数字图像处理实验全

第1篇：数字图像处理实验全

质检行业实验全流程数字化管理体系建设

[摘    要] 随着对实验管理、质量及效率的要求越来越高，质检单位针对性地开展实验全流程数字化管理体系建设。通过以LIMS系统为载体，实现人、机、料、法、环、测的合规管理。通过方案介绍及项目难点，阐述体系建设的要素及注意事项。

[关键词] LIMS 建设原则;整体方案

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 13. 045

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1      项目背景

石油管工程技术研究院（简称管研院）三大业务领域为科学研究、质量监督和技术服务，这三项业务均涉及大量实验，特别是以国家石油管材质量监督检验中心（以下简称国家质检中心）为主的质量监督板块，承担着政府部门组织实施的产品质量监督抽查中的产品质量检验、产品质量争议仲裁检验工作，并以国家产品质量监督检验中心的名义向社会提供相关证明的数据和结果。因此管研院实验全过程数字化管理系统以国家质检中心为核心进行设计开发。

2      行业现状

近年来，随着质检行业形势和信息化技术的发展，国家质检中心对实验室的标准化管理、报告发送的及时率、时效性都提出了更高要求，原有的人工管理模式不能满足现有的发展需求。主要体现在以下几方面。

2.1   规范管理

国家质检中心拥有“国家石油管检测认可实验室”“国家压力管道元件制造行政许可评审鉴定机构”等国家级资质，在日常管理中需严格依据 ISO 17025（实验室认可服务的国际标准）标准对实验室的人、机、料、法、环、测进行合规管理。

国家质检中心在日常管理、业务检测中仍未实现无纸化办公，存在数据查询统计不方便、资源管理复杂等问题。国家质检中心亟须通过数字化管理，将ISO 17025的各项具体要求落实到日常工作中，通过信息手段，实现日常管理的标准化、规范化。

2.2   提升质量

国家质检中心的仪器设备、检测技术已达到国际先进水平，是石油管材检测行业的“国家队”，为“黄岛爆炸”“中缅管线爆炸”等重大安全事件提供了科学的质量检测及分析。质量是国家质检中心的生命线，主要包括数据质量和报告质量两方面。

数据质量：检测人员在进行相关管材实验后，需要在相应的纸质原始记录单据上记录实验数据，并依据具体标准人工进行二次修约。存在误抄、计算失误等风险。

报告质量：报告是国家质检中心交付客户的最终产品，需经过严格三级审批签字，以保障报告结论的准确性。审核过程中需关注报告数据与原始记录是否一致、原始数据是否有不规范的涂改、报告信息量是否符合《准则》要求等细节，单一的人工审核，很难保障所有信息的准确无误，亟须智能化手段辅助，来提高报告质量。

2.3   提升效率

2016年，国家质检中心的检测项目立项为932项，2018年，业务量增长为1 650项，业务量增长53%，同时国家质检中心不断引入新设备、新技术，但人员编制不变。国家质检中心在任务量倍增的情况下，需不断提升效率，保障各类检测数据的准确、及时、规范。

如何利用现代信息技术将大批检验数据准确、快速地处理以提高工作效率，如何满足检验人员、管理人员和客户日益增加的需求，是质检中心亟须解决的新课题。

3      建设原则

3.1   国际标准为管理准则

ISO 17025是实验室认可服务的国际标准，全称ISO/IEC 17025《检测和校准实验室能力的通用要求》。该指南是国内质量监督和监管机构认证测试实验室的标准和依据。

国家质检中心对标ISO 17025中的15项管理要求，10项技术条款，结合本单位自身实际情况，制定针对人员、设备、材料、方法、环境、检测的详细管理办法及细则，保障ISO 17025的各项标准细化至具体的管理要求中。

3.2   实验室信息管理系统（LIMS）为管理载体

国家质检中心定制开发LIMS系统，将管理要求固化到具体的功能模块及业务流程，明确各环节的责、权、人。系统正式上线运行后，国家质检中心停止所有台账、业务单据、原始记录等纸质单据流转，全部转到LIMS系统平台。通过信息手段，实现国家质检中心管理的有形化、载体化。

3.3   自动采集为成功关键

数字化管理不仅需要管理层的顶层设计，更需要上下联动，共同努力才能实现。只有一线人员积极、主动地完成底层各类原始数据的录入及维护工作，才能形成决策支持需要的各类数据的查询统计工作。

一线工作人员最为关注的是如何解放生产力，提升效率，因此数据自动采集是数字化管理转型的成功的关键。通過数据自动采集，减轻一线工作人员的工作量，提高数据的准确度，提高员工向数字化管理转型的积极性。

4      整体方案

依据ISO 17025标准的相关规定，国家质检中心将管理分成资源管理与质量控制两个模块，通过对各模块的规范管理，达到提高质量、提升效率的目标。

4.1   基于ISO 17025的资源管理

检测结果的准确性、可靠性、及时性与技术人员、试剂材料、仪器设备、标准、检测环境等因素是不可分割的，这些因素都是国家质检中心管理的重要组成部分。

国家质检中心通过加强对实验室资源的规范管理和监控，防止人为因素、仪器设备、检测环境等因素对检测数据的影响，从而规范检测内部的工作流程，提高实验室质量管理的效率和水平。

4.1.1   人员管理

ISO 17025标准中规定检测单位需要确保所有从事检测技术工作的人员的能力，并保证人员的资格和培训状态及时更新。国家质检中心通过LIMS系统针对从业人员的岗位、个人信息、工作经历、教育背景、技术成果、培训记录、职称及职业（执业）资格、工作业绩进行全面管控，并通过信息管理提前预警技能证书到期、年度培训等事宜，确保人员、技能、岗位三要素的匹配。

4.1.2   设备管理

ISO 17025标准中规定：检测单位对结果有重要影响的仪器的关键量、值应有详细的校准计划;设备及其软件的文档应保存在相关文档中，方便查询;检测单位对于已过载或处置或己超过规定限值的设备应标记和隔离，以防止误用。

国家质检中心通过对设备仪器的期间核查、维修、校准计划等方面的管理，确保检测和分析仪器的准确性，具体方案包括：设备检定校准功能中，详细记录每台设备的校准时间、校准机构、证书编号、校准结果及下次校定日期，系统默认提前30天以邮件、短信的方式通知设备负责人;设备的所有资产信息均以电子化的方式存储于系统数据库，随时可能调阅查看;LIMS内置逻辑关系，一旦设备状态为维修、报废或停用状态时，检测人员在原始记录录入数据环节中，该设备自动变为灰色，无法进行选取，避免误用。

4.1.3   材料管理

材料即“料”，是ISO 17025质量控制的关键环节，包含对标准品、试剂、计量器具等的管理。根据ISO 17025标准中要求所使用的供应品、试剂和消耗材料必须符合检测规定的要求，且保障材料的溯源信息。

国家质检中心设计的材料管理模块包括一般材料管理、标准物质管理、计量器具管理三方面内容。LIMS系统除了记录材料的来源性和材料的去向、库存信息外，还增加对标样真值、不确定度、校验情况、领用记录等信息管理，从而保证检测数据的可溯源性。

4.1.4   方法管理

ISO 17025标准中规定检测实验室的基本职责是根据客户的测试要求和相关的国际/国家标准进行测试。当客户的测试要求没有现成的技术标准可以参考时，选择和开发测试方法，以确保科学工作的检测，技术上有效防止检测随机和变化。

国家质检中心的方法管理主要包括：设立标准数据库。针对国标、美标、行标等现行的检测方法，完成了963条常用检测方法数据库。在检测方法数据库中详细记录标准的名称、编号、在用状态等信息;建立逻辑关系，避免误操作。通过将方法、设备、原始记录进行一一绑定，在原始记录数据录入环节，只能选择固定的检测方法，避免出现检测环节对标准选择出现偏差。

4.1.5   环境管理

根据ISO 17025标准中规定实验室应确保其环境条件不会使结果失效或不利。环境条件包括温度、温度、照明等物理条件。

国家质检中心对于有数字接口的环境监测设备，通过LIMS系统实时读取相关信息，一旦超出相关上限时，自动提醒实验室负责人。检测人员在原录记录结果录入时，系统自动从环境监测设备中读取当前的温度、湿度等环境要素。

