数字图像处理与~分析习题及内容答案.doc

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1、.第一章 绪 论课后4.1. 数字图像处理的主要研究内容包含很多方面，请列出并简述其中的 4 种。图像数字化：将一幅图像以数字的形式表示。主要包括采样和量化两个过程。图像增强：将一幅图像中的有用信息进行增强，同时对其无用信息进行抑制，提高图像的可观察性。图像的几何变换：改变图像的大小或形状。图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。图像识别与理解：通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述后，将其所期望获得的目标物进行提取，并且对所提取的目标物进行一定的定量分析。2. 什么是图像识别与理解？图像识别与理解是指通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述

2、后，将其所期望获得的目标物进行提取，并且对所提取的目标物进行一定的定量分析。比如要从一幅照片上确定是否包含某个犯罪分子的人脸信息，就需要先将照片上的人脸检测出来，进而将检测出来的人脸区域进行分析，确定其是否是该犯罪分子。3. 简述图像几何变换与图像变换的区别。图像的几何变换：改变图像的大小或形状。比如图像的平移、旋转、放大、缩小等，这些方法在图像配准中使用较多。图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。比如傅里叶变换、小波变换等。.4.一个数字图像处理系统由哪几个模块组成？答： 一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像输出、图像通信、图像处理

3、和分析5个模块组成5.连续图像和 数字图像如何相互转换？ 答： 数字图像将图像看成是许多大小相同、 形状一致的像素组成。 这样， 数字图像可 以 用 二 维矩 阵 表 示 。 将 自 然 界 的 图 像 通 过 光 学 系 统 成 像 并 由 电 子 器 件 或 系 统 转 化 为 模 拟 图 像 （ 连 续图 像） 信 号 ， 再由 模 拟 /数 字转 化 器 （ ADC） 得 到原 始的 数 字 图 像信 号 。 图 像的 数 字 化包括离散和量化两个主要步骤。 在空间将连续坐标过程称为离散化， 而进一步将图像的幅 度值（可能是灰度或色彩）整数化的过程称为量化。6.采用数字图 像处理有何优

4、点？ 答：数字图像处理与光学等模拟方式相比具有以下鲜明的特点：1具有数字 信号处理技 术共有的特 点。 （1 ）处理精度高。 （ 2）重现性能 好。 （3 ）灵活 性高。2数字图像 处理后的图像是供人观察和评价的，也可能作为机器视觉的预处理结果。3数字图像 处理技术适用面宽。4数字图像 处理技术综合性强。7.数字图像处理主要包括哪些研究内容？ 答： 图像处理的任务是将客观世界的景象进行获取并转化为数字图像、 进行增强、 变换、编码、恢复、 重建、 编码和压缩、 分割等处理， 它将一幅图像转化为另一幅具有新的意义的图像。8.常见的数字 图像处理开发工具有哪些？各有什么特点？答 目 前 图像 处

5、理 系 统开 发 的 主 流工 具 为 Visual C+（ 面 向对 象 可 视 化集 成 工 具 ） 和 MATLAB 的 图像处理工具箱 （Im age Processing Tool box） 。 两 种开发工具各有所长且有相互 间的软件接口。Microsoft 公 司的 VC+是 一种具有高度综合性能的面向对象可视化集成工具， 用它开发 出来的 Win 32 程序有着运 行速度快、可移植能力强等优点。VC+所提供 的 Microsoft 基础 类库 MFC 对大部分与用户设计有关的 Win 32 应 用程序接口 API 进行了 封装，提高了代码 的可重用性， 大大缩短了应用程序开发周

