《数字图像处理》课程教学大纲

《数字图像处理》课程教学大纲DigitalImageProcessing执笔人：阮秋琦编写日期：2012年11月一、课程基本信息1．课程编号：80L407Q2．课程层次及课程性质：电气信息类专业主干课3．学时/学分：64/44．适用专业：电气信息类专业二、课程教学目标及学生应达到的能力本课程是电气信息类专业的专业主干课程，特别是在信息与通信工程、信息工程、计算机科学与技术及生物医学工程等专业应属必修的专业基础和专业课范畴。本课程的目的是使学生对数字图像处理科学与技术有较为全面的了解，初步掌握本门科学的基本理论与方法，了解本门学科的应用领域，并能运用本课所学内容初步解决一些实际问题，为今后的深入研究与实践打下良好的基础。数字图像处理是信息与通信工程及计算机科学与技术学科的重要研究方向及业务内容之一，也是信息科学中发展最快的热点研究方向。它不仅涉及专深的基础理论而且与工程实践密切相关，同时具有极其广阔的探索空间。因此，本课程通过研究性教学方法应培养学生达到如下能力：（一）通过理论教学使学生打下坚实的基础理论和掌握系统的专门知识1．系统掌握数字图像处理的基本概念、基本方法和基本理论体系；2．掌握数字图像处理中的数学工具的严密性与工程运用的特殊算法间的理论联系，培养学生科学严密的逻辑思维习惯。（二）通过实验教学培养学生理论联系实际的能力，掌握基础理论运用于工程实践的演变规律1．通过认识性实验使学生了解数字图像处理的实际效果和应用领域，调动学生的学习积极性；2．通过模仿练习性实验使学生运用学到的基本理论知识掌握技术实现的基本方法；3．通过给定的实际问题使学生利用学到的已有知识解决特定的技术问题；4．通过研究性综合实验培养学生提炼科学问题、解决实际问题、判断实践结果及理论提升的能力，培养学生的创新意识，并初步掌握科学研究的基本方法和思路。（三）通过本课程的教学，加强学生的综合素质培养1．培养学生潜心读书，严谨求知的学风；2．培养学生理论联系实际，勤于思考的自主学习的习惯；3．培养学生独立思考，举一反三，融会贯通的学习方法；4．培养学生提炼科学问题，设计解决方案，检验实践结果和总结提升的能力；5．培养学生团结合作，互相帮助的团队精神。三、课程教学内容和学时分配绪论（4学时课堂教学+4学时实验教学）主要讲授图像处理的理论和技术的发生、发展、对国计民生的重要意义、研究的主要内容、涉及的基础理论、及其未来的发展方向；1.本章知识点：掌握图像处理工程的主要内容；掌握数字图像处理的主要内容；掌握数字图像处理的主要方法；了解数字图像处理的发展方向。2.讲授要点：（1）掌握“数字图像处理”科学的全貌概括介绍完整的图像处理工程的五项主要研究内容，展示主要设备及其优缺点，使学生具有初步的感性认识和根据特定任务域选择适当的技术设备及技术的方法的能力；提纲携领地介绍数字图像处理的八大研究内容，展示主要的处理效果，在建立感性认识的基础上提高学生的学习积极性。（2）掌握数字图像处理科学的学习方法从数字图像的理论入手，介绍学习本门科学的方法。（3）简要了解科学研究的一般规律与思维习惯。根据教师自己的科研经历，结合理论教学介绍一些科研规律与方法，培养学生正确的思维习惯。3.自主学习：查阅文献并收集图像处理的应用实例，并结合计算机中图像文件的格式观察总结常用的计算机数字图像处理的效果。数字图像处理中的正交变换（8学时课堂教学）讲授数字图像处理中普遍应用的正交变换的理论和算法、应用及技巧；1.