《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)大綱

《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)大綱DigitalImageProcessing執(zhí)筆人：阮秋琦編寫日期：2012年11月一、課程基本信息1．課程編號(hào)：80L407Q2．課程層次及課程性質(zhì)：電氣信息類專業(yè)主干課3．學(xué)時(shí)/學(xué)分：64/44．適用專業(yè)：電氣信息類專業(yè)二、課程教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生應(yīng)達(dá)到的能力本課程是電氣信息類專業(yè)的專業(yè)主干課程，特別是在信息與通信工程、信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)應(yīng)屬必修的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課范疇。本課程的目的是使學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理科學(xué)與技術(shù)有較為全面的了解，初步掌握本門科學(xué)的基本理論與方法，了解本門學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域，并能運(yùn)用本課所學(xué)內(nèi)容初步解決一些實(shí)際問(wèn)題，為今后的深入研究與實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。數(shù)字圖像處理是信息與通信工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的重要研究方向及業(yè)務(wù)內(nèi)容之一，也是信息科學(xué)中發(fā)展最快的熱點(diǎn)研究方向。它不僅涉及專深的基礎(chǔ)理論而且與工程實(shí)踐密切相關(guān)，同時(shí)具有極其廣闊的探索空間。因此，本課程通過(guò)研究性教學(xué)方法應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到如下能力：（一）通過(guò)理論教學(xué)使學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和掌握系統(tǒng)的專門知識(shí)1．系統(tǒng)掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、基本方法和基本理論體系；2．掌握數(shù)字圖像處理中的數(shù)學(xué)工具的嚴(yán)密性與工程運(yùn)用的特殊算法間的理論聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)密的邏輯思維習(xí)慣。（二）通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，掌握基礎(chǔ)理論運(yùn)用于工程實(shí)踐的演變規(guī)律1．通過(guò)認(rèn)識(shí)性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解數(shù)字圖像處理的實(shí)際效果和應(yīng)用領(lǐng)域，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；2．通過(guò)模仿練習(xí)性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生運(yùn)用學(xué)到的基本理論知識(shí)掌握技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基本方法；3．通過(guò)給定的實(shí)際問(wèn)題使學(xué)生利用學(xué)到的已有知識(shí)解決特定的技術(shù)問(wèn)題；4．通過(guò)研究性綜合實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生提煉科學(xué)問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題、判斷實(shí)踐結(jié)果及理論提升的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，并初步掌握科學(xué)研究的基本方法和思路。（三）通過(guò)本課程的教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)1．培養(yǎng)學(xué)生潛心讀書，嚴(yán)謹(jǐn)求知的學(xué)風(fēng)；2．培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，勤于思考的自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣；3．培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，舉一反三，融會(huì)貫通的學(xué)習(xí)方法；4．培養(yǎng)學(xué)生提煉科學(xué)問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決方案，檢驗(yàn)實(shí)踐結(jié)果和總結(jié)提升的能力；5．培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作，互相幫助的團(tuán)隊(duì)精神。