《图像信号处理》实验指导书
编写罗三定
中南大学信息科学与工程学院
2006年 10月
实验1 PhotoShop功能操作
一、实验目的
1、了解数码相机基本使用。
2、熟悉PHOTOSHOP在图像处理上的用途。
3、掌握PHOTOSHOP一些基本的图像操作。
二、实验内容
1、用数码相机拍摄照片。
2、将照片采集到电脑中处理。
3、运用PHOTOSHOP进行图像的编辑与创作。
三、实验预备知识
ADOBE PHOTOSHOP是Thomas和John Knoll俩兄弟设计制作，而后与Adobe公司合作，于1989年推行的一个集传统的暗房技术和印前处理功能于一体的综合图像处理软件，它将设计师和使用者集于一体，给图形设计界增添了巨大的活力。
位图即点阵图是由许多小方格的不同色块组成的图像，其中每一个小方格被称为像素。
Photoshop是一个位图处理软件，它可以真实的再现色彩丰富的世界。
由于位图文件在存储时必须记录其组成画面中每一个像素的位置、色彩等数据，因此它的文件信息量大，分辨率越高，信息量越大。
分辨率就是单位（英寸）长度所含像素的多少，单位为dpi。
分辨率可分为图像分辨率、输出分辨率、扫描分辨率等，分辨率是决定图像输入、输出质量高低的关键。
黑白位图模式1bit表示一个图像像素；灰度位图模式用8bit表示一个图像像素；RGB真彩色位图模式用3*8bit表示一个图像像素。
一个数字化图像文件，文件的大小= 图像像素数×字节数/像素+文件头。
在Photoshop中不能将彩色图像直接转化为黑白位图模式，必须先将此彩色图像转化为灰度模式，在转化为位图模式，转化后有几种不同的显示模式：50%阈值、图案仿色、扩散仿色和半调网屏。
四、实验要求
1、观察图像大小（宽与高像素）。
2、改变图像大小。
3、观察各处的RGB值、色度、亮度、饱和度的值。
4、单独观察红色、绿色、蓝色分量图像。
5、将彩色图像转换为灰度图像，存盘后观察文件大小。
6、观察图像的直方图。
7、改变图像的亮度、对比度、饱和度，观察操作结果。
8、以不同阈值二值化图像。
实验2 Photoshop 图像处理实验
一、实验目的
1、了解bmp 图像的数据存储形式。
2、学习使用不同的滤波方法处理图像。
3、掌握PHOTOSHOP 一些图像增强处理方法。
二、实验内容
1、调入一张图片*.bmp 或 *.jpg 。
2、分别选用不同的方式进行图像处理，观察处理效果。
3、运用PHOTOSHOP 中模糊、锐化、涂抹、减淡和加深等工具进行图像的编辑。
三、实验预备知识
图像的平滑是一种使用的数字图像处理技术，其主要目的是为了减少图像的噪声，提高图像的信噪比。
一般情况下，在空间域内可以用邻域平均来减少噪声；在频率域，由于噪声频谱通常多在高频段，因此可以采用各种形式的低通滤波的办法来减少噪声。
平滑模板的思想是：通过一点和周围几个点的运算（通常是平均或加权平均运算）来除去突然变化的点，从而滤掉一定的噪声，但图像有一定程度的模糊。
常用的图像平滑模板有： 010********⎡⎤⎢⎥∙⎢⎥⎢⎥⎣⎦、11111018111⎡⎤⎢⎥∙⎢⎥⎢⎥⎣⎦、11111119111⎡⎤⎢⎥∙⎢⎥⎢⎥⎣⎦、111112110111⎡⎤⎢⎥∙⎢⎥⎢⎥⎣⎦、121124216121⎡⎤⎢⎥∙⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 等。
其中最后一个模板又常称为高斯模板，它是通过采样2维高斯函数得到的。
中值滤波是一种非线性信号处理方法，其对应的滤波器是非线性滤波器。
中值滤波在一定的条件下可以克服线性滤波器带来的图像细节模糊，
而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效。
但是对于一些细节多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不宜采用中值滤波方式。
中值滤波一般采用含有奇数点的滑动窗口，将窗口中各点的灰度值的中值来代替指定点的灰度值。
对于奇数点，中值是指按大小排序后，中间的数值；对于偶数个点，则是排序后中间两个点的平均值。
图像的锐化处理的目的是让模糊的图像变得更加清晰。
通常针对引起图像模糊的原因而进行的锐化操作属于图像复原的内容，其实质就是针对图像受到的平均或积分运算，进行逆运算（如微分运算），从而使图像变得清晰。
从频谱的角度分析，图像的锐化类似于一个高通滤波器。
常用的锐化模板有：
010151010-⎡⎤⎢⎥-∙-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦、111191111---⎡⎤⎢⎥-∙-⎢⎥⎢⎥---⎣⎦
等。
这两个模板又称为拉普拉斯模板。
边缘查找又称为边缘检测，边缘是指周围像素灰度发生阶跃型或凸缘型变化的像素的集合。
常用的边缘检测算子，包括Sobel 、Prewitt 、Krisch 、Laplace 算子等。
分别是：
121000121---⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦、101202101-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦
Sobel 算子
