胡学龙《数字图像处理》习题答案(珍藏)

胡学龙、许开宇编著《数字图像处理》思考题与习题参考答案第1章概述1.1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。1.2采用数字图像处理有何优点？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。1.3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。1.4讨论数字图像处理系统的组成。列举你熟悉的图像处理系统并分析它们的组成和功能。答：如图1.8，数字图像处理系统是应用计算机或专用数字设备对图像信息进行处理的信息系统。图像处理系统包括图像处理硬件和图像处理软件。图像处理硬件主要由图像输入设备、图像运算处理设备（微计算机）、图像存储器、图像输出设备等组成。软件系统包括操作系统、控制软件及应用软件等。图1.8数字图像处理系统结构图11.5常见的数字图像处理开发工具有哪些？各有什么特点？答．目前图像处理系统开发的主流工具为VisualC++（面向对象可视化集成工具）和MATLAB的图像处理工具箱（ImageProcessingToolbox）。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Win32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Win32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。MATLAB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。MATLAB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，MATLAB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，MATLAB擅长矩阵运算，但对于循环处理和图形界面的处理不及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MATLAB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。1.6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，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的昀大特色。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、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。CorelDraw是2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，是目前昀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。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。1.7讨论数字图像处理的主要应用。进一步查找资料，写一篇关于你感兴趣的应用方面的短文。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章图像的数字化与显示2.1设图像的大小为32×32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：1632×32/106=161024/106＝1.044×101227s可见随机图像的复杂度是非常高的。2.2扫描仪的光学分辨率是600×1200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：（1）600×1200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）dpi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昀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5000，5000/8.3＝602(dpi)3第3章图像变换3.1二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：3.2图像处理中正交变换的目的是什么？图像变换主要用于那些方面？解：正交变换可以使得图像能量主要集中分布在低频率成分上，边缘和线信息反映在高频率成分上。因此正交变换广泛应用在图像增强、图像恢复、特征提取、图像编码压缩和形状分析等方面。3.3在MATLAB环境中，实现一幅图像的傅里叶变换。解：MATLAB程序如下：A=imread('rice.tif');imshow(A);A2=fft2(A);A2=fftshift(A2);figure,imshow(log(abs(A2)+1),[010]);3.4利用MATLAB对一幅512×512的图像进行DCT变换，并保留256×256个DCT变换系数进行重构图像，比较重建图像与原始图像的差异。解：MATLAB程序如下：RGB=imread('pout512.bmp');I=rgb2gray(RGB);J=dct2(I);J(1:512,256:512)=0;J(256:512,1:256)=0;K=idct2(J);imshow(I),figure,imshow(K,[0255])3.5离散的沃尔什变换与哈达玛变换之间有那些异同？解：哈达玛(Hadamard)变换和沃尔什（Walsh）变换的变换核都是由1，－1组成的正交方阵。它们不同的地方在于变换矩阵的行列排列次序不同。哈达玛变换每行的列率排列是没有规则的，沃尔什变换的列率是由小到大。43.6求N＝4对应的沃尔什变换核矩阵。解：1111111111111111H⎡⎤⎢⎥−−⎢⎥=⎢⎥−−⎢⎥−−⎣⎦3.7什么是小波？小波基函数和傅里叶变换基函数有何区别？解：小波信号的非零点是有限的。它与傅里叶变换的基函数（三角函数、指数信号）是不同的，傅里叶变换的基函数从负无穷到正无穷都是等幅振荡的。3.8为何称小波变换为信号的“电子显微镜”，如何实现该功能？解：小波变换的伸缩因子的变化，使得可以在不同尺度上观察信号，所以又称电子显微镜。实现小波变换可以应用Mallat的快速算法。3.9应用MATLAB设计小波变换程序，该程序能够读入一幅BMP格式的图像，显示该图像和小波变换系数。解：由读者思考。3.10傅里叶变换、加窗傅里叶变换和小波变换的时间－频率特性有什么不同？解：傅里叶变换使得时间信号变成了频域信号，加窗傅里叶变换使得时间信号变成了时频信号，但是窗口是固定的，小波变换同样变成了视频信号，但是时频的窗口是变化的。3.11利用MATLAB进行图像的小波变换，观察小波系数特点。解：MATLAB程序如下：X=imread('rice.tif');[cA1,cH1,cV1,cD1]=dwt2(X,'bior3.7');subplot(2,2,1);imshow(cA1,[0900]);title('ApproximationA1')subplot(2,2,2);imshow(cH1);title('HorizontalDetailH1')subplot(2,2,3);imshow(cV1);title('VerticalDetailV1')subplot(2,2,4);imshow(cD1);第4章图像增强4.1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。4.2已知灰度图像f（x，y）为如下矩阵所示，求经过反转变换后图像g（x，y）。反转变换g＝G（f）如图a所示。5图a解：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡1011111014.3直方图均衡，若一个64×64的离散图像，灰度分成8层，其灰度rk的值和分布情况如下：请绘制该图像的直方图，并求经过直方图均衡后的图像的直方图。k01234567kr07172737475761kn560920104670535626717072解：k01234