现灰度图像的噪声平滑和图像边缘提取。
要求：
熟练和掌握MATLAB提供的相关函数，运用数学形态学方法对二值图像和灰度图像进行相应的处理。 |
50 |
验证 |
√ |
|
|
9 |
图像的统计特性 |
2×1.5 |
内容：
以序列图像为实验对象，编写图像帧内/帧间统计特性函数。
要求：
掌握图像统计方法，用MATLAB提供的画图函数实现统计分布曲线的显示。
通过实验，分析水平和垂直方向差值信号和帧间差值信号的的统计分布规律。 |
50 |
验证 |
√ |
|
|
10 |
图像的统计编码 |
4×1.5 |
内容：
用指定的实验图像，观察哈夫曼（Huffman）编码过程（如图像灰度级的概率统计、哈夫曼码字、码字长度等数据）。
要求：
通过实验显示，观察编码的各步骤，了解其编码基本方法和性能，并举例说明哈夫曼编码的应用场合。 |
50 |
验证 |
√ |
|
|
11 |
图像线性预测编码（DPCM） |
4×1.5 |
内容：
1. 编制帧内一维前值预测编解码处理程序。
2. 编制帧内二维前值预测编解码处理程序。
3.重建图像与原图像的误差图像，观察误差的分布情况。
实验采用15个量化分层的主观量化器。分别计算重建后的PSNR。
要求：
通过显示、观察编码后的图像，分析一维和二维预测DPCM的编码性能。 |
50 |
验证 |
|
√ |
|
12 |
图像方块编码 |
4×1.5 |
内容：
编程实现子块为n×n的方块编码基本算法，分别取n＝2，4，8方块尺寸进行编解码实验，计算编码后的均方误差、压缩比。
要求：
掌握方块编码的基本方法，观察编码后的图像，分析不同n 时重建图像的压缩性能。 |
50 |
验证 |
|
√ |
|
13 |
图像的小波变换 |
4×1.5 |
内容：
以标准图像为实验对象，观察：对图像进行的二维小波多分辨率分解、小波高/低频系数的提取以及小波变换后的图像重建。
要求：
通过实验显示，观察图像二级分解的结果，说明分解的细节分量各自代表的意义，画出小波二级分解的频带划分示意图；了解小波变换系数对图像重建的影响。 |
50 |
验证 |
√ |
|
|
14 |
JPEG压缩编码 |
4×1.5 |
见综合实验大纲 |
50 |
综合 |
|
√ |
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15 |
序列图像的运动估计 |
6×1.5 |
见设计实验大纲 |
50 |
设计 |
√ |
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三、考核及实验报告
（一）考核：
本实验课程为独立设课的考查课，实验考核以平时实验操作（50%）和实验报告内容（50%）综合评定实验成绩。实验操作由教师根据学生的课堂表现（如：有无缺勤、实验的准备情况、课堂上是否认真实验以及实验结果等）和实验后的实验报告内容进行成绩评定。评定成绩按优秀、良好、中等、及格、不及格五等进行设定。
（二）实验报告：
实验报告内容：包括实验名称、目的、任务、 实验过程描述（包括算法分析过程以及源程序等）、分析和体会（包括实验结果分析，问题讨论与实验心得）。
实验报告以文本形式递交。实验报告要书写规范、文字简练、语句通顺、图表清晰。
四、主要仪器设备
硬件：微型计算机
软件：Matlab7.X
五、教材及参考书
教材：
刘渝.数字图像处理与图像通信实验：南京邮电大学，2007
参考书：
朱秀昌，刘峰，胡栋.数字图像处理与图像通信.北京：北京邮电大学出版社，2006
六、说明
本课程设计了多种类型实验，可以根据实际情况选择，在实验教学中不超过24×1.5学时。
综合性实验大纲要求
实验课程名称：数字图像处理与图像通信实验
实验项目名称：图像的复原处理
实 验 类 型 ：综合性实验
实 验 类 别 ：基础 专业基础 专业√
实 验 学 时 ：4学时
所涉及的课程知识点：图像降质模型、逆滤波方法、维纳滤波图像复原方法
一、实验目的：
1、通过该综合性实验，理解图像运动模糊、高斯模糊以及其他噪声引起模糊（图像降质现象）的物理本质。
2、掌握降质图像的逆滤波复原和维纳滤波复原方法，了解图像逆滤波复原的病态性质。
二、实验内容：
1、编程实现一幅256×256、8比特/象素的Lena的运动模糊、高斯模糊和噪声退化。
2、编程实现图像的逆滤波复原算法。