4.2   基于ISO 17025的质量控制

国家质检中心依据ISO 17025中关于检测环节的各项要求，设计完成了检测业务流程图，通过对检测流程、实验数据及质量的持续推进三方面管控，强化质量控制。

4.2.1   检测流程的质量控制

（1）立项质量。项目负责人通过“匹配立项”“历史项目”等功能，将已完成检测项目信息导入到新建项目中，通过对检测完成的项目参考，提高项目立项的质量，避免标准选择、试样规格的误操作。

（2）检测质量。依据立项信息，业务流自动并行分配至各实验室，具体检测人员通过待办事项完成样品接收、检测及数据录入。保障样品的及时送到，避免混样、漏样等事件的发生，提升样品检测的质量。

（3）报告质量。LIMS系统固定各个检测类型的原始记录、综合报告的模板。检测人员将检测数据录入后，原始记录自动生成。项目负责人依据各项检测数据，在固定栏目录入综合分析信息后，综合报告依据模板自动完成，减少原来人工误写的错误，提高报告的质量。

4.2.2   实验数据的质量保证

国家质检中心通过数据自动采集功能，将红外碳硫分析仪、微机控制电子万能试验机等40余套设备的检测数据直接导入LIMS系统的原始记录数据库，去除原来的人工抄录环节，保障仪器设备的原始数据高度准确。

对于实验数据需进行计算或修约的，LIMS系统根据不同试验项目的内设计算公式或数值修约规则，自动进行数据处理。如在力学性能试验中，借助系统设定好的“力值与面积比值”公式，直接获取的材料的屈服强度或抗拉强度。避免人工计算可能带来的数据修约失误，提高数据处理的精准度。

4.2.3   質量管理的持续推进

质量管理的持续推进主要是指质量跟踪和控制。主要通过采取有效预防措施，防止出现不合格产品。对于检测实验室持续开展质量改进活动是非常重要的。只有做到不断的改进，才能提升实验室的整体实为，确保检测报告的质量和数据的准确性，提高体系及过程的有效性。

国家质检中心通过能力验证试验、不符合项查询、比对计划，期间核查、质量监督等具体业务流程，将质量管理持续推进在LIMS系统中流程化、具体化。

5      项目难点

5.1   工作习惯的改变

数字化管理对于国家质检中心是一个全新的尝试，需要全体员工将沿袭十几年的工作习惯改变，对于不熟悉计算机的员工，更是巨大挑战。特别是LIMS系统在试运行期间，必然会出现各类意想不到的问题，员工抵触心理较大。

国家质检中心执行“一把手”负责制，单位负责人积极参与整体方案设计、讨论。各实验室主管作为项目直接参与者，完成本实验室的原始记录设计、问题收集及推广工作。

5.2   各类矛盾的统一

国家质检中心数字化转型实施过程中，不可避免地存在各类矛盾点的统一认识，主要体现在：①管理与执行的矛盾。管理层希望录入的各类数据越全面、越细致，对后期的数据分析统计越有利。而执行层面临着日常工作外，还要额外增加录入工作，存在抵触情绪。②不同专业认识不同。实验室检测人员大多为材料、化学、机械等专业，在自己的实验领域有一技之长，但对信息技术了解不多，大多停留在Word认识阶段。对LIMS系统期望值较高，既希望平台可以有较大的灵活性，又符合各类管理规定的严谨性要求，现有信息技术无法满足相关需求。

国家质检中心采用集中办公方式及时解决各类问题。通过将管理人员、检测人员、信息人员等人员集中办公的方式，不停地进行交流，反复讨论，甚至经争执，最終经过几轮大的调整、修正，形成一套各方满意的实施方案。

6      结    论

实验全流程数字化管理体系建设取得的效果：①以数字化实验室管理系统为平台，实现国际标准的有形化，业务流转的规范化及数据修改透明化。②通过数据自动采集、智能计算等功能，降低数据差错率，提升实验的准确度及时效性，提高工作效率。③利用信息手段，实现各类实验的动态化管理，满足各级管理人员实时查看实验进展、全局统计等需求。④将实验数据以结构化的方式保存在数据库，为后期以不同的维度进行大数据分析提供数据基础。

主要参考文献

[1]李松.有机分析实验室LIMS系统的开发与应用[J].吉林大学学报，2018（1）：84-86.

[2]包先雨.云计算下的检验检疫实验室信息管理系统研究[J].合肥工业大学学报，2014（4）：420-424.

[3]周云飞.实验室信息管理系统（LIMS）在环境监测中应用分析[J].信息技术，2018（2）：43-44.

作者：贾君君 党学涛 杨扬 夏星

第2篇：数字图像处理课程实验教学过程设计

摘要：根据“数字图像处理”课程理论性与实用性的特点，在分析其课程教学体系结构的基础上，充分利用现代新技术和教学理念，文章介绍综合多层项目教学法的设计，以及在“数字图像处理”课程实验教学过程的实践。结果显示，该方法结合武汉大学国家电工电子实验教学示范中心教改项目的实践获得较好效果。

关键词：数字图像处理 综合多层项目教学法 教学过程 FPGA Simulink

建设”(2011007);湖北省教学改革项目“通信工程特色专业建设研究”(2009016)。

“数字图像处理”是高校电子信息类本科生的重要专业课，在信号处理系列课程中扮演重要角色，它的任务是为相关硕士博士点培养专业研究人才打下坚实基础，它是一门理论性和实践性都很强的课程。同时，由于该课程理论性强，且在培养体系中处于最后阶段，因此，如何设计理论实践相结合的实验教学过程，如何培养学生扎实的专业理论基础和实践创新能力，成为一个亟待研究的课题。

目前，新型教育理念和技术手段的发展为提高教育质量提供了新的机会。如计算机技术的发展为教育系统创造了许多新概念[1]，包括“虚拟教育”、“虚拟教室”、“因特网教育”，这些概念为传统意义的教育铺设了新的发展道路;新技术使很多新的教育理念的发展实践成为可能。如基于网络的综合学习方法模型[1]、合作与竞争学习的教育方法[2]、基于项目或者问题的学习[3]，等等。新技术的发展使学生不再依赖教育地点和时间，他们可以在任何时间地点获取知识。

基于多年的教学实践，笔者把握课程特点和发展趋势，充分利用Simulink软件和FPGA硬件等试验设备与技术的发展，结合项目教学法等先进教学

理念，设计并实践了一种利用综合多层项目教学法的“数字图像处理”课程的实验教学过程，希望学生系统地把握和深入理解这门课程的基本理论和方法。

1 “数字图像处理”课程的教学体系结构

“数字图像处理”课程的前置课程除了“高等数学”等公共基础课，还包括信息与通信工程学科方向的“信号与系统”、“数字信号处理”、“信息论与编码”等专业基础课。瑞典布莱金格理工学院对这些前置课程与学生的接受能力之间的关系进行了研究[4]。通过本课程数字图像及成像基础、二维数字信号处理基本理论、灰度及彩色图像压缩、增强、分割等基本处理算法的学习，学生熟悉并掌握数字图像处理方面的基本知识、基本理论和基本技能，重点掌握基于图像变换理论的图像增强、图像压缩和图像分割等处理算法，它为深入学习数字图像处理及其在专业中的应用打下了基础。

在教学实践中，我们将“数字图像处理”的教学体系结构分为三个模块[9-10]：1)绪论部分：这一部分主要介绍数字图像处理的发展历史、研究内容和基本

基金项目：武汉大学教学研究项目“信号处理系列课程实验体系的研究与建设”(201135);武汉大学电工电子实验教学示范中心教学改革研究项目“信号处理系列课程实验体系的研究与建设”(201001);湖北省教学改革项目“基于多层次项目教学法的信号处理系列课程实验体系的研究与概念，力争帮助同学把握学科发展沿革和应用方向，了解整体架构，建立研究和实践的兴趣。2)理论部分：按照空域处理(包括直方图、点处理、代数处理、几何处理)、频域处理(傅立叶等离散正交变换、滤波器处理)、统计模型方法的顺序进行讲解。在这一部分，我们遵循系统深入的原则，基于图像处理的例子，帮助学生系统复习总结并领会各种理论方法之间的逻辑顺序与本质。由于图像处理具有理论性和可视化强的特点，在这个部分教学中，我们希望加强学生对前置课程所学基本理论和方法的深入理解，使其充分认识理论知识在实际应用中的指导意义，并体会理论本身的魅力。3)应用部分：在这一部分教学中，我们充分发挥图像处理应用性强的特点，选择基础性和典型性强的图像压缩、图像增强、边缘提取与图像分割、图像特征提取等应用，重点讲述应用基础理论和方法解决实际问题的常用系统与方法，进一步训练同学的动手实践能力，激发学生学习兴趣。