6、期， 降低了开发成本。 由于图像格式多且复杂， 为 了 减 轻 程 序 员 将 主 要 精 力 放 在 特 定 问 题 的 图 像 处 理 算 法 上 ， VC+ 6.0 提 供 的 动 态 链 接 库 ImageLoad.dll 支持 BMP、JPG、TIF 等常用 6 种 格式的读写功能。MATLAB 的图像处理工具箱 MATLAB 是由 MathWorks 公司推出的用于数值计算的有 力工.具， 是一种第四代计算机语言， 它具有相当强大的矩阵运算和操作功能， 力求使人们摆 脱繁杂的程序代码。MA TLAB 图像处理工具箱提供了丰富的图像处理函数，灵活运用这些 函数可以完成大部分图像处理工

7、作， 从而大大节省编写低层算法代码的时间， 避免程序设计 中的重复劳动。MA TLAB 图像处理工具箱涵盖了在工程实践中经常遇到的图像处理手段和 算法， 如图形句柄、 图像的表示、 图像变换、 二维滤波器、 图像增强、 四叉树分解域边缘检 测、二值图像处理、小波分析、分形几何、图形用户界面等。但是，MA TLAB 也存在不足 之处限制了其在图像处理软件中实际应用。 首先， 强大的功能只能在安装有 MATLAB 系统 的机器上使用图像处理工具箱中的函数或自编的 m 文件来 实现。 其次， MATLAB 使用行解 释方式执行代码，执行速度很慢。第三，MA TLAB 擅长矩阵运算，但对于循环处理和图

8、形 界面的处理不及 C+等 语言。 为此， 通应用程序接口 API 和编译器与其他高级语言 （如 C、 C+、 Java 等 ） 混合编程将会发挥各种程序设计语言之长协同完成图像处理任务。 API 支持 MA TLAB 与 外部数据与程序的交互。 编译器产生独立于 MATLAB 环境的程序， 从而使其他 语言的应用程序使用 MATLAB。9. 常见的数字 图像应用软件有哪些？各有什么特点？答： 图像应用软件是可直接供用户使用的商品化软件。 用户从使用功能出发， 只要了解软件的操作方法就可以完成图像处理的任务。 对大部分用户来说， 商品化的图像应用软件无 需用户进行编程， 操作方便， 功能齐全，

9、 已经能满足一般需求， 因而得到广泛应用。 常用 图 像处理应用软件有以下几种：1 PHOTOSHOP： 当今 世界上一流的图像设计与制作工具， 其优越性能令其产品望尘 莫及。PHOTOSHOP 已成 为出版界中图像处理的专业标准。高版本的 PHOTOSHOP 支持多 达 20 多种图 像格式和 TWAIN 接口， 接受一般扫描仪、数码相机等图像输入设备采集的图 像。PHOTOSHOP 支持多 图层的工作方式，只是 PHOTOSHOP 的最大特色。使用图层功能 可以很方便地编辑和修改图像，使平面设计充满创意。利用 PHOTOSHOP 还可以 方便地对 图像进行各种平面处理、 绘制简单的几何图形

10、、 对文字进行艺术加工、 进行图像格式和颜色 模式的转换、改变图像的尺寸和分辨率、制作网页图像等。2 CorelDRAW： 一种基于矢量绘图、功能强大的图形图像制作与设计软件。位图式图像 是由象素组成的， 与其相对， 矢量式图像以几何、 色彩参数描述图像， 其内容以线条和色 块 为主。 可见， 采用不同的技术手段可以满足用户的设计要求 。 位图式图像善于表现连续、 丰 富色调的自然景物，数据量较大；而矢量式图像强于表现线条、色块的图案，数据量较小。 合理的利用两种不同类型的图像表现方式，往往会收到意想不到的艺术效果。Cor elDraw是.当今流行的图像处理软件中为数不多的特点明显、 功能强大

11、的基于矢量绘图的软件包。 利用 它，可以方便地制作精美的名片、贺卡、书签、图书封面、广告、宣传画等作品。3 ACDSee： 快 速 、 高 性 能 的 看 图 程 序 ， 是 目 前 最 享 盛 名 的 图 片 浏 览 器 。 它 能 广 泛 应 用于图片的获取、 管理、 浏览和优化， 支持 BMP、 GIF、 JPG、 TGA、 TIF 等超过 50 种 常 见 的图形文件格式， 图片打开速度极快， 可以直接查看动画 GIF， 处理如 Mpeg 之类常 用的视 频文件， 还可以为每一个目录建立一个相册。 ACDSee 可以 从数码相机和扫描仪高效获取图 片， 并进行便捷的查找、 组织和预览。