三、課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配緒論（4學(xué)時(shí)課堂教學(xué)+4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)）主要講授圖像處理的理論和技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展、對(duì)國(guó)計(jì)民生的重要意義、研究的主要內(nèi)容、涉及的基礎(chǔ)理論、及其未來(lái)的發(fā)展方向；1.本章知識(shí)點(diǎn)：掌握?qǐng)D像處理工程的主要內(nèi)容；掌握數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容；掌握數(shù)字圖像處理的主要方法；了解數(shù)字圖像處理的發(fā)展方向。2.講授要點(diǎn)：（1）掌握“數(shù)字圖像處理”科學(xué)的全貌概括介紹完整的圖像處理工程的五項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容，展示主要設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)，使學(xué)生具有初步的感性認(rèn)識(shí)和根據(jù)特定任務(wù)域選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)設(shè)備及技術(shù)的方法的能力；提綱攜領(lǐng)地介紹數(shù)字圖像處理的八大研究?jī)?nèi)容，展示主要的處理效果，在建立感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。（2）掌握數(shù)字圖像處理科學(xué)的學(xué)習(xí)方法從數(shù)字圖像的理論入手，介紹學(xué)習(xí)本門科學(xué)的方法。（3）簡(jiǎn)要了解科學(xué)研究的一般規(guī)律與思維習(xí)慣。根據(jù)教師自己的科研經(jīng)歷，結(jié)合理論教學(xué)介紹一些科研規(guī)律與方法，培養(yǎng)學(xué)生正確的思維習(xí)慣。3.自主學(xué)習(xí)：查閱文獻(xiàn)并收集圖像處理的應(yīng)用實(shí)例，并結(jié)合計(jì)算機(jī)中圖像文件的格式觀察總結(jié)常用的計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理的效果。數(shù)字圖像處理中的正交變換（8學(xué)時(shí)課堂教學(xué)）講授數(shù)字圖像處理中普遍應(yīng)用的正交變換的理論和算法、應(yīng)用及技巧；1.本章知識(shí)點(diǎn)：了解傅里葉變換：包括傅里葉變換的快速算法的基本思想和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法；掌握余弦變換：包括離散余弦變換的定義、正交性和快速算法；掌握沃爾什變換：包括沃爾什函數(shù)的定義、沃爾什變換的正交性和快速算法。2.講授要點(diǎn)：（1）強(qiáng)調(diào)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)工具回歸工程的一般規(guī)律（研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)的重要內(nèi)容）；（2）幾種快速算法的基本思想，啟發(fā)探究思路。3.自主學(xué)習(xí)：配合一定數(shù)量的作業(yè)，理解數(shù)學(xué)概念及計(jì)算方法；回顧所涉及的數(shù)學(xué)理論，總結(jié)在圖像處理中如何應(yīng)用這一數(shù)學(xué)工具。指出嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論與工程應(yīng)用的差異，培養(yǎng)嚴(yán)密的邏輯思維習(xí)慣的同時(shí)，掌握工程實(shí)現(xiàn)的方法和規(guī)律。圖像增強(qiáng)（10學(xué)時(shí)課堂教學(xué)+4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)）主要講授圖像增強(qiáng)處理的分類、處理算法及處理效果，并對(duì)其應(yīng)用有一概括的掌握；1.本章知識(shí)點(diǎn)：掌握?qǐng)D像增強(qiáng)處理的主要方法論：包括空間域與變換域的聯(lián)系與差異；掌握直方圖修改技術(shù)：包括連續(xù)函數(shù)的基本理論推導(dǎo)與離散處理的特點(diǎn)；掌握?qǐng)D像平滑化處理：包括強(qiáng)調(diào)主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方法（研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)的重要內(nèi)容）；掌握?qǐng)D像尖銳化處理：重點(diǎn)點(diǎn)出平滑與尖銳化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是在變換域中的處理；掌握偽彩色處理和真彩色處理的重要區(qū)別。2.講授要點(diǎn)：（1）空間域處理的主要思路（2）變換域處理的主要思路（3）兩種處理的內(nèi)在聯(lián)系。3.自主學(xué)習(xí)：本章安排模仿性實(shí)驗(yàn)一次，使學(xué)生了解基本理論的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，鍛煉學(xué)生編程能力。本實(shí)驗(yàn)有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，同時(shí)安排一定數(shù)量的作業(yè)。結(jié)合學(xué)生較熟悉的Photoshop中圖像處理效果，觀察圖像增強(qiáng)的作用。