在教学中，我们可以看到应用部分涉及并会应用到各部分理论，同样，各理论部分也会在技术应用中发挥作用。我们可以将理论部分和应用部分作为一横一纵，并从两个角度向同学们展示“数字图像处理”这样一个立体而丰富的专业方向。

2 多层项目教学法的实验教学过程实践

2.1 多层项目设计

项目教学法是针对课程体系结构设计出一系列学习单元项目，项目设计围绕着具有典型性、启发性的关键问题，学生通过参与项目完成的全过程实现对课程内容系统而深入的掌握[7]。项目教学法真正实现了以学生为中心、以教学目标为中心，实现理论方法学习与实践动手能力培养的紧密结合，同时，它培养具有扎实理论功底和实践创新能力的高水平人才。有学者设计了一个利用两个获取链的问题学习框架用来进行仪器课程的实验教学[3]，利用虚拟(仿真)模块获取链和真实的模块链共同帮助学生在较高的认知水平上解决问题。

本项目基于上述研究成果并给予发展，设计出一个多层项目教学方法，并用于“数字图像处理”课程的实验教学过程实践。第一层次基于Simulink软件工具，设计多种虚拟模块，帮助学生对图像处理中的主要问题进行快速全局的理解;第二层次基于FPGA硬件工具，设计并提供真实的模块，构成一个完整的处理过程，学生在实践中通过测试这些模块并做适当改进，以获得完善的结果。

2.2 项目设计与分析

针对前面分析过的“数字图像处理”课程教学体系结构，并结合教学大纲与教学目标要求，同时参考了部分美国康奈尔大学和哥伦比亚大学相关课程的项目[6,8]，本文设计了以下项目：1)图像旋转;2)频域图像增强;3)视频传输;4)实时边缘提取;5)实时图像分割;6)人脸检测;7)车辆跟踪。

2.3 多层项目教学法的教学过程

研究表明[1]：认知方式因个体而不同。有些个体仅仅利用阅读材料就能有效的学习，而有些人需要实际经验。然而，心理学研究指出，人们一般能够记住他们阅读内容的10%、听到内容的20%，而他们会记住实际尝试和实践内容的90%。因此，本文的设计方法也充分利用了学生从理论内容到实际教学多方面的训练，充分考虑学生在计算机科学、电子工程等多方面的学科知识，培养从软件编程到硬件调试、从理论基础到方法探索、从数学、计算机等基础方法到信号处理、图像处理等专业理论技能的综合。

通常，学生完成一个项目需要4个过程：1)项目原理分析，2)项目具体流程设计，3)基于Simulink或者DE2平台的软硬件设计，4)结果展示与分析，每个阶段学生都会提交阶段报告;在第一个阶段和第二个阶段，师生结合该项目的原理分析与流程设计系统把握和深入理解“数字图像处理”课程关键知识点;根据学生报告反映出的问题，老师有针对性地指导，在解决问题中帮助学生真正掌握所学知识，并提高动手能力。在项目法教学过程中，我们特别要注意克服项目无法完全覆盖全部知识点的局限，因此，要在项目选择与设计中综合考虑，并结合项目原理研究建立对教学体系框架和全部知识点的整体把握。

3 利用Simulink软件的“数字图像处理”软件模块实验链

Simulink软件是Matlab重要组成部分，它提供一种可视化仿真工具，提供动态建模、仿真和综合分析的集成环境。本文利用其内置的video image processing blockset，并基于教材[9]提供的实验案例编写了大量基本模块。学生可以通过简单直观的鼠标操作，调用系统提供或者预先编制好的模块组件，构造出复杂的系统。该系统具有结构和流程清晰、效率高、仿真精细等优越性。

本文设计的模块主要包括基础模块、基本处理模块、应用模块三大类。其中基础模块包括调用封装video image processing blockset的各类输入输出、数据变换、彩色图像空间变换等基本操作;基本处理模块包括亮度变换与空间滤波、频域滤波、小波变换。数学形态学等基本图像处理操作;应用模块在上述两个模块组合的基础上，构建的单一应用处理模块，包括图像复原、图像压缩、图像分隔、特征描述以及识别模块。

4 基于FPGA硬件的“数字图像处理”硬件模块实验链

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)是一种大规模可编程逻辑器件，用户可以反复配置，灵活地实现不同功能。随着成本下降和逻辑规模的剧增，它被越来越多地独立应用于各类电子系统。可编程片上系统(System On Programmable Chip, SOPC)技术更使系统集成于一片可编程逻辑芯片中成为可能[5]。采用FPGA作为信号处理系列课程的实验平台实现基本的图像处理功能，在实现效率、成本、能耗以及与实际应用开发顺利衔接等方面都具有一定的优越性。如美国康奈尔大学、哥伦比亚大学都基于Altera公司的DE2开发板开展了相关课程试验环节的教学实践活动，最终实践项目类别主要集中在图像及视频处理、语音处理、网络传输等应用领域上[6,8]。

针对“数字图像处理”课程特点，参考美国康奈尔大学、哥伦比亚大学相关课程实验项目设置及其完成情况，项目组基于Altera公司的DE2开发板设计构建了一个数字图像处理实验平台，提供了平台所需的电路设计、基本模块开发和典型实验系统，建立以项目为导向的拓展实验架构。该平台以DE2开发板为核心，通过外围接口接入摄像头采集模块，通过VGA输出接口将图像输出到显示器单元。同时，该平台还提供了丰富的接口可以实现多个平台

之间信息信号的网络传输，对外部扩展单元的控制信号输出，等等。项目组在此平台上进一步开发了系列基本模块帮助学生完成各类项目所需的视频图像输入输出、网络传输、接口转换等基础功能。

5 结语

“数字图像处理”不仅是电子信息类的一门重要专业课程，也是目前信息技术领域一个重要的研究方向。该课程的教学面临着信息技术飞速发展所带来的迫切需求。基于综合多层项目教学法进行“数字图像处理”课程的教学过程设计，可以很好地体现该门课程理论性和实践性很强的特点，我们应充分发挥该课程研究对象——图像信息在教学认知等方面的优越特性，强化课程作为理论深入理解以及培养动手实践创新能力的桥梁作用，实现培养“厚基础、宽口径、高素质、强技能”和具有“三创”(创新、创造、创业)精神和能力的人才目标。

参考文献：

[1] O.Yilmaz, K.Tuncalp. A Mixed Learning Approach in Mechatronics Education[J]. IEEE Transactions on Education, 2011(54):294-301.

[2] L.M.Regueras, E.Verdu, M.J.Verdu, et al. Design of a Competitive and Collaborative Learning Strategy in a Communication Networks Course [J]. IEEE Transactions on Education,2011(54):302-307.

[3] A.Nonclercq, A.V.Biest, K.D.Cuyper, et al. Problem-Based Learning in Instrumentation: Synergism of Real and Virtual Modular Acquisition Chains[J]. IEEE Transactions on Education,2010(53):234-242.

[4] N.Lavesson. Learning Machine Learning: A Case Study [J]. IEEE Transactions on Education,2010(53):672-676.

[5] 李德识,曹华伟,陈健,等. EDA实践[Z]. 武汉:武汉大学电子信息学院实验讲义,2008.

[6] 美国康奈尔大学课程[EB/OL]. [2011-05-12]. http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/ece576/FinalProjects/#f2009.

[7] 郭艳光,赵希武. 在高等计算机基础教学中实施项目教学法的探索[J]. 计算机教育,2008(6):48-49.

[8] 美国哥伦比亚大学课程[EB/OL]. [2011-06-13]. http://www.cs.columbia.edu/～sedwards/classes/2009/4840/index.html.

[9] 冈萨雷斯. 数字图像处理[M]. 北京:电子工业出版社,2005.

[10]卡斯特曼. 数字图像处理[M]. 北京:电子工业出版社,2008.

