数字图像处理与摄影技术作业指导书

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数字图像处理与摄影技术作业指导书
第 1 章 数字图像处理基础........................................................................................................... 3
1 数字图像处理概述......................................................................................................... 3
1.1 数字图像定义............................................................................................................. 3
1.2 数字图像处理的目的与意义..................................................................................... 4
1.3 数字图像处理的基本流程......................................................................................... 4
2 图像处理基本操作......................................................................................................... 4
2.1 图像采样与量化......................................................................................................... 4
2.2 图像变换.................................................................................................................... 4
2.3 图像滤波.................................................................................................................... 4
2.4 图像增强.................................................................................................................... 4
2.5 图像恢复.................................................................................................................... 4
3 图像类型与存储格式..................................................................................................... 4
3.1 二值图像.................................................................................................................... 4
3.2 灰度图像.................................................................................................................... 4
3.3 彩色图像.................................................................................................................... 4
3.4 图像存储格式............................................................................................................. 5
第 2 章 摄影技术基础................................................................................................................... 5
1 摄影光学原理................................................................................................................ 5
1.1 镜头............................................................................................................................ 5
1.2 光圈............................................................................................................................ 5
1.3 快门............................................................................................................................ 5
1.4 感光度........................................................................................................................ 5
2 摄影器材与拍摄技巧..................................................................................................... 5
2.1 相机类型.................................................................................................................... 5
2.2 镜头选择.................................................................................................................... 5
2.3 摄影附件.................................................................................................................... 6
2.4 拍摄技巧.................................................................................................................... 6
3 摄影构图与审美............................................................................................................. 6
3.1 构图原则.................................................................................................................... 6
3.2 画面元素.................................................................................................................... 6
3.3 视角与角度................................................................................................................ 6
3.4 色彩运用.................................................................................................................... 6
第 3 章 图像增强........................................................................................................................... 6
1 灰度变换增强................................................................................................................ 6
1.1 灰度变换原理............................................................................................................. 6
1.2 线性灰度变换............................................................................................................. 6
1.3 对数灰度变换............................................................................................................. 7
1.4 幂次灰度变换............................................................................................................. 7
2 直方图增强.................................................................................................................... 7
2.1 直方图均衡化............................................................................................................. 7

2.2 直方图规定化............................................................................................................. 7
3 频域增强........................................................................................................................ 7
3.1 频域滤波原理............................................................................................................. 7
3.2 低通滤波.................................................................................................................... 7
3.3 高通滤波.................................................................................................................... 7
3.4 带通滤波和带阻滤波................................................................................................. 7
第 4 章 图像复原与重建............................................................................................................... 8
1 图像退化模型................................................................................................................ 8
1.1 线性退化模型............................................................................................................. 8
1.2 非线性退化模型......................................................................................................... 8
2 噪声分析与去除............................................................................................................. 8
2.1 噪声类型.................................................................................................................... 8
2.2 去噪方法.................................................................................................................... 8
3 图像重建技术................................................................................................................ 9
3.1 逆滤波........................................................................................................................ 9
3.2 维纳滤波.................................................................................................................... 9
3.3 稀疏表示与重建......................................................................................................... 9
3.4 深度学习方法............................................................................................................. 9
第 5 章 图像分割与边缘检测....................................................................................................... 9
1 阈值分割........................................................................................................................ 9
1.1 灰度阈值分割........................................................................................................... 10
1.2 彩色图像阈值分割................................................................................................... 10
2 区域生长与合并........................................................................................................... 10
2.1 区域生长.................................................................................................................. 10
2.2 区域合并.................................................................................................................. 10
3 边缘检测算法.............................................................................................................. 10
3.1 基于梯度的边缘检测算法....................................................................................... 10
3.2 基于二阶导数的边缘检测算法............................................................................... 10
3.3 其他边缘检测算法................................................................................................... 11
第 6 章 形态学处理..................................................................................................................... 11
1 形态学基本运算........................................................................................................... 11
1.1 膨胀.......................................................................................................................... 11
1.2 腐蚀.......................................................................................................................... 11
1.3 开运算...................................................................................................................... 11
1.4 闭运算...................................................................................................................... 11
2 形态学应用实例........................................................................................................... 11
2.1 骨架提取.................................................................................................................. 11
2.2 噪声消除.................................................................................................................. 11
2.3 区域填充.................................................................................................................. 12
3 数学形态学在图像处理中的应用............................................................................... 12
3.1 边缘检测.................................................................................................................. 12
3.2 目标分割.................................................................................................................. 12
3.3 特征提取.................................................................................................................. 12
3.4 图像增强.................................................................................................................. 12