12、 ACDSee 还是得心应手的图片编辑工具， 轻松处理数 码影像， 拥有去红眼、 剪切图像、 锐化、 浮雕特效、 曝光调整、 旋转、 镜像等功能， 还能 进 行批量处理。10.讨论数字图像处理的主要应用。答：图像处理的应用 几乎渗透科 学研究、工 程技术和人 类社会生活 的各个领域 。教师 可 以分组对学生布置以下 6 个方面的课 题， 通过阅读参考文献、 网络资源等手段写数字图像处 理的主要应用的短文，并安排交流机会。1航天和航 空技术方面的应用2生物医学 工程方面的应用3通信工程 方面的应用4工业自动 化和机器人视觉方面的应用5军事和公 安方面的应用6生活和娱 乐方面的应用第 2 章 数字

13、图像表示及其处理课后 4.什么是量化噪声，它是什么引起的？语言信号采样量化过程中导致的噪声。如：A/D 转换（模拟到数字）。在语言编码通信中，解调后信号和原传递信号的差异是因幅度和时间的量化而产生的，这种失真称为量化失真。因为这种失真和杂乱的干扰一样，听起来和元件产生的热噪声相似，所以叫做量化噪声。1.当在白天进入一个黑暗剧场时，在能看清并找到空座位时需要适应一段时间，试述发生这种现象的视觉原理。答：人的视觉绝对不能同时在整个亮度适应范围工作，它是利用改变其亮度适应级来完成亮度适应的。即所谓的亮度适应范围。同整个亮度适应范围相比，能同时鉴别的光强度级的总范围很小。因.此，白天进入黑暗剧场时，人

14、的视觉系统需要改变亮度适应级，因此，需要适应一段时间，亮度适应级才能被改变。2.图像的数字化包含哪些步骤？简述这些步骤。图像的数字化主要包含采样、量化两个过程。采样是将空域上连续的图像变换成离散采样点集合，是对空间的离散化。经过采样之后得到的二维离散信号的最小单位是像素。量化就是把采样点上表示亮暗信息的连续量离散化后，用数值表示出来，是对亮度大小的离散化。经过采样和量化后，数字图像可以用整数阵列的形式来描述。3.图像量化时，如果量化级比较小会出现什么现象？为什么？如果量化级数过小，会出现伪轮廓现象。量化过程是将连续变化的颜色划分到有限个级别中，必然会导致颜色信息损失。当量化级别达到一定数量时，

15、人眼感觉不到颜色信息的丢失。当量化级数过小时，图像灰度分辨率就会降低，颜色层次就会欠丰富，不同的颜色之间过度就会变得突然，可能会导致伪轮廓现象。4.简述二值图像与彩色图像的区别。二值图像是指每个像素不是黑，就是白，其灰度值没有中间过渡的图像。这种图像又称为黑白图像。二值图像的矩阵取值非常简单，每个像素的值要么是 1，要么是 0，具有数据量小的特点。彩色图像是根据三原色成像原理来实现对自然界中的色彩描述的。红、绿、蓝这三种基色的的灰度分别用 256级表示，三基色之间不同的灰度组合可以形成不同的颜色。5.简述二值图像与灰度图像的区别。二值图像是指每个像素不是黑，就是白，其灰度值没有中间过渡的图像。