The Design of the Teaching Process of Digital Image Processing

HE Chu, FENG Qian, YANG Fang, CAO Huawei, XU Xin

(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Key words: digital image processing; integrated multilayer project didactics; teaching process; FPGA; Simulink

(编辑：郭小明)

作者：何楚 冯倩 杨 芳 曹华伟 徐新

第3篇：数字图像处理实验教学研究与实践探讨

摘 要：数字图像处理教学是一门多学科相互交织的课程，它涉及的教学领域广泛，在学习过程中有很多抽象的理论内容不容易理解，所以采用实验教学法能够快速地让学生掌握数字图像处理学习的内容和难点，帮助学生克服困难，提高学习兴趣，也能够在实验教学中培养学生的动手能力和创作能力，以解决在教学过程中所存在的问题。本文就对数字图像处理实验教学的相关内容进行研究，通过实验教学的方法来调动学生学习数字图像处理的积极性，加强他们的实践应用能力，提高学生对软件开发的水平。

关键词：数字图像处理;实验教学;课程设计

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.19.003

数字图像处理也称之为计算机的图像处理，它是对计算机中的图像从信号转换成数字信号的过程，是一门集计算机科学，信息理论，信息处理学科为一体的综合课程。在教学过程中，教师以实验教学的方式来帮助学生学习图像处理的课程，让学生了解其概念、原理和算法，并通过上机实验来培养学生应用软件的能力，实现数字图像处理的基本动手操作能力，为工程应用和软件开发打好基础。

一、数字图像处理实验教学的内容

数字图像处理是一门典型的交叉性学科，它的理论性和实践性非常强，各种数字处理的方法都要以数学理论为支撑，需要学生在学习过程中对图像有不同的处理和理解，以提高在实际问题分析中的解决能力。数字图像处理是数学系和信息与计算机系的一门选修课程，主要选用的教材是《数字图像处理及MATLAB实现》的教材及内容，就包括数字图像处理的基础运算、变换图像、增强、复原、压缩、编码分割、色彩处理等理论知识，并且对软件编程的一些常用图像处理方法有详细的概述。图像处理过程首先就是要选取图像源文件，然后对图像进行相应处理，最后将处理结果保存到图像文件中。现有的数字图像处理教材缺乏对常用图像文件格式的介绍，所以教师在实验教学过程中有必要增加这部分知识。在数字图像的教材中常用图像文件格式为BMP和JPG系格式。但是在讲解过程中，教师也要对其他的文件格式给予详细的了解和讲述，帮助学生理解图像的本质，特别是在用Visual C++语言编程中可以实现对各种图形的处理。

二、数字图像处理实验教学的实例设计

以数字图像中各部分的操作为实验教学内容，探讨在Lab View虚拟平台上嵌入MATLAB脚本编程的实验设计方法与过程。

(一)空域图像平滑

以椒盐噪声抑制为例，它是数字图像制造的一个基本的实验课程内容。这种类型的噪声通常是由图像传输处理中所产生的黑白相间的亮点和暗点，噪声又称为双极脉冲噪声，对图像的视觉效果有明显的破坏能力。为了抑制这种现象，一般在图像处理过程中，采用的滤波模板一般都是3×3的，并运用中值滤波算法对其进行抑制，并且在处理时保留图像边缘的像素不变，运用这种方法能够很好地抑制椒盐噪声，并改善图像的视觉质量，所以为了让学生能够在学习时更好地理解这种处理方式，我们需要将图片输入、输出和算法处理分别在Lab View平台和MATLAB平台中进行模拟仿真练习(见附图1和附图2)。

将这种平台模式相互结合，对数字图像进行处理，就能够最大限度地将他们的优势发挥出来，让图像在处理过程中既高效，又直观。在教学过程中，教师再结合相关的教学经验对类似的内容进行规划和安排，就可以更好地将实际应用与理论算法进行结合，加深学生对数字图像处理教学内容的深刻理解。

(二)图像像素点的操作

在教学时，教师可以利用几幅灰度存有明显差异的图像给学生作为像素点操作的案例，要求学生在学习时掌握图像的线性变化，利用直方图的特征和图像点的运算，通过对线性的变化来调节明暗度，增强图片的明暗对比，利用曲线模式、直方图对图像的灰度差异进行分析来获取不同区域内图像的灰度值，并对图像的不同灰度进行分别处理。例如，学生可以在图像像素点操作中对图像进行明暗度的增强，退化处理等，以加强对操作技能的熟练度。

(三)图像的锐化

教学过程中，教师还可以选择几幅图像来作为锐化操作的案例，要求能够利用这几幅图像来提取其中的边缘信息，并分析图像锐化的优点和缺点。要求学生能够利用不同的模板对图像进行不同的锐化操作，并总结出规律，如：锐化滤波器的特点是所有的元素和都是零。通过空域图像锐化的实验教学让学生能够了解图像锐化与平滑之间存在的差异，并通过实验能够让学生明白低通滤波器所获取的图像轮廓信息就相当于对图像进行平滑，而图像的锐化就相当于高通的滤波器能够对图像边缘信息进行获取。

(四)傅里叶的变化使用

在教学实验过程中，对数字图像处理中的傅里叶变换及应用的实验教学能够让学生通过对频谱平移，傅里叶变换来得出傅里叶变换在图像调整中的系数，能够总结出频谱分布的规律，发现在图像使用傅里叶变化时其中心点都是直流分量的，并向四面八方扩散，频率越来越高。通过了解傅里叶变换的使用后，学生可以根据理论知识来设计图像，并对图像进行高通、低通滤波器的处理，从而保留不同位置傅里叶变换的系数。最后，将结果和实践的数据进行比较，来加深学生对滤波器使用效果的理解。

(五)离散余弦变换的应用

学会离散余弦变换并显示和分析变换的系数，得出频谱分布的特点也是数字图像处理的重要学习内容。学生对图像进行离散余弦变换的处理和应用时会发现频率会随着数据的变化而越来越高，并且上角为直流分量，沿上下，右的方向不断变化。另外，还要根据相应的理论来完成低通滤波器和高通滤波器的设计，并对图像进行离散余弦變换处理。并且，在原图的基础上进行8×8大小的图像转换设计，对每一块都要进行编码和离散余弦的应用，从而在实际操作中来学习JPEG的压缩模式。

(六)小波变换的应用

数字图像处理实验进行小波变换应用教学时，就是对图像进行二维小波分解，利用教师给的图形接口对图像进行处理，分解其中各小波系数的特点，总结出垂直高频、水平高频、低频分量和对角高频之间所代表的意义，并利用MATLAB编成模式对小波图像进行处理和压缩。

三、提升数字图像处理实验教学的途径

(一)加强在理论教学中运用现代化教学手段

通过数字图像处理实验教学的相应特点，应在教学过程中合理、恰当地运用现代化的教学方式，这种方法能够加深、加快学生对数字图像处理理论和方法的运用和理解。在教学中，对数字图像处理进行实验教学，其质量的好坏都取决于学生对于课程理论知识的理解。当学生对图像处理算法的理论基础有清晰了解时，通过模仿即实际处理前后的效果对比就能够进一步地对数字图像处理的内容进行加深，从而做到实践与理论的相互补充，达到学以致用的教学效果。

(二)合理利用虚拟平台实践

在数字图像处理教学过程中，合理运用案例和情景模式教学能够有效提高学生分析和解决数字图像处理实际问题的能力。数字图像处理的实验教学方法能够更好地加快学生对理论知识的理解。开设实验课时，教师也要选择好教学内容，尽可能地选学生容易理解的，并通过Lab View平台和MATLAB虚拟平台，直观地对数据进行梳理，展示教学的内容重点，从而调动学生学习数字图像处理课程的兴趣。

四、结语

總之，在近几年的教学过程中，数字图像处理的实验教学研究设计与改革都取得了非常好的效果。本文结合Lab View虚拟平台的情景教学模式和MATLAB的语言编程优势，提出了数字图像处理实验教学的新方法。教师通过实验教学，能够加深学生的实践操作能力，使学生对数字图像处理更有兴趣，更加主动地了解科技创新，提高设计能力，为其进一步发展奠定基础。并且，能够使数字图像处理实验教学更好地服务于应用型人才的培养。

参考文献：

[1]陈木生，林顺达.数字图像处理实验教学研究与实践[J].实验科学与技术，2016(4).

[2]温建明.基于MATLAB的机械优化设计课程数字化教学改革[J].吉林省教育学院学报，2011(5).