圖像編碼（8學(xué)時(shí)課堂教學(xué)）講授圖像的經(jīng)典編碼方法，對(duì)信源編碼的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)有較多的了解，這是數(shù)字通信及多媒體應(yīng)用的基礎(chǔ)。特別是對(duì)當(dāng)前的一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有一些最基本的了解。1.本章知識(shí)點(diǎn)：掌握?qǐng)D像編碼的主要目的和方法：包括第一代與第二代的主要特點(diǎn)；掌握PCM編碼原理：包括設(shè)計(jì)思路及基本衡量指標(biāo)；掌握DM編碼原理：包括設(shè)計(jì)思路及基本衡量指標(biāo)；掌握DPCM編碼原理：包括設(shè)計(jì)思路及基本衡量指標(biāo)；掌握變換編碼原理：包括最佳變換的理論推導(dǎo)及意義（研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)的重要內(nèi)容）；了解當(dāng)今圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)。2.講授要點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)圖像編碼的主要宗旨；（2）圖像編碼的基本理論；（3）現(xiàn)代圖像編碼的三個(gè)特點(diǎn)。3.自主學(xué)習(xí)：安排一定數(shù)量的作業(yè)，鞏固所學(xué)理論知識(shí)。結(jié)合計(jì)算機(jī)內(nèi)圖像格式及MP4等數(shù)碼設(shè)備的圖像格式，總結(jié)各種壓縮方法的數(shù)據(jù)壓縮效果。圖像復(fù)原（6學(xué)時(shí)課堂教學(xué)+4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)）著重講授圖像退化模型，圖像的逆濾波及中值濾波方法，并對(duì)處理效果有一感性認(rèn)識(shí)。1.本章知識(shí)點(diǎn)：了解圖像復(fù)原處理的主要宗旨；掌握連續(xù)函數(shù)的退化模型推導(dǎo)，離散退化模型的形式，逆濾波圖像復(fù)原方法，中值濾波法；均值濾波法。2.講授要點(diǎn)：（1）復(fù)原處理的主要目的；（2）退化模型的推導(dǎo)（3）線性與非線性復(fù)原的特點(diǎn)。3.自主學(xué)習(xí)：安排一定數(shù)量的作業(yè)，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)。結(jié)合學(xué)生較熟悉的Photoshop中圖像處理效果，觀察圖像復(fù)原的作用。圖像重建（4學(xué)時(shí)課堂教學(xué)）圖像處理中一個(gè)重要研究分支是物體圖像的重建，它被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)和觀察中。本章重點(diǎn)講授傅里葉重建的基本原理，Radon變換和CT基本成像原理及其算法。1.本章知識(shí)點(diǎn)：掌握重建基本原理：包括強(qiáng)調(diào)從數(shù)據(jù)到圖像的處理過(guò)程；Radon變換：包括基本重建的數(shù)學(xué)理論和基礎(chǔ)；掌握CT基本成像原理：包括工業(yè)實(shí)現(xiàn)的巧妙構(gòu)思（研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)的重要內(nèi)容）；掌握傅里葉反投影法重建；了解卷積反投影發(fā)重建。2.講授要點(diǎn)：（1）重建與其他的處理方法的基本區(qū)別；（2）重建的重要意義。（3）課堂展示圖像重建的實(shí)例，加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)。3.自主學(xué)習(xí)：結(jié)合電影“泰坦尼克號(hào)”及“終結(jié)者”體會(huì)圖像重建的重要應(yīng)用。圖像分析（8學(xué)時(shí)課堂教學(xué)）圖像處理的另一個(gè)主要分支是圖像分析或景物分析。本章講授圖像分割、圖像描繪及形式語(yǔ)音的基本知識(shí)，同時(shí)掌握?qǐng)D像描繪的簡(jiǎn)單方法。1.本章知識(shí)點(diǎn)：掌握?qǐng)D像分割：包括閾值分割法、樣板匹配、區(qū)域生長(zhǎng)、區(qū)域聚合方法；掌握描繪：包括區(qū)域描繪、關(guān)系描繪、相似性描繪和霍夫變換；了解形式語(yǔ)言等基本原理：包括形式語(yǔ)言研究的宗旨，形式語(yǔ)言的定義、串文法、高維文法。2.講授要點(diǎn)：（1）圖像分析與其他處理方法的基本區(qū)別；（2）圖像分析的綜合性。3.自主學(xué)習(xí)：自主學(xué)習(xí)：讀一篇有關(guān)自然語(yǔ)言生成或自動(dòng)語(yǔ)言翻譯的綜述文獻(xiàn)，了解形式語(yǔ)言的研究目的；了解遙感圖像分析，理解圖像分析的重要意義?？倧?fù)習(xí)：（課堂教學(xué)）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃：1．圖像處理系統(tǒng)及處理效果實(shí)踐：認(rèn)識(shí)性實(shí)驗(yàn)，2學(xué)時(shí)（課內(nèi)）2．直方圖修改程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)：模仿學(xué)習(xí)軟件實(shí)現(xiàn)，4學(xué)時(shí)（課內(nèi)）3．中值及均值濾波的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：自主編程實(shí)踐，4學(xué)時(shí)（課內(nèi)）4．