Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского

"УТВЕРЖДАЮ"
Декан радиофизического факультета
профессор ___________ С.Н.Гурбатов

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
курса
"Обработка изображений и МУЛЬТИМЕДИА"
для направления подготовки дипломированного специалиста
511500 - Радиофизика
и для специальности
013800 - Радиофизика и электроника
Н.Новгород - 2001

1. Организационно-методический раздел

    Программа предназначена для подготовки специалистов по радиофизическим специальностям "Радиофизика и электроника", "Фундаментальная радиофизика и физическая электроника". Курс "Обработка изображений и мультимедиа" читается в 7 семестре. Он базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики, математического анализа, вычислительной математики и программирования, теоретической радиотехники, теории вероятностей и статистики.
Цель курса - познакомить студентов с основами цифровой обработки аналоговых сигналов (изображений и звука) и ее приложениями, а также с математической базой многокомпонентных информационных сред (multimedia).

В процессе изучения курса студенты должны освоить:

• математическую базу многокомпонентных информационных сред (multimedia);
• основы цифровой обработки аналоговых сигналов (изображений и звука) и ее приложения.

2. Содержание курса

I. ВВЕДЕНИЕ

Многокомпонентные информационные среды (текст, изображение, звук, видеозапись): возможности и проблемы. Периферийные устройства мультимедийного компьютера. Цифровые сигналы в сегодняшних информационных потоках.

II. ПРЕВРАЩАНИЕ "АНАЛОГА" В ЦИФРУ:

Цифровое представление аналоговых сигналов. Преобразование спектра при дискретизации непрерывной функции. Частота Найквиста. Эффект наложения спектров (муар-эффект) и его предупреждение (anti-aliasing). Явление Гиббса. Понятие избыточности. Прорежение цифрового сигнала. Этапы преобразования сигнала в АЦП.

III. :И ОБРАТНО

Интерполяция подразделением. Частотный смысл интерполяции подразделением. Интерполяция кубическими сплайнами: дискретный и непрерывный подход. Интерполяция как операция линейной фильтрации. Уменьшение шага дискретизации в целое число раз. Цифровой фильтр интерполяции. Этапы преобразования сигнала в ЦАП. Изменение шага дискретизации в дробном отношении. Билинейная интерполяция двумерных сигналов.

IV. ДИСКРЕТНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Дискретное преобразование Фурье (ДПФ), его свойства и особенности. Дискретные ВЧ и НЧ фильтры. Применение ДПФ для интерполяции. Дискретное косинус-преобразование и его свойства. Алгоритмы быстрого преобразования Фурье. Кратковременное преобразовании Фурье (КПФ) (текущий спектр). КПФ как результат прохождения сигнала через систему полосовых фильтров. Методы синтеза сигнала по КПФ. Схемы блока анализа и блока синтеза. Необходимые частоты отсчетов КПФ во временной и частотной областях.

V. СЖАТИЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Сжатие звуковых сигналов разбиением на полосы (пропускание через систему полосовых фильтров). Схемы блока анализа и блока синтеза. Преобразования сигнала в двухполосной схеме во временной и частотной областях. Условие точного восстановления сигнала в блоке синтеза, сформулированные во временной и частотной областях. Квадратурные зеркальные фильтры.

VI. ВОЛНОВОЕ (WAVELET) ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И СУБПОЛОСНОЕ КОДИРОВАНИЕ

Дерево wavelet-преобразования. Примеры wavelet-преобразований. Свойства базисных функций wavelet-разложения. Уравнения для скейлинг-функции и вейвлета. Представление сигнала через сглаженную версию и детальные коэффициенты - разложение по базису скейлинг-функция - wavelet. Lifting-схема. Понятие об ортогональном многомасштабном анализе. Wavelet Хаара. Wavelet Добеши. Синтез ряда волновых функций на основе интерполяционных схем. Lifting. Сжатие за счет отбрасывания части детальных коэффициентов. Wavelet-преобразование и КПФ - разные подходы к разбиению плоскости время-частота.