[责任编辑 杜建立]

作者简介： 杜号军(1975.9— )，男，汉族，湖南临湘人，副教授，研究方向：刑事图像技术。

作者：杜号军

第4篇：《数字图像处理》实验教案

数 字 图 像 处 理

实 验 指 导 书

信息科学与工程学院电子系

二○○六年

前

言

数字图像处理是研究数字图像处理的基本理论、方法及其在智能化检测中应用的学科，是电子信息类本科专业的专业课。

本课程侧重于数字图像的基本处理，并对图像分析的基本理论和实际应用进行系统介绍;目的是使学生系统掌握数字图像处理的基本概念、原理和实现方法，学习图像分析的基本理论、典型方法和实用技术，具备解决通信领域的图像相关问题的初步能力，为今后的研究与开发打下扎实的基础。

目

录

实验一 常用的图像文件格式与格式转换和图像矩阵的显示方实验二 实验三

法 …………………………………………………………2

傅立叶变换……………………………………………………4 图像增强及编程处理…………………………………………5

实验一 常用的图像文件格式与格式转换和图像矩阵的显示方法

1. 实验目的

熟悉Matlab语言的初步使用;

熟悉常用的图像文件格式与格式转换;

熟悉图像矩阵的显示方法(灰度、索引、黑白、彩色); 熟悉图像矩阵的格式转换 2. 实验内容

练习图像读写命令imread和imwrite并进行图像文件格式间的转换。特别是索引图像与1，4，8，16比特图像的存储与转换。

熟悉下列模块函数 Image file I/O.

imread

- Read image file.

imwrite

Create and display image

imagesc

Make movie from multiframe indexed image.

imshow

- Display image.

subimage

- Display multiple images in single figure.

truesize

- Adjust display size of image.

warp

- Display image as texture-mapped surface. zoom

- Zoom in and out of image or 2-D plot. 3. 实验步骤

a. Load cameraman.tif image from your hard disk (using function imread). b. Show the image in a figure window (using function image or imshow). c. Draw a brightness bar on the right side of the image(using function colorbar). d. Get image data from the current figure(axes) (using function getimage). e. Show the gray level of the image between 64 to 128 (using function imagesc). f. Make a movie from a 4-D image (load mri, make the movie by immovie, then show movie by function movie).

object.

g. Draw the cameraman image on a cylinder (using function warp). Question: how to show the cameraman like this

Requirement: write a report to do the experiment from a to g.

实验二

傅立叶变换

1.实验目的

熟悉傅立叶变换的概念和原理; 理解Fourier变换的意义。

2.实验内容

用Fourier变换算法对图像进行Fourier变换; 评价人眼对图像幅频特性和相频特性的敏感度。

3.实验步骤

<1>产生如图所示图像f1(x,y)(128×128 大小，暗处=0，亮处=255)，用MATLAB中的fft2函数对其进行FFT;

<2>同屏显示原图f1和FFT(f1)的幅度谱图;

<3>若令f2(x,y)=(-1)

xy f1(x,y)，重复以上过程，比较两幅图像的幅度谱的异同，简述理由;

<4>若将f2(x,y)顺时针旋转45度得到f3(x,y)，试显示FFT(f3)的幅度谱，并与FFT(f2)的幅度谱进行比较;

<5>评价人眼对图像幅频特性和相频特性的敏感度。

4. 实验报告

<1>简述实验目的及原理;

<2>给出实验代码，并加以注释; <3>对实验现象加以说明和讨论。

实验三

图像增强及编程处理

1. 实验目的

观察数字图像增强的效果; 熟悉数字图像增强的一般方法;

掌握数字图像增强的一般方法的Matlab编程实现。 2. 实验内容

使用Photoshop观察数字图像增强的效果; 练习和掌握图像增强的Matlab编程。

熟悉下列模块函数 Image enhancement.

histeq

Adust imae intensity values or colormap. Image noising. imnoise

- Add noise to an image. Image filtering

medfilt2

- Perform 2-D median filtering.

ordfilt2

Perform 2-D adaptive noise-removal filtering.

3. 实验步骤

<1> 使用Photoshop观察数字图像增强的效果 a. 对比度增强

1)在Photoshop中打开一黑白灰度图像文件。

2)在图像菜单中选直方图项，观察原始图像的直方图。

3)在图像菜单调整子菜单中选亮度/对比度项，调节对比度滑块，观察图像变化。

4)在图像菜单中选直方图项，观察处理后图像的直方图，并同(2)中的直方图比较。 b. 灰度变换

1)在Photoshop中打开一黑白灰度图像文件。

2)在图像菜单中选直方图项，观察原始图像的直方图。 3)在图像菜单调整子菜单中选反相项，观察图像变化。

4)在图像菜单中选直方图项，观察处理后图像的直方图，并同(2)中的直方图比较。 5)画出灰度变换曲线。

6)在编辑菜单中选返回项，恢复原始图像。

7)在图像菜单调整子菜单中阈值项，调节阈值色阶滑块，观察图像变化。

8)在图像菜单中选直方图项，观察处理后图像的直方图，并同(2)中的直方图比较。 9)画出灰度变换曲线。

c. 直方图均衡化

1)在Photoshop中打开一黑白灰度图像文件。

2)在图像菜单中选直方图项，观察原始图像的直方图。 3)在图像菜单调整子菜单中选色调均化项，观察图像变化。

4)在图像菜单中选直方图项，观察处理后图像的直方图，并同(2)中的直方图比较。

d. 图像平滑

1)在Photoshop中打开一黑白灰度图像文件。

2)在图像菜单中选直方图项，观察原始图像的直方图。

3)在滤镜菜单模糊子菜单中选进一步模糊项，观察图像变化。

4)在图像菜单中选直方图项，观察处理后图像的直方图，并同(2)中的直方图比较。 5)在编辑菜单中选返回项，恢复原始图像。

6)在滤镜菜单模糊子菜单中选高斯模糊项，观察图像变化。

7)在图像菜单中选直方图项，观察处理后图像的直方图，并同(2)中的直方图比较。 8)在Matlab Help菜单中, 选Demos项。

9)打开ToolboxesImage Processing项，选Noise Reduction Filtering，并运行。

10)选图像Blood、噪声类型Salt & Pepper、滤波器类型Median、邻域3x3，比较原始图像、受噪声污染图像、滤波后图像。 11)改变参数，重做(10)。

12)选其他图像，重做(10)-(11)。

13)思考何种滤波器对抑制何种类型噪声更有效，邻域大小对抑制噪声效果及图像模糊程度的影响。

<2> 图像增强的Matlab编程

a. Load cameraman.tif image from your hard disk (using function imread). b. Show the image in a figure window. c. Show the histogram of the image (using function imhist). d. Enhance the contrast of the image using histogram equalization. e. Show the histogram of the image after processing. f. Compare the qualities of two images and makes a discussion about them. g. Add noises, such as gaussian, salt&pepper, speckle noise into the image respectively. Compare with the influence of the different Means and Variance. h. Remove the added noise from the image by function medfilt2, ordfilt2 and wiener2 respectively. Compare the qualities of the original images with the processed images and discuss the effect of the methods.

Requirement:

Write a report to do the experiment . Make sure the report includes the discussion about the experiment. If the report just is a copy from others, the report will have a zero mark.