111000111---⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦、101101101-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦
Prewitt 算子
555303333⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥---⎣⎦、355305333-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥---⎣⎦、335305335--⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦、333305355---⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦
333303555---⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎣⎦、333503553---⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦、533503533--⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦、553503333-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥---⎣⎦
Krisch 算子
010141010-⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦、111181111---⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥---⎣⎦
Laplace 算子
PHOTOSHOP 中还支持自定义的滤波器。
可以在实验中自行验证。
四、实验要求
1、分别选用以上方式进行图像处理观察处理效果。
并简要叙述工作原理。
2、自定义滤波器处理图像。
3、练习使用模糊、锐化、涂抹、减淡和加深等工具进行图像的编辑。
实验3 图像处理编程实验
一、实验目的
1、熟悉VB或VC的基本编程方法。
2、了解bmp位图文件的结构。
3、掌握灰度直方图的原理及绘制过程。
二、实验内容
1、编程读取一张bmp图片到数组。
2、显示图像数组的图像数据到屏幕。
3、求取直方图
4、分别编程实现实验2中图像处理方法，观察处理效果。
三、实验预备知识
Visual C++和Visual Basic是微软公司开发的Win32环境程序，面向对象的可视化编译系统。
具有程序框架自动生成、类管理方便灵活、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点。
软件本身提供丰富的关于位图操作的函数，对开发图像处理系统提供了极大的方便。
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级内容任何一幅图像的直方图都包括了可观的信息。
灰度直方图是灰度值的函数，横坐标是灰度等级，纵坐标是该灰度出现的频率（像素的个数）。
有关于图像操作的内容可以参阅实验2，在这里不在赘述。
四、实验要求
1、编写程序读取BMP位图文件。
2、根据读取的图像数据绘制灰度直方图。
3、编程实现实验2中的图像处理方法。
实验4 图像处理编程量测实验
一、实验目的
1、掌握Hough变换。
2、综合运用图像处理的各种操作，获取图像信息。
二、实验内容
1、编程读取下列bmp图片。
2、显示图像数组的图像数据到屏幕。
3、按如下步骤实现对图像中三角形高度、底边宽度、面积测量。
a 平滑滤波
b 边缘增强
c Hough变换
d 求直线
e 求交点
f 求三角形高度、底边宽度、面积
三、实验预备知识
Hough 变换是利用图像全局特性而将边缘像素连接起来组成区域封闭边界的一种方法。
在预先知道区域形状的条件下，利用Hough 变换可以方便地得到边界曲线而将不连续的边缘像素点连接起来。
Hough 变换的主要优点是受噪声和曲线间断的影响较小。
直线y mx b =+可以用极坐标表示为：cos sin r x y θθ=+。
其中(,)r θ定义了一个从坐标原点到直线最近的向量，该向量与该直线垂直。
考虑一个以参数r 和θ定义的二维空间。
,x y 平面的任意一条直线对应,r θ空间的一个点。
因此，,x y 平面的任意一条直线的Hough 变换是,r θ空间的一个点。
考虑,x y 平面的一个特定点11(,)x y ，过该点的直线可以有很多，每一条直线都对应了,r θ空间中的一个点，然而这些点必须是满足以1x 和1y 作为常量时的等式。
因此，在该参数空间中与,x y 空间中所有这些直线对应的点的轨迹应该是一条正弦型曲线，即,x y 平面上任意一点对应,r θ空间中一条正弦曲线。
如果有一组位于由参数0r 和0θ决定的直线上的边缘点，则每个边缘点对应了,r θ空间的一条正弦曲线，所有这些曲线必相交于点00(,)r θ，因为它们同在一条直线上。
四、实验要求
1、编程读取位图文件。
2、编程实现Hough 变换。
3、计算三角形的各种参数。