数字图像处理试卷复习资料.doc

数字图像处理A卷
█一、叙述常见的数字图像处理开发工具有哪些？各有什么特点？（10分）

答．目前图像处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（Image 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。

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，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++对WIN32应用程序接口API进行了封装，提高了代码的重用性，缩短了应用程序开发周期，降低了开发成本。VC++6.0提供的动态链接库imageload.dll支持BMP、JPG、TIF等六种格式的读写功能。

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。

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。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。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。它的缺点有：1、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。2、MATLAB使用行解释方式执行代码，执行速度很慢。3、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。

█二、叙述常见的数字图像应用软件有哪些？各有什么特点？（10分）

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。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、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。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，数据量较小。CorelDraw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。ACDSee可以轻松处理数码影像。

█三、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？（10分）

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。

█四、用JPEG标准，对于576行×720列的CCIR601建议分辨率的彩色图像， 其亮度分量可分割成多少个子块， 而两个色差分量可分别分割成多少子块？（10分）

解：对于576行×720列的CCIR601建议分辨率的彩色图像， JPEG将其亮度分量分割成（576/8）×（720/8）=6480块。
两个色差分量都可分割成两组：（576/8）×（360/8）=3240 块。

█五、二维傅里叶变换的分离性有什么实际意义？（10分）

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：
一维行变换
一维列变换
(0,0)
X
F(x,y)
Y
N-1
M-1
(0,0)
X
F(x,v)
V
N-1
M-1
(0,0)
U
F(u,v)
V
N-1
M-1

█六、有了离散傅里叶及其快速算法FFT，为什么还要提出离散余弦算法DCT及其快速算法？为什么许多视频国际标准将DCT作为帧内编码的基本压缩算法？（10分）

答：在所有的变换编码方案中，离散K-L变换是最佳变换，理论价值较高，常常作为对其他变换特性进行评价的标准。但此变换没有快速算法，在工程应用中受到限制。在次最佳变换算法中，DFT和DCT都是常用的变换编码方法，它们分别有快速算法FFT和FCT。这两种方法相比较，DFT涉及到复数运算，而DCT是实数变换具有十分吸引人的一些特点：它是一种实数变换，计算量较小，其变换矩阵的基向量很好地描述了人类视觉的相关性，且对于大多数图像来说，该变换的压缩性能很接近离散K-L变换，而且其变换矩阵与图像内容无关，另外由于它构造对称的数据序列，避免了在图像边界处的跳跃及所引起的Gibbs效应，并且也有快速算法，因而得到广泛的应用。作为准最佳变换，它已成为一些静态图像、视频压缩国际标准（或建议）中的基本处理模块。

█七、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？ （10
分）
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，
5000/8.3＝602 (dpi)

█八、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。
（20分）

k
0
1
2
3
4
5
6
7
rk
0
71
72
73
74
75
76
1
nk
560
920
1046
705
356
267
170
72
解：
k
0
1
2
3
4
5
6
7
rk
0
1/7
2/7
3/7
4/7
5/7
6/7
1
nk
560
920
1046
705
356
267
170
72
pr(rk)
0.14
0.22
0.26
0.17
0.09
0.07
0.04
0.02
Sk′
0.14
0.36
0.62
0.79
0.88
0.95
0.99
1
Sk"
1/7
3/7
4/7
6/7
6/7
1
1
1
Sk
1/7
3/7
4/7

6/7

1
n Sk
560
920
1046

1061

509
pr(sk)
0.14
0.22
0.26

0.26

0.13

█九、一图像大小为640×480，256色。用软件工具SEA（version 1.3）将其分别转成24位色BMP，24位色JPEG，GIF（只能转成256色）压缩格式，24位色TIFF压缩格式，24位色TGA压缩格式，得到的文件大小分别为：921,654字节；17,707字节；177,152字节；923,044字节；768,136字节。分别计算每种压缩图像的压缩比。（10分）

解：不计算较小的文件头和彩色查找表（LTU）的数据量，原始图像的数据量为：
640×480×1 byte=307,200 byte。
经转换后各种格式的压缩比如下：
24位色BMP格式： 307,200/921,654=0.333（增加了冗余度）
24位色JPEG格式： 307,200/17,707=17.35
GIF压缩格式： 307,200/177,152=1.73
24位色TIFF压缩格式： 307,200/923,044=0.333（增加了冗余度）
24位色TGA压缩格式： 307,200/768,136=0.400（增加了冗余度）

█十、用JPEG标准，对于576行×720列的CCIR601建议分辨率的彩色图像， 其亮度分量可分割成多少个子块， 而两个色差分量可分别分割成多少子块？（10分）

解：对于576行×720列的CCIR601建议分辨率的彩色图像， JPEG将其亮度分量分割成（576/8）×（720/8）=6480块。
两个色差分量都可分割成两组：（576/8）×（360/8）=3240 块。

█十一、对下面的图像采用基于区域灰度差进行区域增长，给出灰度差值
1)
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2

2)
1
1
2
3
4
1
1
2
3
3
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2
1
1
2
2
2

3)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

T①＝1；T②＝2；T③＝3三种情况下的分割图像。（10分）
解：

1
0
4
7
5
1
0
4
7
7
0
1
5
5
5
2
0
5
6
5
2
2
5
6
4

四邻域：L4 =
1 1 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 3 3 0 0
1 1 0 0 3 3 0 0
1 1 0 0 0 3 3 0
0 1 0 0 0 0 3 0
2 0 2 0 0 0 3 0
2 2 2 0 0 3 3 0
2 2 2 0 0 0 0 0
八邻域：L8 =
1 1 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 2 2 0 0
1 1 0 0 2 2 0 0
1 1 0 0 0 2 2 0
0 1 0 0 0 0 2 0
1 0 1 0 0 0 2 0
1 1 1 0 0 2 2 0
1 1 1 0 0 0 0 0
十二、用4连通或8连通准则，判断如下图像中的目标。 (10分)
1 1 1 0 0 0 0 0 解：
1 1 1 0 1 1 0 0
1 1 0 0 1 1 0 0
1 1 0 0 0 1 1 0
0 1 0 0 0 0 1 0
1 0 1 0 0 0 1 0
1 1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 0 0 0 0 0

2
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