第5篇：遥感数字图像处理实验报告

遥感数字图像处理

学院 理学院 班级 地信131 学号 姓名

编写日期：1

2015.5

▶▶作业a

1.LS8_C_20140613_022505_000000_118039_GEOTIFF_L4

2. L5118_39_19860531 ProductDescription用记事本打开，读取头文件，并填写相关信息与相应位置即可

2

3. L5118-39-19960103

4. L7118039_20050815 直接打开以_mtl为后缀的文件，该文件中包含了遥感影像的所有波段

3 5. LM212803919761127 直接打开波段，然后波段合成即可

6. s5kj297_289_10m

7. WORLDVIEW-052606622010_01

4

▶▶作业b

在ENVI中将landsat的4景影像和SPOT-5的1景的影像打开，并联动连接查看同一区域

link displays是根据象元位置来连接的，geographic link是通过地理坐标位置来连接的。

5

由上图可知，将遥感影像联动时亦可实现不同影像同一区域的快速检索，但是我们也可以看到，由于受到各方面因素的影像并不能特别精确的指在同一地方。

▶▶作业c

1.WORLDVIEW-2影像保存为jpg和TIF格式的4-3-2波段合成的假彩色图像。可用同样的方法将SPOT-5影像保存为jpg和tif格式的4-3-2波段合成的假彩色图像

6 2.为landsat的5景影像附上波段的波长，并根据波长用landsat 5的7-4-3波段，保存为jpg和tif格式影像

为波长复制后，导入影像文件各波段显示差异前后对比

转换为JPG格式后可以用看图软件直接打开

7

▶▶作业d

需要对影像进行裁剪，裁剪的基本步骤如下：

1.L5118_39_19860531裁剪前后对比

2. L5118-39-19960103裁剪前后对比

3. L7118039_20050815裁剪前后对比

4. LS8_C_20140613_022505_000000_118039_GEOTIFF_L4裁剪前后对比

▶▶

作业e

将剪裁影像，重采样成10m，重采样的操作主要如下

9

1.L5118_39_19860531重采样前后对比

2. L5118-39-19960103重采样前后对比

10

3. L7118039_20050815重采样前后对比

11

4.LS8_C_20140613_022505_000000_118039_GEOTIFF_L4重采样前后对比

12

第6篇：数字图像处理图像变换实验报告

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

实 验

实验名称：图像处理姓名：刘强

班级：电信

学号：

报 告

1102

1404110128

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

实验一 图像变换实验——图像点运算、几何变换及正交变换

一、 实验条件

PC机 数字图像处理实验教学软件

大量样图

二、 实验目的

1、 学习使用“数字图像处理实验教学软件系统”，能够进行图像处理方面的简单操作;

2、 熟悉图像点运算、几何变换及正交变换的基本原理，了解编程实现的具体步骤;

3、 观察图像的灰度直方图，明确直方图的作用和意义;

4、 观察图像点运算和几何变换的结果，比较不同参数条件下的变换效果;

5、 观察图像正交变换的结果，明确图像的空间频率分布情况。

三、 实验原理

1、 图像灰度直方图、点运算和几何变换的基本原理及编程实现步骤

图像灰度直方图是数字图像处理中一个最简单、最有用的工具，它描述了一幅图像的灰度分布情况，为图像的相关处理操作提供了基本信息。

图像点运算是一种简单而重要的处理技术，它能让用户改变图像数据占据的灰度范围。点运算可以看作是“从象素到象素”的复制操作，而这种复制操作是通过灰度变换函数实现的。如果输入图像为A(x,y)，输出图像为B(x,y)，则点运算可以表示为：

B(x,y)=f[A(x,y)] 其中f(x)被称为灰度变换(Gray Scale Transformation，GST)函数，它描述了输入灰度值和输出灰度值之间的转换关系。一旦灰度变换函数确定，该点运算就完全确定下来了。另外，点运算处理将改变图像的灰度直方图分布。点运算又被称为对比度增强、对比度拉伸或灰度变换。点运算一般包括灰度的线性变换、阈值变换、窗口变换、灰度拉伸和均衡等。

图像几何变换是图像的一种基本变换，通常包括图像镜像变换、图像转置、图像平移、图像缩放和图像旋转等，其理论基础主要是一些矩阵运算，详细原理可以参考有关书籍。

实验系统提供了图像灰度直方图、点运算和几何变换相关内容的文字说明，用户在操作过程中可以参考。下面以图像点运算中的阈值变换为例给出编程实现的程序流程图，如下：

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

2、 图像正交变换的基本原理及编程实现步骤 数字图像的处理方法主要有空域法和频域法，点运算和几何变换属于空域法。频域法是将图像变换到频域后再进行处理，一般采用的变换方式是线性的正交变换(酉变换)，主要包括傅立叶变换、离散余弦变换、沃尔什变换、霍特林变换和小波变换等。正交变换被广泛应用于图像特征提取、图像增强、图像复原、图像压缩和图像识别等领域。

正交变换实验的重点是快速傅立叶变换(FFT)，其原理过于复杂，可以参考有关书籍，这里不再赘述。至于FFT的编程实现，系统采用的方法是：首先编制一个一维FFT程序模块，然后调用该模块对图像数据的列进行一维FFT，再对行进行一维FFT，最后计算并显示幅度谱。程序流程图如下：

四、 实验内容

图像灰度直方图

点运算：图像反色、灰度线性变换、阈值变换、窗口变换、灰度拉伸和灰度

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

均衡

几何变换：图像镜像变换、图像转置、图像平移、图像缩放和图像旋转 正交变换：傅立叶变换、离散余弦变换、沃尔什变换、霍特林变换和小波正反变换

注意：

1、 所有实验项目均针对8位BMP灰度图像进行处理，其它格式(如JPG)的图像可以利用系统提供的图像格式转换工具进行转换，再进行处理;

2、 本次实验的重点是图像的灰度直方图和点运算，几何变换和正交变换只作一般性了解。

五、 实验步骤

以图像灰度阈值变换为例说明实验的具体步骤，其它实验项目的步骤与此类似。

1、 打开计算机，在系统桌面上双击“数字图像处理实验教学软件系统”的可执行文件“图象处理”的图标，进入实验系统;

2、 执行文件→打开，在OPEN对话框中选择待处理的图像，按【OK】后系统显示出图像;

3、 执行查看→图像基本信息，将显示图像基本信息对话框，如图所示;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

4、 执行查看→灰度直方图，查看图像的灰度直方图，如图所示;

5、 执行图像变换→正交变换→傅立叶变换，查看图像的频率域分布情况，如图所示;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

6、 执行图像变换→正交变换→小波变换，查看图像经过小波变换的效果，如图所示;

7、 执行图像变换→点运算→阈值变换，修改阈值变换对话框中的阈值参数，如图所示;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

8、 设置完阈值参数后按【OK】,系统显示阈值变换后的图像，与原图像进行比较，观察阈值变换的效果，如图所示;

9、 重复步骤4，查看阈值变换后图像的直方图分布情况;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

10、 重复步骤5，查看阈值变换后图像的频率域分布情况;

11、执行文件→保存或另存为，保存处理后的图像;

12、执行文件→重新加载，重新加载原始图像，但要注意先前对图像的处理将会丢失; 注意：

13、在执行步骤2时可能会出现有些图像文件不能打开的情况，如图所示，此时可以先利用图像格式转换工具将图像文件转换为8位BMP图像，再利用系统进行处理。步骤14和15是使用图像格式转换工具的方法;

14、在桌面上双击图像格式转换工具Jpg2bmp的图标，进入转换工具界面，如图所示;

15、按照界面提示，把JPG格式的图像文件转换成8位BMP图像。

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

步骤13示意图

步骤14示意图

六、 思考题

1、 图像灰度线性变换、阈值变换、窗口变换、灰度拉伸和灰度均衡之间有何区别?

灰度线性变换就是将图像的像素值通过指定的线性函数进行变换，以此增强或者减弱图像的灰度。

灰度的阈值变换可以让一幅图像变成黑白二值图。

灰度的窗口变换也是一种常见的点运算。它的操作和阈值变换类似。从实现方法上可以看作是灰度折线变换的特列。窗口灰度变换处理结合了双固定阈值法，与其不同之处在于窗口内的灰度值保持不变。

灰度拉伸又叫做对比度拉伸，它与线性变换有些类似，不同之处在于灰度拉伸使用的是分段线性变换，所以它最大的优势是变换函数可以由用户任意合成。

灰度均衡是增强图像的有效方法之一。灰度均衡同样属于改进图像的方法，灰度均衡的图像具有较大的信息量。从变换后图像的直方图来看，灰度分布更加均匀。

2、 利用图像镜像和旋转变换可以实现图像转置吗?如果可以，应该怎样实现?