16、这种图像又称为黑白图像。二值图像的矩阵取值非常简单，每个像素的值要么是 1，要么是 0，具有数据量小的特点。灰度图像是指每个像素的信息由一个量化后的灰度级来描述的数字图像，灰度图像中不包含彩色信息。标准灰度图像中每个像素的灰度值是 0-255 之间的一个值，灰度级数为 256 级。6.简述灰度图像与彩色图像的区别。灰度图像是指每个像素的信息由一个量化后的灰度级来描述的数字图像，灰度图像中不包含彩色信息。标准灰度图像中每个像素的灰度值是 0-255 之间的一个值，灰度级数为 256 级.彩色图像是根据三原色成像原理来实现对自然界中的色彩描述的。红、绿、蓝这三种基色的的灰度分别用 256 级表.示

17、，三基色之间不同的灰度组合可以形成不同的颜色。1.设图像 的大小为 3232 的图标， 每个像素有 16 种颜色 ， 共 有多少种不同的图标？ 如果每 100 万个可能的图标中有一个有意义， 识别一个有意义的图标需要 1 秒钟， 则 选出所 有有意义的图标需要多长时间？ 解：1 63232/106 = 161024/1061 .044101227 s。 可见随 机图像的复杂度是非常高的。2.扫描仪 的光学分辨率是 6001200 线， 一个具 有 5000 个感 光单元的 CCD 器件， 用 于 A4 幅面扫 描仪，A4 幅面的纸张宽度是 8.3 英寸 ，该扫描仪的光学分辨率是多少 dpi？解

18、： （1 ） 6001200 线， 其中前一个数字代表扫描仪的横向分辨率，后一数字则代表纵 向分辨率。（ 2）d pi 是指单位面积内像素的多少，也就是扫描精度 ，目前国际上都是计算一英寸 面积内像素的多少。 光学分辨率是扫描仪的光学部件在每平方英寸面积内所能捕捉到的实际 的光点数,是指扫描仪 CCD 的物理分辨率，也是扫描仪的真实分辨率，它的数值是由 CCD 的像素点除以扫描仪水平最大可扫尺寸得到的数值。每一个感光单元对应一个像素。由于 CCD 感光 单元个数为 5000， 5000/8.3602 (dpi)第 三 章 图 像 增 强课后5.空间滤波的平滑滤波器和锐化滤波器的相同点、不同点及

19、联系。低通滤波器是保留小于截止频率的信号，而高通滤波器是保留大于截止频率的信号 解答： 相同点：都能减弱或消除傅立叶空间的某些分量，而不影响或较少影响其他分量，从而达到增强某些频率分量的效果。 不同点：平滑滤波器减弱或消除傅立叶空间的高频分量，所以达到了增强低频分量、平滑图像中细节的效果。锐化滤波器减弱或消除傅立叶空间的低频分量，所以达到了增强高频分量、锐化图像中细节的效果。 联系：两者效果相反，互为补充，从原图像中减去平滑滤波器的结果得到锐化滤波器的效果，从原图像中减去锐化滤波器的结果可得到平滑滤波器的结果1 图像增强 的目的是什么，它包含那些内容？ 解 ： 图 像 增 强 是 指 对 图

20、像 的 某 些 特 征 ， 如 边 缘 、 轮 廓 、 对 比 度 等 进 行 强 调 或 锐 化 ， 以 便于显示、观察或进一步分析与处理。图像增强所包含的主要内容如书图 4.1。2 图像增强的目的是什么？.答：图像增强目的是要改善图像的视觉效果，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。3.图 像 增 强 与 图 像 复 原 的 联 系 与 区 别 ？答：（1）二者的目的都是为了改善图像的质量。

21、（2） 图 像 增 强 不 考 虑 图 像 是 如 何 退 化 的 ，而 是 试 图 采 用 各 种 技 术 来 增 强 图 像 的 视觉效果。因此，图 像 增 强 可 以 不 顾 增 强 后 的 图 像 是 否失 真 ， 只要看得舒服就行。（3）而图像复原就完全不同，需知道图像退化的机制和过程等先验知识，据此找出一种相应的逆处理方法，从而得到复原的图像。（4）如果图像已退化，应先作复原处理，再作增强处理4、什么是直方图均衡化？答：将原图象的直方图通过变换函数修正为均匀的直方图，然后按均衡直方图修正原图象。图象均衡化处理后，图象的直方图是平直的，即各灰度级具有相同的出现频数，那么由于灰度级具有