第 7 章 图像特征提取与描述..................................................................................................... 12
1 颜色特征提取.............................................................................................................. 12
1.1 颜色直方图.............................................................................................................. 12
1.2 颜色矩...................................................................................................................... 12
1.3 颜色聚合向量........................................................................................................... 12
2 纹理特征提取.............................................................................................................. 12
2.1 灰度共生矩阵........................................................................................................... 13
2.2 局部二值模式........................................................................................................... 13
2.3 Gabor 滤波器............................................................................................................ 13
3 形状特征提取.............................................................................................................. 13
3.1 傅里叶描述符........................................................................................................... 13
3.2 Hu 不变矩.................................................................................................................. 13
3.3 Zernike 矩................................................................................................................ 13
第 8 章 摄影后期处理技术......................................................................................................... 13
1 色彩调整与校正........................................................................................................... 13
2 图像合成与特效........................................................................................................... 13
3 景深与动态范围优化................................................................................................... 14
第 9 章 数字摄影与计算机视觉................................................................................................. 14
1 计算机视觉概述........................................................................................................... 14
2 三维重建与虚拟现实................................................................................................... 14
3 摄影测量与遥感........................................................................................................... 14
第 10 章 数字图像处理与摄影技术在实际应用中的案例分析.................................................14
1 数字图像处理在医学领域的应用............................................................................. 14
1.1 X 射线成像.............................................................................................................. 15
1.2 CT 和 MRI 成像........................................................................................................ 15
1.3 超声成像................................................................................................................ 15
2 摄影技术在广告摄影中的应用................................................................................. 15
2.1 光线控制................................................................................................................ 15
2.2 摄影构图................................................................................................................ 15
2.3 后期处理................................................................................................................ 15
3 数字图像处理与摄影技术在人工智能领域的融合与发展趋势...............................15
3.1 计算机视觉............................................................................................................. 15
3.2 智能驾驶................................................................................................................ 16
3.3 无人机航拍............................................................................................................. 16
3.4 发展趋势................................................................................................................ 16
第 1 章 数字图像处理基础
1 数字图像处理概述
1.1 数字图像定义
数字图像是由像素点组成的二维离散信号，每个像素点的值代表该点的亮