3、编程实现图像的维纳滤波图像复原方法。
三、实验仪器设备和材料清单
硬件：微型计算机
软件：Matlab7.X
四、实验要求
1. 图像运动模糊的程度可变。
2. 计算图像复原后的信噪比。
五、实验步骤及结果测试
1、读取Lena图像并显示。
2、设计运动滤波器、设计高斯模糊噪声滤波器。
3、生成退化或降质图像并显示。
4、修改相关滤波器参数，观察图像退化或降质程度。
5、设计逆滤波器，并对降质图像进行复原，比较复原图像与原始图像。
6、设计维纳滤波器，并对降质图像进行复原，比较复原图像与原始图像。
7、计算退化图像、不同方法复原后图像的信噪比。
8、针对其他图像重做上述内容。
六、 实验报告要求
1、要求写出上述8个步骤的原代码。
2、对上述现象进行分析，并得出相关结论。
七、思考题
1、在运动模糊中，图像退化与哪些因素有关？
2、描述无约束图像复原的病态性质。
3、说明噪声对图像复原的影响。
综合性实验教学大纲
实验课程名称：数字图像处理与图像通信实验
实验项目名称：JPEG压缩编码
实 验 类 型 ：综合性实验 (必做)
实 验 类 别 ：基础 专业基础 专业√
实 验 学 时 ：4学时
所涉及的课程及知识点：“数字信号处理”、“数字图像处理与图像通信”。
图像信号的正交变换；图像的统计特性；图像压缩编码
一、实验目的
1、掌握图像n×n子块DCT变换及频谱特点。
2、基本掌握JPEG基本系统的图像编解码方法。
二、实验内容
1. 编程实现n×n子块DCT变换的图像频谱显示。
2. 编程实现8×8子块DCT变换的图像压缩
3. 编程实现近似JPEG的图像压缩
三、实验仪器设备和材料清单
硬件：微型计算机
软件：Matlab7.X
四、实验要求
1. n×n 子块DCT变换的n参数可变。
2. 对8×8子块DCT变换系数逐次进行“Z”扫描。
3. 计算图像的均方根误差RMSE。
五、实验步骤及结果测试?
实验步骤：DCT变换、量化、“Z”扫描、反量化、DCT反变换。
结果测试：
1. 图像n×n子块DCT变换的频谱显示。
2. 取逐次“Z” 扫描保留的系数，显示DCT的压缩图像、误差图像、误差直方图以及图像的均方根误差RMSE。
3. 显示JPEG压缩图像、误差图像、误差直方图以及图像的均方根误差RMSE。
六、实验报告要求
1、观察图像n×n子块的DCT频谱系数能量分布，并分析其特点。
2、对8×8子块DCT变换按“Z”字扫描后的压缩图像、误差图像、误差直方图进行分析和比较。
3、对JPEG压缩图像、误差图像、误差直方图进行分析和比较。
七、思考题
- 变换压缩编码中的压缩是通过变换实现还是通过编码实现的？
- 根据JPEG压缩编码算法的主要计算步骤，假设计算机的精度足够高，问在计算方法中，哪些计算对图像的质量是有损的？哪些计算对图像的质量是无损的？
设计性实验教学大纲
实验课程名称：数字图像处理与图像通信实验
实验项目名称：序列图像的运动估计
实 验 类 型 ：设计性实验 (*为本课程实验的选做实验)
实 验 类 别 ：基础 专业基础 专业√
实 验 学 时 ：6学时
一、实验目的
根据所学的活动图像压缩编码理论，掌握运动估计的块匹配算法，以了解快速运动估计在混合编码器中的重要性。
二、预习与参考
[1] 朱秀昌,刘峰,胡栋.数字图像处理与图像通信.北京邮电大学出社
[2] 闫敬文.数字图像处理.国防工业出版社
三、设计指标
运动估计算法的峰值信噪比PSRN/db和所需时间 TIME/s比较。
四、实验要求（设计要求）
1. 以序列图像为实验对象，编程实现基于块匹配的全搜索算法、三步法搜索法或者菱形搜索算法。
2. 将各子块的运动矢量场叠加在图像上，比较搜索算法矢量场的差异，分析程序设计正确与否。
五、实验（设计）仪器设备和材料清单
硬件：微型计算机
软件：Matlab7.X
微型计算机
六、调试及结果测试
1. 显示搜索算法得到的运动矢量场。
2. 显示搜索算法得到的预测图像、位移帧差图像DFD，统计DFD的分布。
七、实验报告要求
1. 对搜索算法的性能列表进行分析和比较。
2. 列出几种常用的块匹配准则。
3. 举例某种活动图像压缩编码标准所采用的混合编码方案。
八、思考题
1. 活动图像帧间压缩编码的重要依据是什么？
2. 运动补偿帧间预测编码包括哪几部分？
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