22、均匀的概率分布，图象看起来就更清晰了。5. 图像锐化滤波的几种方法。答：（1）直接以梯度值代替；（2）辅以门限判断；（3）给边缘规定一个特定的灰度级；（4）给背景规定灰度级；（5）根据梯度二值化图像。6、图像锐化与图像平滑有何区别与联系？答：区别：图像锐化是用于增强边缘，导致高频分量增强，会使图像清 晰；图像平滑用于消除图像噪声，但是也容易引起边缘的模糊。联系：都属于图像增强，改善图像效果。7.简述直方图均衡化的基本原理。答：直方图均衡化方法的基本思想是，对在图像中像素个数多的灰度级进行展宽，而对像素个数少的灰度级进行缩减。从而达到清晰图像的目的。因为灰度分布可在直方图中描述，所以该图像增强方

23、法是基于图像的灰度直方图。.直 方 图 均 衡 化 是将原图象的直方图通过变换函数修正为均匀的直方图，然后按均衡直方图修正原图象。图象均衡化处理后，图象的直方图是平直的，即 各 灰 度 级 具 有 相 同 的 出 现 频 数 ，那么由于灰度级具有均匀的概率分布，图象看起来就更清晰了。直方图均衡化实质上是减少图象的灰度级以换取对比度的加大。在均衡过程中，原来的直方图上频数较小的灰度级被归入很少几个或一个灰度级内，故得不到增强。若这些灰度级所构成的图象细节比较重要，则需采用局部区域直方图均衡。对离散图像的直方图均衡化是不能产生完全平坦的直方图的。理由是：（1）直方图是近似概率密度函数，（2）简并现

24、象的存在使处理的灰度级总是要减少的，这是像素灰度有限的必然结果。均衡化只是近似的，其结果只能是产生近似均匀的直方图。对一副图像进行直方图均衡化处理，然后在进行一次直方图均衡化处理，结果不会发生变化。理由是：（1）对于不同的图像，只要具有相同的灰度分布情况，其对应的灰度直方图是一致的；（2）任意一副图像都有唯一的与其对应的一个灰度直方图。对一副灰度级为 2 的 n 次方且已经直方图均衡化的图像能否用变长编码方法进行压缩？效果如何？答：能。因为直方图均衡化并不能消除图像中的冗余信息和不相干信息。如果均衡化过程中没有发生灰度合并，则压缩效率与均衡化无关;如果发生了灰度合并，则压缩效率会有所提高。8、

25、将高频加强和直方图均衡相结合是得到边缘锐化和对比度增强的有效方法。上述两个操作的先后顺序对结果有影响吗？为什么？答：有影响，应先进行高频加强，再进行直方图均衡化。高频加强是针对通过高通滤波后的图像整体偏暗，因此通过提高平均灰度的亮度，使图像的视觉鉴别能力提高。再通过直方图均衡化将图像的窄带动态范围变为宽带动态范围，从而达到提高对比度的效果。若先进行直方图均衡化，再进行高频加强，对于图像亮度呈现较强的两极现象时，例如多数像素主要分布在极暗区域，而少数像素存在于极亮区域时，先直方图均衡化会导致图像被漂白，再进行高频加强，获得的图像边缘不突出，图像的对比度较差。9.什么是 图像平滑？试述均值滤波的基