可以。进行一次镜像变换，顺(逆)时针旋转两次，再以与第一次相反的方向镜像变换。

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

实验二 图像增强及复原实验

七、 实验条件

PC机 数字图像处理实验教学软件

大量样图

八、 实验目的

1、 熟练使用“数字图像处理实验教学软件系统”;

2、 熟悉图像增强及复原的基本原理，了解编程实现的具体步骤;

3、 观察图像中值滤波、平滑、锐化和伪彩色编码的结果，比较不同参数条件下的图像增强效果;

4、 观察图像退化和复原的结果，比较不同复原方法的复原效果。

九、 实验原理

1、 图像增强和复原的基本原理

对降质图像的改善处理通常有两类方法：图像增强和图像复原。

图像增强不考虑图像降质的原因，只将图像中感兴趣的特征有选择地进行突出，并衰减图像的次要信息，改善后的图像不一定逼近原始图像，只是增强了图像某些方面的可读性，如突出了目标轮廓，衰减了各种噪声等。图像增强可以用空域法和频域法分别实现，空域法主要是在空间域中对图像象素灰度值直接进行运算处理，一般包括中值滤波、模板平滑和梯度锐化等，空域法可以用下式来描述：

g(x,y)=f(x,y)*h(x,y) 其中f(x,y)是处理前图像，g(x,y)表示处理后图像，h(x,y)为空间运算函数。图像增强的频域法是在图像的频率域中对图像的变换值进行某种运算处理，然后变换回空间域，系统涉及的各种滤波器属于频域法增强，这是一种间接处理方法，可以用下面的过程模型来描述：

其中：F(u,v)=[ f(x,y)]，G(u,v)= F(u,v)H(u,v)，g(x,y)=1[ G(u,v)]，和1分别表示频域正变换和反变换。实验系统提供了图像增强相关内容的文字说明，用户在操作过程中可以参考。

图像复原是针对图像降质的原因，设法去补偿降质因素，使改善后的图像尽可能逼近原始图像，提高了图像质量的逼真度。关于图像复原的详细原理可以参考相关书籍，这里不再赘述。本系统提供了图像的噪声退化、卷积退化和运动模糊退化操作，并提供了相应的逆滤波复原、维纳复原和运动模糊复原操作。本次

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

实验中图像复原只作一般性了解。

2、 编程实现步骤

下面以图像增强中的中值滤波操作为例给出编程实现的程序流程图，如下：

十、 实验内容

图像增强：中值滤波、图像模板平滑、理想低通滤波器平滑、巴特沃斯低通滤波器平滑、梯度锐化、拉普拉斯锐化、理想高通滤波器锐化、巴特沃斯高通滤波器锐化和伪彩色编码

图像复原：图像的噪声退化、卷积退化、卷积加噪声退化、运动模糊退化、逆滤波复原、维纳复原和运动模糊复原

注意：

3、 所有实验项目均针对8位BMP灰度图像进行处理;

4、 本次实验的重点是图像增强中的中值滤波和模板平滑，图像复原只作一般性了解。

十一、 实验步骤

以图像中值滤波操作为例说明实验的具体步骤，其它实验项目的步骤与此类似。

11、 打开计算机，在系统桌面上双击“数字图像处理实验教学软件系统”的可执行文件“图象处理”的图标，进入实验系统;

12、 执行文件→打开，在OPEN对话框中选择待处理的图像，按【OK】后系统显示出图像;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

13、 执行查看→图像基本信息，将显示图像基本信息对话框，如图所示;

14、 执行查看→灰度直方图，查看图像的灰度直方图，如图所示;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

15、 执行图像变换→正交变换→傅立叶变换，查看图像的频率域分布情况，如图所示;

16、 执行图像增强→中值滤波，选择或自定义对话框中的滤波器参数，如图所示;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

17、 设置完滤波器参数后按【OK】,系统显示中值滤波后的图像，与原图像进行比较，观察中值滤波的效果，如图所示;

18、

重复步骤4，查看中值滤波后图像的直方图分布情况;

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

19、 重复步骤5，查看中值滤波后图像的频率域分布情况;

10、执行文件→保存或另存为，保存处理后的图像;

11、执行文件→重新加载，重新加载原始图像，但要注意先前对图像的处理将会丢失。

数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

十二、

思考题

1、 图像中值滤波和模板平滑之间有何区别?

图像平滑处理就是用平滑模板对图像进行处理，以减少图像的噪声。而中值滤波是一种非线性的信号处理方法。

2、 图像增强和图像复原之间有何区别?

图像增强：利用一定的技术手段，不用考虑图像是否失真(即原 始图像在变换后可能会失真)而且不用分析图像降质的原因。针对给定图像的应用场合，有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要。

图像复原：针对质量降低或者失真的图像，恢复图像原始的内容或者质量。图像复原的过程包含对图像退化模型的分析，再对退化的图像进行复原。图像退化是由于成像系统受各种因素的影响，导致了图像质量的降低，称之为图像退化。这些因素包括传感器噪声、摄像机聚焦不佳、物体与摄像机之间的相对移动、随机大气湍流、光学系统的象差、成像光源和射线的散射等。 图像复原大致可以分为两种方法：

一种方法适用于缺乏图像先验知识的情况，此时可对退化过程建立模型进行描述，进而寻找一种去除或消弱其影响的过程，是一种估计方法;

另一种方法是针对原始图像有足够的先验知识的情况，对原始图像建立一个数学模型并根据它对退化图像进行拟合，能够获得更好的复原效果。

3、 图像维纳复原为什么比逆滤波复原效果好?

维纳滤波复原的原理可表示为

对于维纳滤波，由上式可知，当

时，由于存在 项，所以数字图象处理实验指导书

实验一 图象变换实验

不会出现被0除的情形，同时分子中含有项，在处，。当时，，此时维纳滤波就变成 了逆滤波;当时，，表明维纳滤波避免了逆滤波中 出现的对噪声过多的放大作用,也就是说图像维纳复原比逆滤波复原效果好。

第7篇：数字信号处理实验报告完整版

实验 1

利用 T DFT 分析信号频谱

一、实验目的

1.加深对 DFT 原理的理解。

2.应用 DFT 分析信号的频谱。

3.深刻理解利用 DFT 分析信号频谱的原理，分析实现过程中出现的现象及解决方法。

二、实验设备与环境

计算机、MATLAB 软件环境 三、实验基础理论

T 1.DFT 与 与 T DTFT 的关系

有限长序列 的离散时间傅里叶变换 在频率区间的 N 个等间隔分布的点 上的 N 个取样值可以由下式表示：

212 /0( )| ( ) ( ) 0 1Nj knjNk NkX e x n e X k k N      由上式可知，序列 的 N 点 DFT ,实际上就是 序列的 DTFT 在 N 个等间隔频率点 上样本 。

2.利用 T DFT 求 求 DTFT

方法 1 1：由恢复出的方法如下：

由图 2.1 所示流程可知：

101( ) ( ) ( )Nj j n kn j nNn n kX e x n e X k W eN               由上式可以得到：

IDFT DTFT

第8篇：数字信号处理实验-FFT的实现

实

验

报

告

学生姓名：

学 号：

指导教师：

一、实验室名称：数字信号处理实验室

二、实验项目名称：FFT的实现

三、实验原理：

一.FFT算法思想：

1.DFT的定义：

对于有限长离散数字信号{x[n]}，0  n  N-1，其离散谱{x[k]}可以由离散付氏变换(DFT)求得。DFT的定义为：

N1X[k]通常令ej2Nx[n]en0j2Nnk，k=0,1,…N-1 WN，称为旋转因子。

2.直接计算DFT的问题及FFT的基本思想：

由DFT的定义可以看出，在x[n]为复数序列的情况下，完全直接运算N点DFT需要(N-1)2次复数乘法和N(N-1)次加法。因此，对于一些相当大的N值(如1024)来说，直接计算它的DFT所作的计算量是很大的。

FFT的基本思想在于，将原有的N点序列分成两个较短的序列，这些序列的DFT可以很简单的组合起来得到原序列的DFT。例如，若N为偶数，将原有的N

22点序列分成两个(N/2)点序列，那么计算N点DFT将只需要约[(N/2) ·2]=N/2次复数乘法。即比直接计算少作一半乘法。因子(N/2)2表示直接计算(N/2)点DFT所需要的乘法次数，而乘数2代表必须完成两个DFT。上述处理方法可以反复使用，即(N/2)点的DFT计算也可以化成两个(N/4)点的DFT(假定N/2为偶数)，从而又少作一半的乘法。这样一级一级的划分下去一直到最后就划分成两点的FFT运算的情况。