本章知识点：了解傅里叶变换：包括傅里叶变换的快速算法的基本思想和计算机实现的方法；掌握余弦变换：包括离散余弦变换的定义、正交性和快速算法；掌握沃尔什变换：包括沃尔什函数的定义、沃尔什变换的正交性和快速算法。2.讲授要点：（1）强调严密的数学工具回归工程的一般规律（研究性教学强调的重要内容）；（2）几种快速算法的基本思想，启发探究思路。3.自主学习：配合一定数量的作业，理解数学概念及计算方法；回顾所涉及的数学理论，总结在图像处理中如何应用这一数学工具。指出严密的数学理论与工程应用的差异，培养严密的逻辑思维习惯的同时，掌握工程实现的方法和规律。图像增强（10学时课堂教学+4学时实验教学）主要讲授图像增强处理的分类、处理算法及处理效果，并对其应用有一概括的掌握；1.本章知识点：掌握图像增强处理的主要方法论：包括空间域与变换域的联系与差异；掌握直方图修改技术：包括连续函数的基本理论推导与离散处理的特点；掌握图像平滑化处理：包括强调主要技术难点及解决方法（研究性教学强调的重要内容）；掌握图像尖锐化处理：重点点出平滑与尖锐化的对应关系，特别是在变换域中的处理；掌握伪彩色处理和真彩色处理的重要区别。2.讲授要点：（1）空间域处理的主要思路（2）变换域处理的主要思路（3）两种处理的内在联系。3.自主学习：本章安排模仿性实验一次，使学生了解基本理论的技术实现方法，锻炼学生编程能力。本实验有详细的实验指导书，同时安排一定数量的作业。结合学生较熟悉的Photoshop中图像处理效果，观察图像增强的作用。图像编码（8学时课堂教学）讲授图像的经典编码方法，对信源编码的数据压缩技术有较多的了解，这是数字通信及多媒体应用的基础。特别是对当前的一些国际标准有一些最基本的了解。1.本章知识点：掌握图像编码的主要目的和方法：包括第一代与第二代的主要特点；掌握PCM编码原理：包括设计思路及基本衡量指标；掌握DM编码原理：包括设计思路及基本衡量指标；掌握DPCM编码原理：包括设计思路及基本衡量指标；掌握变换编码原理：包括最佳变换的理论推导及意义（研究性教学强调的重要内容）；了解当今图像编码标准。2.讲授要点：（1）传统图像编码的主要宗旨；（2）图像编码的基本理论；（3）现代图像编码的三个特点。3.自主学习：安排一定数量的作业，巩固所学理论知识。结合计算机内图像格式及MP4等数码设备的图像格式，总结各种压缩方法的数据压缩效果。图像复原（6学时课堂教学+4学时实验教学）着重讲授图像退化模型，图像的逆滤波及中值滤波方法，并对处理效果有一感性认识。1.本章知识点：了解图像复原处理的主要宗旨；掌握连续函数的退化模型推导，离散退化模型的形式，逆滤波图像复原方法，中值滤波法；均值滤波法。2.讲授要点：（1）复原处理的主要目的；（2）退化模型的推导（3）线性与非线性复原的特点。3.自主学习：安排一定数量的作业，巩固课堂所学知识。结合学生较熟悉的Photoshop中图像处理效果，观察图像复原的作用。图像重建（4学时课堂教学）图像处理中一个重要研究分支是物体图像的重建，它被广泛应用于检测和观察中。本章重点讲授傅里叶重建的基本原理，Radon变换和CT基本成像原理及其算法。1.本章知识点：掌握重建基本原理：包括强调从数据到图像的处理过程；Radon变换：包括基本重建的数学理论和基础；掌握CT基本成像原理：包括工业实现的巧妙构思（研究性教学强调的重要内容）；掌握傅里叶反投影法重建；了解卷积反投影发重建。2.讲授要点：（1）重建与其他的处理方法的基本区别；（2）重建的重要意义。（3）课堂展示图像重建的实例，加强感性认识。