26、本原理。 解： 为了去除或减弱图像中的噪声， 可以对图像进行平滑处理， 称为图像平滑。 大部 分.的噪声都可以看作是随机信号，它们对图像的影响可以看作是孤立的。对于某一像素而言， 如果它与周围像素点相比， 有明显的不同， 我们就认为该点被噪声感染了。 基于这样的分析， 我们可以用求均值的方法， 来判断每一点是否含有噪声， 并用适当的方法消除所发现的噪声。10.平滑和锐化滤波器的异同及联系？ 答：同：都能减弱或消除傅叶空间的某些分量，而不影响或较少影响其他分量，从而达到增强某些频率分量的效果。异：平滑减弱或消除傅叶空间的高频分量，达到了增强低频分量、平滑图像细节的效果；锐化减弱或消除傅叶空间的低

27、频分量，达到了增强高频分量、锐化图像细节的效果。联系：两者效果相反，互为补充，从原始图像中减去平滑滤波器的结果得到锐化滤 波器 的效果，反之亦然。11、图像增强时，平滑和锐化有哪些实现方法？答：平滑的实现方法：邻域平均法，中值滤波，多图像平均法，频域低通滤波法。锐化的实现方法：微分法，高通滤波法。12. 什么是 中值滤波，有何特点？ 解：中值滤波是非线性的处理方法，在去噪的同时可以兼顾到边界信息的保留。中 值滤 波首先 选一 个含有 奇数 点的窗 口 W ，将这 个窗 口在图 像上 扫描， 把 该窗口中 所 含 的 像素点按灰度级的升（或降）序排列，取位于中间的灰度值，来代替该点的灰度值。13

28、.什么是中值滤波及其它的原理？答 ： 中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，基本原理是把 数 字 图 像 或 数 字 序 列 中 一 点 的 值 用 该 点 的 一 个 邻 域 中 各 点 值 的 中 值 代 替 ， 让 周 围 的 像 素 值接 近 的 真 实值，从而消除孤立的噪声点。特 点 ： 是 一 种 非 线 性 的 图 像 平 滑 法 ， 它 对 脉 冲 干 扰 级 椒 盐 噪 声 的 抑 制 效 果 好 ， 在抑制随机噪声的同时能有效保护边缘少受模糊。14.图像空域增强与频域增强的基本原理答：频域增强是指在图像的频率域内，对图像的变换系数（频率成分）直

29、接进行运算，然后通过傅里叶逆变换以获得图像的增强效果。空域增强是在图像上直接进行数据运算，基本上是以灰度映射变换的。.15.频域增强与空域增强有何不同答：空域增强是在图像上直接进行数据运算，常见的处理方法有：线性拉伸、直方图均衡化等。频域增强主要有基于傅里叶变换的算法、基于小波变换的算法等。二者在图像增强时都已产生“振铃”现象。16.高通滤波与低通滤波有何特点？答：低通滤波器容许低频信号通过，但减少频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。高通滤波器是去掉信号中不必要的低频成分，去掉低频干扰的滤波器。高通滤波器和低通滤波器常常成对出现，无论哪一种，都是为了

30、把一定的17.什么叫同态滤波？有何特点？答：同态滤波是一种在频域中对图像同时进行图像对比度增强和压缩图像亮度范围的滤波方法。同态滤波可以使图像处理符合人眼对于亮度响应的非线性特性，避免了直接对图像进行傅里叶变换处理的失真。18.对于椒盐噪声，为什么中值滤波效果比均值滤波效果好？ 答：椒盐噪声是复制近似相等但随机分布在不同的位置上，图像中又干净点也有污染点。中值滤波是选择适当的点来代替污染点的值，所以处理效果好。因为噪声的均值不为 0，所以均值滤波不能很好地去除噪声。19.理想低通滤波器缺点？ 答：会产 生 比 较 严重的模糊和振铃现象，半径越小，模糊和振铃越明显，平滑效果也越差。振铃原因：时域图，频域图，旁瓣围绕横坐标震动，所以。 20. 二维傅 里叶变换的分离性有什么实际意义？ 解： 该性质表明， 一个二维傅里叶变换可由连续两次一维傅里叶变换来实现。 实现的方法如下图所示：