3.基2按时间抽取(DIT)的FFT算法思想：

设序列长度为N2L，L为整数(如果序列长度不满足此条件，通过在后面补零让其满足)。

将长度为N2L的序列x[n](n0,1,...,N1)，先按n的奇偶分成两组：

x[2r]x1[r]x[2r1]x2[r]，r=0,1,…,N/2-1 DFT化为：

N1N/21N/21X[k]DFT{x[n]}N/21n0x[n]WnkN2rkr0x[2r]W2rkNr0x[2r1]WN(2r1)kN/21r0N/21x1[r]Wx1[r]W2rkNWWkNr0N/21x2[r]WN

r0rkN/2kNr0x2[r]WN/22rkrk上式中利用了旋转因子的可约性，即：WNN/21NrkN/21rkWN/2。又令

rkX1[k]r0x[1r]W,/X2[k]2r0x[r]WN2，则上式可以写成： /2X[k]X1[k]WNX2[k](k=0,1,…,N/2-1)

k可以看出，X1[k],X2[k]分别为从X[k]中取出的N/2点偶数点和奇数点序列的N/2点DFT值，所以，一个N点序列的DFT可以用两个N/2点序列的DFT组合而成。但是，从上式可以看出，这样的组合仅表示出了X[k]前N/2点的DFT值，还需要继续利用X1[k],X2[k]表示X[k]的后半段本算法推导才完整。利用旋转因子的周期性，有：WN/2WN/2X1[N2N/21rkr(kN/2)，则后半段的DFT值表达式：

rkk]r0x1[r]W2N/2r(Nk)N/21r0x1[r]WN/2X1[k]，同样，X2[N2k]X2[k]

(k=0,1,…,N/2-1)，所以后半段(k=N/2,…,N-1)的DFT值可以用前半段k值表达式获得，中间还利用到WN(N2k)NWN2Wk得到后半段的X[k]值表达式W，

k为：X[k]X1[k]WNkX2[k](k=0,1,…,N/2-1)。

这样，通过计算两个N/2点序列x1[n],x2[n]的N/2点DFTX1[k],X2[k]，可以组合得到N点序列的DFT值X[k]，其组合过程如下图所示：

X1[k] X1[k]WNkX2[k]

X2[k] WNnk -1 X1[k]WNkX2[k]

比如，一个N = 8点的FFT运算按照这种方法来计算FFT可以用下面的流程图来表示：

x(0)W0x(1)W0x(2)W0x(3)W2W0W1W0x(5)W0x(6)W0x(7)W2X(7)W3X(6)W2X(5)X(3)X(2)X(1)X(0)x(4)X(4)

4.基2按频率抽取(DIF)的FFT算法思想：

设序列长度为N2L，L为整数(如果序列长度不满足此条件，通过在后面补零让其满足)。

在把X[k]按k的奇偶分组之前，把输入按n的顺序分成前后两半：

N1N/21nkNN1X[k]DFT{x[n]}N/21N/21x[n]Wn0(nn0N2)kx[n]WnkNnN/2x[n]WNnkn0N/21x[n]WnkNn0x[nNkN2]WNnk

Nn0[x[n]x[nN2NkN2]W2N]WN,k0,1,...,N1因为W2N1，则有WX[k](1)，所以：

kkN/21n0[x[n](1)x[nN2]]WN,k0,1,...,N1

nk按k的奇偶来讨论，k为偶数时：

N/21X[2r]n0[x[n]x[nN2]]WN,k0,1,...,N1 N22rnN/21k为奇数时：X[2r1]前面已经推导过WNN/21n0[x[n]x[n]]WN(2r1)n,k0,1,...,N1

2rkWN/2，所以上面的两个等式可以写为：

N2]]WN/2,r0,1,...,N/21 N2rnrkX[2r]n0[x[n]x[nN/21X[2r1]n0{[x[n]x[n]]WN}WN/2,r0,1,...,N/21

nnr通过上面的推导，X[k]的偶数点值X[2r]和奇数点值X[2r1]分别可以由组合而成的N/2点的序列来求得，其中偶数点值X[2r]为输入x[n]的前半段和后半段之和序列的N/2点DFT值，奇数点值X[2r1]为输入x[n]的前半段和后半段之差再与WN相乘序列的N/2点DFT值。

令x1[n]x[n]x[nN/21nN2]，x2[n][x[n]x[nN/21N2]]WN，则有：

nX[2r]n0x1[n]WrnN/2,X[2r1]n0x2[n]WrnN/2,r0,1,...,N21

这样，也可以用两个N/2点DFT来组合成一个N点DFT，组合过程如下图所示：

x[n] x[n]x[nN2]

x[nN2] -1 WNn [x[n]x[nN2]]WNn

二.在FFT计算中使用到的MATLAB命令：

函数fft(x)可以计算R点序列的R点DFT值;而fft(x,N)则计算R点序列的N点DFT，若R>N，则直接截取R点DFT的前N点，若R

四、实验目的：

离散傅氏变换(DFT)的目的是把信号由时域变换到频域，从而可以在频域分析处理信息，得到的结果再由逆DFT变换到时域。FFT是DFT的一种快速算法。在数字信号处理系统中，FFT作为一个非常重要的工具经常使用，甚至成为DSP运算能力的一个考核因素。

本实验通过直接计算DFT，利用FFT算法思想计算DFT，以及使用MATLAB函数中的FFT命令计算离散时间信号的频谱，以加深对离散信号的DFT变换及FFT算法的理解。

五、实验内容：

a) 计算实数序列x(n)cos516n,0n256的256点DFT。

b) 计算周期为1kHz的方波序列(占空比为50%，幅度取为+/-512，采样频率为25kHz，取256点长度) 256点DFT。

六、实验器材(设备、元器件)：

安装MATLAB软件的PC机一台，DSP实验演示系统一套。

七、实验步骤：

(1) 先利用DFT定义式，编程直接计算2个要求序列的DFT值。

(2) 利用MATLAB中提供的FFT函数，计算2个要求序列的DFT值。 (3) (拓展要求)不改变序列的点数，仅改变DFT计算点数(如变为计算1024点DFT值)，观察画出来的频谱与前面频谱的差别，并解释这种差别。通过这一步骤的分析，理解频谱分辨力的概念，解释如何提高频谱分辨力。

(4) 利用FFT的基本思想(基2-DIT或基2-DIF)，自己编写FFT计算函数，并用该函数计算要求序列的DFT值。并对前面3个结果进行对比。

(5) (拓展要求)尝试对其他快速傅立叶变换算法(如Goertzel算法)进行MATLAB编程实现，并用它来计算要求的序列的DFT值。并与前面的结果进行对比。

(6) (拓展要求)在提供的DSP实验板上演示要求的2种序列的FFT算法(基2-DIT)，用示波器观察实际计算出来的频谱结果，并与理论结果对比。

八、实验数据及结果分析：

程序： (1) 对要求的2种序列直接进行DFT计算的程序

(2) 对要求的2种序列进行基2-DIT和基2-DIF FFT算法程序 (3) 对要求的2种序列用MATLAB中提供的FFT函数进行计算的程序

结果：(1)对2种要求的序列直接进行DFT计算的频域波形

(2)对2种要求的序列进行基2-DIT和基2-DIF FFT算法频域波形 (3)对2种要求的序列用MATLAB中提供的FFT函数计算的频域波形。 (4)(拓展要求)分析利用上面的方法画出的信号频谱与理论计算出来的频谱之间的差异，并解释这种差异。

(5)(拓展要求)保持序列点数不变，改变DFT计算点数(变为1024点)，观察频谱的变化，并分析这种变化，由此讨论如何提高频谱分辨力的问题。

九、实验结论：

十、总结及心得体会：

十一、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

第9篇：数字全覆盖管理制度

教学点数字教育资源全覆盖

项目设备管理制度

1、所有项目设备由学校统一负责，明确管理人员，实行专人管理。

2、建立设备登记和学校国有资产管理档案，按型号分类入账、入柜妥善管理，不得丢失、损坏，保证配套使用。

3、建立硬件设备使用登记簿、配套软件使用登记簿，对设备使用和运行情况做出详细记录。

4、熟悉、了解设备的规格、性能、基本结构和操作使用方法，严格遵守操作规程和技术规范，做到规范操作，正确使用。设备使用后必须断开电源和接收信号源。

5、做好设备的日常维护、保养工作，做到防火、防盗、防雷、防潮、防尘、防静电。定期检查设备完好率，保持设备良好性能，保障正常的教育、教学需要。

6、禁止带故障运行设备。在使用过程中发生故障，应立即停机并及时请专职技术人员处理。同时，建立故障登记薄，做好故障原因、责任、处理和维修等记录。

7、不得以任何借口将设备出借、转让、调拨或变卖，也不允许个人占用。

xx教学点