3.自主学习：结合电影“泰坦尼克号”及“终结者”体会图像重建的重要应用。图像分析（8学时课堂教学）图像处理的另一个主要分支是图像分析或景物分析。本章讲授图像分割、图像描绘及形式语音的基本知识，同时掌握图像描绘的简单方法。1.本章知识点：掌握图像分割：包括阈值分割法、样板匹配、区域生长、区域聚合方法；掌握描绘：包括区域描绘、关系描绘、相似性描绘和霍夫变换；了解形式语言等基本原理：包括形式语言研究的宗旨，形式语言的定义、串文法、高维文法。2.讲授要点：（1）图像分析与其他处理方法的基本区别；（2）图像分析的综合性。3.自主学习：自主学习：读一篇有关自然语言生成或自动语言翻译的综述文献，了解形式语言的研究目的；了解遥感图像分析，理解图像分析的重要意义。总复习：（课堂教学）实验教学内容规划：1．图像处理系统及处理效果实践：认识性实验，2学时（课内）2．直方图修改程序实现实验：模仿学习软件实现，4学时（课内）3．中值及均值滤波的计算机实现：自主编程实践，4学时（课内）4．综合实验：自主研究探讨型实验，6学时（课内）从任务清单提炼问题、设计解决方案、计算机实现、解决问题，并在课堂上集体讨论，质疑。锻炼学生运用知识，综合解决实际问题的能力，体验科学研究的基本过程。（研究性教学强调的重要内容）四、教学安排建议课堂讲授48学时，课内实验16学时，本课程中的实验、上机及总复习课主要安排在课内。在教学方法中配合电子课件，演示一定的图像处理效果图，增加学生的感性认识。本课程强调研究性教学，在教学进程，课堂讲授艺术，实验安排均体现对学生综合素质培养的根本宗旨。教学团队由长期工作在科研教学第一线的资深教师牵头，老中青三结合，配合国家级精品课程建设，探索先进的教学方法，以形成具有理论指导的普适性的教学模式。实验与作业紧紧围绕教学内容和进度进行安排，达到学生能及时消化课堂教学内容的目的。其中，直方图修改程序实现实验为综合实验的先行铺垫，使学生能动手修改部分程序，增强学生实践能力，为综合研究性实验打下基础。综合实验是研究性实验，它综合考察学生掌握本门科学的能力，具有探究性，并可培养学生的综合能力。五、课程的考核本课程为闭卷笔试，考试时间2小时。在总成绩中考试成绩占60%，作业及实验考核占40%。期末考试卷面成绩低于45分时，平时成绩不再累计，成绩按照卷面实际分数计算考核成绩的评定对学生的成长至关重要，它不是简单的成绩评定，而是关乎学生的学习兴趣与学习信心的培养，是素质教育的重要环节与指导性政策。所以考核方法与评分比例的设计要建立在科学的基础之上。笔试成绩设计为基本学习成效的评定，以保证在课堂学习、基本实验和作业三项主要过程认真学习的学生有客观满意的评定，增强其学习信心。实验，特别是研究性实验的考核主要强调研究过程（集体研究，方案设计、报告与答辩）所起的作用来加以评定，以鼓励表现突出的学生，着力培养有创新潜力的人才，同时为学生树立一个可供学习的榜样。六、本课程与其它课程的联系与分工先修课程：概率论、线性代数、随机过程，数字信号处理、信号与系统、信息论等七、建议教材及教学参考书[1]数字图像处理学（第三版），阮秋琦编著..北京电子工业出版社，2007[2]数字图象处理基础（第二版）阮秋琦编著清华大学出版社[3]DigitalImageProcessing(ThirdEdition)，R.C.Gonzalez，R.E.Woods，电子工业出版社,2010[4]数字图像处理（第三版），阮秋琦译，电子工业出版社，2011年。[5]DigitalImagePr