度或颜色信息。

1.1.2 数字图像处理的目的与意义

数字图像处理的目的是通过对图像进行分析、处理和优化，提高图像质量，

提取图像中有价值的信息，以满足人类视觉需求和各类应用场景。

1.1.3 数字图像处理的基本流程

数字图像处理主要包括图像采集、预处理、特征提取、图像分割、图像识别等

环节。

1.2 图像处理基本操作

1.2.1 图像采样与量化

图像采样是将连续的图像信号转换为离散的像素点阵；图像量化是将每个

像素点的灰度或颜色值量化为离散的整数值。

1.2.2 图像变换

图像变换主要包括傅里叶变换、离散余弦变换、小波变换等，用于将图像从

空间域转换到频率域，便于进行后续处理。

1.2.3 图像滤波

图像滤波是对图像进行平滑或锐化处理，以去除噪声或增强图像的边缘信

息。

1.2.4 图像增强

图像增强是通过对图像的对比度、亮度、颜色等进行调整，使图像更加清晰

易于观察。

1.2.5 图像恢复

图像恢复是对受到噪声、模糊等影响的图像进行处理，使其尽可能恢复到原

始状态。

1.3 图像类型与存储格式

1.3.1 二值图像

二值图像是指像素值两种可能，通常为黑白图像，像素值为0或255。

1.3.2 灰度图像

灰度图像是指像素值在 0 到255 之间，表示不同的灰度级别。

1.3.3 彩色图像

彩色图像包含红、绿、蓝三个颜色通道，每个通道的像素值范围通常为 0到

255。

1.3.4 图像存储格式

常见的图像存储格式有 BMP、JPEG、PNG、TIFF 等，它们具有不同的压缩算法

和适用场景。

第 2 章摄影技术基础

2.1 摄影光学原理

摄影光学原理是摄影技术的基础，本节将介绍镜头、光圈、快门等基本光学

元件的工作原理及其在摄影中的应用。

2.1.1 镜头

镜头是摄影器材中最重要的组成部分，它负责收集光线并将其聚焦在感光

元件上。本节将介绍镜头的分类、结构、焦距、视场角等基本概念。

2.1.2 光圈

光圈是镜头中的一个可调节的开口，用于控制进入镜头的光线量。本节将阐

述光圈大小与景深、曝光的关系，以及如何合理运用光圈来拍摄不同场景。

2.1.3 快门

快门是摄影器材中控制光线照射感光元件时间的装置。本节将介绍快门速度

对曝光、动态模糊和静态捕捉的影响，以及如何根据拍摄需求选择合适的快门速

度。

2.1.4 感光度

感光度是指感光元件对光线的敏感程度。本节将讲述感光度与曝光、图像质

量的关系，以及如何在不同拍摄环境下调整感光度。

2.2 摄影器材与拍摄技巧

了解摄影器材及其拍摄技巧是提高摄影水平的关键。本节将介绍各类摄影器

材及其使用方法，帮助读者掌握拍摄技巧。

2.2.1 相机类型

本节将介绍常见的相机类型，如单反相机、无反相机、卡片相机等，以及它

们的特点和适用场景。

2.2.2 镜头选择

根据拍摄需求选择合适的镜头。本节将分析不同类型镜头的适用范围，如广

角镜头、长焦镜头、微距镜头等。

2.2.3 摄影附件

摄影附件可以拓展摄影功能，提高拍摄效果。本节将介绍常用摄影附件，如

三脚架、滤镜、闪光灯等。

2.2.4 拍摄技巧

本节将分享一些实用的拍摄技巧，包括曝光补偿、白平衡调整、对焦方法、

连拍等。

2.3 摄影构图与审美

摄影构图与审美是摄影艺术的重要组成部分。本节将探讨如何通过构图技巧

表现画面美感。

2.3.1 构图原则

本节将介绍摄影构图的基本原则，如平衡、对比、重复、引导线等，帮助读

者掌握构图技巧。

2.3.2 画面元素

画面元素是摄影构图的基石。本节将分析主体、陪体、前景、背景等元素在构

图中的作用。

2.3.3 视角与角度

不同的视角和角度可以呈现不同的画面效果。本节将探讨如何通过改变拍摄

角度和视角来丰富画面表现力。

2.3.4 色彩运用

色彩是影响摄影作品审美的重要因素。本节将介绍色彩的基本概念，以及如

何运用色彩对比、色彩调和等技巧来提高画面美感。

第 3 章图像增强

3.1 灰度变换增强

3.1.1 灰度变换原理

灰度变换是指对图像的灰度级进行操作，以改变图像的灰度分布，增强图

像的视觉效果。本节将介绍线性灰度变换、对数灰度变换和幂次灰度变换等常用

方法。

3.1.2 线性灰度变换

线性灰度变换通过改变图像的灰度范围，实现图像的增强。线性变换公式为

s = r a b，其中，r 表示原始灰度值，s 表示变换后的灰度值，a 和 b 分

别为线性变换的系数。

3.1.3 对数灰度变换

对数灰度变换适用于提高图像暗部细节，其变换公式为：s = c log(1

r)，其中，c 为常数，r 表示原始灰度值，s 表示变换后的灰度值。

3.1.4 幂次灰度变换

幂次灰度变换适用于调整图像的对比度，变换公式为： s = r^γ，其中，

γ 为幂次变换系数，r 表示原始灰度值，s 表示变换后的灰度值。

3.2 直方图增强

3.2.1 直方图均衡化

直方图均衡化是一种常用的图像增强方法，通过改变图像的灰度分布，使

得图像的灰度级更加均匀，从而提高图像的对比度。

3.2.2 直方图规定化

直方图规定化是指根据给定的目标直方图，对原图像进行增强处理，使原

图像的直方图与目标直方图相似，以改善图像的视觉效果。

3.3 频域增强

3.3.1 频域滤波原理

频域增强方法是基于图像的频率域分析，通过对图像的频率成分进行操作，

实现图像增强。本节将介绍低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波等频域滤

波方法。

3.3.2 低通滤波

低通滤波器用于去除图像中的高频噪声和细节，保留图像的基本结构。常见

的低通滤波器有理想低通滤波器、布特沃斯低通滤波器和高斯低通滤波器。

3.3.3 高通滤波

高通滤波器用于增强图像的边缘和细节，去除图像中的低频成分。常见的高

通滤波器有理想高通滤波器、布特沃斯高通滤波器和高斯高通滤波器。

3.3.4 带通滤波和带阻滤波

带通滤波器用于保留图像中的特定频率范围，而带阻滤波器则用于去除特

定频率范围内的图像成分。这两种滤波器在图像增强中也有广泛的应用。

注意：本章节内容仅涉及图像增强的基本方法，实际应用中，可根据具体

需求选择合适的增强方法。

第 4 章图像复原与重建

4.1 图像退化模型

图像退化是指图像在获取、传输过程中由于各种原因导致的图像质量下降。

为了对退化图像进行有效复原，首先需要建立合适的图像退化模型。本节将介绍

几种常见的图像退化模型。

4.1.1 线性退化模型

线性退化模型是图像复原中最常用的模型之一，其基本形式为：

\[ y = Hx n \]