VII. ИЗМЕРЕНИЕ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦВЕТА

Психофизические свойства зрения. Зрительные явления. Особенности зрительного восприятия цвета. Понятие о фотометрии. Модель цветного зрения. Опыты по уравниванию цветов. Аксиомы колориметрии. Функции цветового уравнивания. Расчет координат цвета излучения с заданным спектральным составом. Преобразование координат цвета при другом выборе трех основных цветов и белого света.. Координаты цветности. Вычисление яркости. Системы цветовых координат RGB, XYZ, YIQ и их использование. Физиологическая цветовая система. Цветовой куб системы RGB. Цветовое тело. Реальные и нереальные цвета. Диаграмма цветности. Цветовые охваты. Виды цветопередачи. Представление изображений: цветные, полутоновые, бинарные (черно-белые). Передача полутонов в бинарных изображениях. Алгоритмы бинаризации.

VIII. АЛГОРИТМЫ ЛОКАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ

Принцип локальной фильтрации в пространственной области. Подавление аддитивного шума, детализация, контрастирование. Курсовые градиентные маски и их частотная интерпретация. Фильтрация изображения в зрительной системе человека, как мы ее себе представляем. Аналогия ряда цифровых фильтров с физиологическими -фильтрами. Нелинейная фильтрация. Медианная фильтрация. Контрастная чувствительность глаза. Гамма-коррекция.

IX. СЖАТИЕ И КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ

Основные методы кодирования аналоговых сигналов: компандинг, виды импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) - адаптивная ИКМ, дельта-модуляция (ДМ), адаптивная ДМ, дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). Методы статистического кодирования: Фано-Хаффмена, арифметическое кодирование и их предшественники (коды Ф.Бэкона, Морзе, Бодо). Сжатие звука в формате MP-3. Сжатие неподвижного изображения в форматах RLE, LZW, JPEG, WIC, IFS. Сжатие движущегося изображения в форме MPEG.

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля

Текущий контроль: работа в терминал-классе.

Итоговый контроль: зачет в конце семестра.

5. Учебно-методическое обеспечение курса

5.1. Рекомендуемая литература (основная)

1. У.Прэтт. Цифровая обработка изображений, т.1,2. М., Мир, 1982.
2. Б.Голд, Ч.Рэйдер. Цифровая обработка сигналов. М., Сов.радио, 1973.
3. В.Яншин, Г.Калинин. Обработка изображений на языке СИ для IBM PC. М., Мир, 1994.
4. Н.С.Джайант. Цифровое кодирование речевых сигналов. Квантизаторы для ИКМ, ДИКМ и ДМ. ТИИЭР, 1974, т.62, N5, с. 83-107.
5. Дж.Б.Аллен, Л.Р.Рабинер. Унифицированный подход к кратковременному преобразованию Фурье и синтезу сигналов. ТИИЭР, 1977, т.65, N11, с.45-53.

5.2. Рекомендуемая литература (дополнительная)

1. Д.Симаненков. Из аналога в цифру и обратно: немного теории:. Компьютерра, 1998, ?30-31, с.22-27.
2. Л.П.Ярославский. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии. М., Радио и связь, 1987.
3. Д.Марр. Зрение: информационный подход: М., Мир, 1984.
4. Р.М.Домбругов. Телевидение. Киев, "Вища школа", 1979.
5. Дж.Фоли, А.вэн Дэм. Основы интерактивной машинной графики, т.2. М., Мир, 1985.
6. Д.Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики, М, Мир, 1989.
7. Р.Брейсуэлл. Преобразование Хартли. М., Мир, 1990.
8. О.Бьюнеман. Многомерные преобразования Хартли. ТИИЭР, 1987, N2, с.97-98.
9. П.П.Вайдьянатхан. Цифровые фильтры, блоки фильтров и полифазные цепи с многочастотной дискретизацией: методический обзор. ТИИЭР, 1990, т.78, ?3, с.77-120.

Составитель программы:
доцент В.А.Вдовин