綜合實(shí)驗(yàn)：自主研究探討型實(shí)驗(yàn)，6學(xué)時(shí)（課內(nèi)）從任務(wù)清單提煉問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)、解決問(wèn)題，并在課堂上集體討論，質(zhì)疑。鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)，綜合解決實(shí)際問(wèn)題的能力，體驗(yàn)科學(xué)研究的基本過(guò)程。（研究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)的重要內(nèi)容）四、教學(xué)安排建議課堂講授48學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)，本課程中的實(shí)驗(yàn)、上機(jī)及總復(fù)習(xí)課主要安排在課內(nèi)。在教學(xué)方法中配合電子課件，演示一定的圖像處理效果圖，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。本課程強(qiáng)調(diào)研究性教學(xué)，在教學(xué)進(jìn)程，課堂講授藝術(shù)，實(shí)驗(yàn)安排均體現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的根本宗旨。教學(xué)團(tuán)隊(duì)由長(zhǎng)期工作在科研教學(xué)第一線的資深教師牽頭，老中青三結(jié)合，配合國(guó)家級(jí)精品課程建設(shè)，探索先進(jìn)的教學(xué)方法，以形成具有理論指導(dǎo)的普適性的教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)與作業(yè)緊緊圍繞教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度進(jìn)行安排，達(dá)到學(xué)生能及時(shí)消化課堂教學(xué)內(nèi)容的目的。其中，直方圖修改程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)為綜合實(shí)驗(yàn)的先行鋪墊，使學(xué)生能動(dòng)手修改部分程序，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力，為綜合研究性實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。綜合實(shí)驗(yàn)是研究性實(shí)驗(yàn)，它綜合考察學(xué)生掌握本門科學(xué)的能力，具有探究性，并可培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。五、課程的考核本課程為閉卷筆試，考試時(shí)間2小時(shí)。在總成績(jī)中考試成績(jī)占60%，作業(yè)及實(shí)驗(yàn)考核占40%。期末考試卷面成績(jī)低于45分時(shí)，平時(shí)成績(jī)不再累計(jì)，成績(jī)按照卷面實(shí)際分?jǐn)?shù)計(jì)算考核成績(jī)的評(píng)定對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)至關(guān)重要，它不是簡(jiǎn)單的成績(jī)?cè)u(píng)定，而是關(guān)乎學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)信心的培養(yǎng)，是素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)與指導(dǎo)性政策。所以考核方法與評(píng)分比例的設(shè)計(jì)要建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上。筆試成績(jī)?cè)O(shè)計(jì)為基本學(xué)習(xí)成效的評(píng)定，以保證在課堂學(xué)習(xí)、基本實(shí)驗(yàn)和作業(yè)三項(xiàng)主要過(guò)程認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生有客觀滿意的評(píng)定，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)信心。實(shí)驗(yàn)，特別是研究性實(shí)驗(yàn)的考核主要強(qiáng)調(diào)研究過(guò)程（集體研究，方案設(shè)計(jì)、報(bào)告與答辯）所起的作用來(lái)加以評(píng)定，以鼓勵(lì)表現(xiàn)突出的學(xué)生，著力培養(yǎng)有創(chuàng)新潛力的人才，同時(shí)為學(xué)生樹(shù)立一個(gè)可供學(xué)習(xí)的榜樣。六、本課程與其它課程的聯(lián)系與分工先修課程：概率論、線性代數(shù)、隨機(jī)過(guò)程，數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)與系統(tǒng)、信息論等七、建議教材及教學(xué)參考書[1]數(shù)字圖像處理學(xué)（第三版），阮秋琦編著..北京電子工業(yè)出版社，2007[2]數(shù)字圖象處理基礎(chǔ)（第二版）阮秋琦編著清華大學(xué)出版社[3]DigitalImageProcessing(ThirdEdition)，R.C.Gonzalez，R.E.Woods，電子工業(yè)出版社,2010[4]數(shù)字圖像處理（第三版），阮秋琦譯，電子工業(yè)出版社，2011年。[5]DigitalImagePr