其中，\( y \) 表示观测到的退化图像，\( x \) 表示原始图像，\( H \)

表示退化算子，\( n \) 表示加性噪声。

4.1.2 非线性退化模型

在实际应用中，许多图像退化过程具有非线性特性。非线性退化模型可以表

示为：

\[ y = f(H, x) n \]

其中，\( f(\cdot) \) 表示非线性函数。

4.2 噪声分析与去除

噪声是图像复原中需要重点关注的因素，本节将对常见噪声类型进行分析，

并介绍相应的去噪方法。

4.2.1 噪声类型

（1）高斯噪声：由多个独立同分布的随机变量叠加而成，具有对称的频

率特性。

（2）盐噪声和胡椒噪声：分别表示图像中的亮点和暗点，通常由传感器

故障或传输错误引起。

（3）椒盐噪声：盐噪声和胡椒噪声的混合形式。

（4）乘性噪声：与图像像素值成比例的噪声，如斑点噪声。

4.2.2 去噪方法

（1）均值滤波：对图像中每个像素的邻域进行平均，以降低噪声。

（2）中值滤波：选择邻域内的中值作为滤波结果，对椒盐噪声具有良好

的去除效果。

（3）非局部均值滤波：利用图像中重复纹理的特性进行去噪，对高斯噪

声和斑点噪声有较好的效果。

（4）频域滤波：在频域对图像进行处理，可以有效地去除特定类型的噪

声。

4.3 图像重建技术

图像重建是从退化图像中恢复出原始图像的过程。本节将介绍几种常见的图

像重建技术。

4.3.1 逆滤波

逆滤波是基于图像退化模型的线性重建方法，其基本思想是求解退化模型

中的原始图像：

\[ x = H^{1}y \]

其中，\( H^{1} \) 表示退化算子 \( H \) 的逆。

4.3.2 维纳滤波

维纳滤波是一种基于最小均方误差准则的图像重建方法，其目标是最小化

原始图像与重建图像之间的均方误差。维纳滤波可以表示为：

\[ x = W \cdot y \]

其中，\( W \) 是维纳权重矩阵。

4.3.3 稀疏表示与重建

稀疏表示与重建利用图像的稀疏性质，将图像表示为少量基向量的线性组

合。常见的稀疏重建方法有：匹配追踪（MP）、正交匹配追踪（OMP）和最小角

度回归（LARS）。

4.3.4 深度学习方法

深度学习方法在图像重建领域取得了显著的成果。例如，卷积神经网络

（CNN）和对抗网络（GAN）等模型已成功应用于图像去噪、超分辨率重建等任务

第 5 章图像分割与边缘检测

5.1 阈值分割

阈值分割作为一种基础且有效的图像分割方法，其基本思想是通过设定一

个或多个阈值，将图像像素分为前景和背景。本节将介绍以下内容：

5.1.1 灰度阈值分割

简单阈值分割

Otsu 方法

迭代选择最佳阈值

5.1.2 彩色图像阈值分割

RGB颜色空间阈值分割

HSV 颜色空间阈值分割

5.2 区域生长与合并

区域生长与合并是另一种常用的图像分割方法，其主要思想是基于相邻像

素的相似性度量，将像素聚集成区域。本节将介绍以下内容：

5.2.1 区域生长

种子点的选择

生长准则

区域生长算法实现

5.2.2 区域合并

区域相似性度量

区域合并算法

合并过程中的停止条件

5.3 边缘检测算法

边缘检测是图像处理中的一项关键技术，其目的是识别出图像中的边缘信

息。本节将介绍以下内容：

5.3.1 基于梯度的边缘检测算法

Prewitt 算子

Sobel算子

Scharr 算子

5.3.2 基于二阶导数的边缘检测算法

Canny算子

Laplacian 算子

Log算子

5.3.3 其他边缘检测算法

LoG与DoG 算子

基于结构张量的边缘检测

基于形态学的边缘检测方法

通过以上内容的学习，读者可以掌握图像分割与边缘检测的基本方法，为

后续的图像分析与理解打下基础。

第 6 章形态学处理

6.1 形态学基本运算

形态学处理是数字图像处理中一种基于形状的分析方法。本章首先介绍形态

学的基本运算，包括膨胀、腐蚀、开运算和闭运算。

6.1.1 膨胀

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数字图像处理与摄影技术作业指导书第1章数字图像处理基础...........................................................................................................31.1数字图像处理概述.........................................................................................................31.1.1数字图像定义........................................

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