數字圖像處理可視化系統的設計

摘 要： 作者以Matlab的圖形用戶界面和圖像處理工具箱為平臺，設計數字圖像處理可視化系統，該系統由窗口、選單、按鈕和文字說明等構成，簡捷、直觀、清晰地體現出系統的功能和特征，適合數字圖像處理課程教學。

關鍵詞： 可視化 Matlab 圖形用戶接口

1.引言

數字圖像處理課程是我系電子信息工程、廣播電視工程和光學信息科學與技術專業的一門主干專業基礎課，重點培養學生對數字圖像概念、關鍵技術的認識和數字圖像處理在各個領域中的應用。傳統的數字圖像處理課程的教學手段枯燥無味，無法直觀地向學習者展示圖像處理效果，但是如果使用可視化系統配合PPT課件，就會使教學過程由古板變生動，抽象變具體，深奧變淺顯，沉悶變愉悅，不僅能激發學生的學習興趣，更能加深學生理解。隨著時代的發展，信息的多樣化，可視化的制作日顯新穎。

數字圖像處理可視化系統使用Matlab，主要在于Matlab的圖形用戶界面賦予制作者極大的想象空間，這使得可視化系統靈活多變，交互性極強。運用Matlab制作數字圖像處理可視化系統不僅能夠完成數字圖像處理的大部分內容，還能將圖像信息向學習者傳達多層次的信息。使用可視化系統能把被處理后的圖像直觀、形象和逼真地展現出來，同時數字圖像處理重點在于對圖像的具體操作，運用Matlab制作的可視化系統，文字簡練，可視化系統畫面簡潔，能夠吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣。因此，將數字圖像處理可視化系統引入數字圖像處理課程教學有其優越性。

2.數字圖像處理可視化系統設計

2.1系統特色

數字圖像處理可視化系統嚴格按照教學內容要求編制，包括大量的演示子模塊，每個演示子模塊均嚴格按照章節內容編制，方便學生參照教材案例靈活改變有關參數，觀察產生的效果。同時，學習者還可參考可視化系統提供的部分代碼參與編程來加深對數字圖像處理實際應用的認識。本可視化系統界面形象生動，使用方便，交互性強，具有較強的擴展能力。

2.2功能設計

本可視化系統包括圖像基本操作、亮度變換與空間濾波、頻域處理、圖像復原、彩色圖像處理、圖像壓縮和形態學圖像處理七個子模塊構成，其整體設計界面如下圖所示。

2.2.1圖像基本操作子模塊。通過該子模塊的演示讓學習者初步了解灰度圖像、索引圖像或彩色圖像的讀取及各類圖像之間的相互轉換；圖像的簡單幾何變換，如鏡像、任意倍率縮放、任意角度旋轉等；圖像的jpg格式的保存等基本操作。

2.2.2亮度變換與空間濾波子模塊。通過對讀入的多幅圖像進行的加、減、乘和除等操作了解圖像作為矩陣進行基本操作和執行的前提條件。再對讀入的任意一幅圖像進行亮度變換、直方圖均衡化、直方圖匹配、線性空間濾波和非線性空間濾波等處理。

2.2.3頻域處理子模塊。通過對各類圖像進行傅里葉變換，再使用各類頻域濾波器濾波演示圖像的頻譜，說明圖像的頻域特性。通過觀察圖像紋理特性在頻譜中的反映，如：頻譜中若低頻分量豐富，高頻分量較小，表明圖像具有較平坦的紋理；若低頻較少，高頻豐富，則圖像的紋理較復雜。通過觀察圖像的相位譜、幅度譜及分別只用相位信息或幅度信息還原的圖像，認識相位信息的重要性。通過觀察濾除部分高頻分量或低頻分量后恢復的圖像，進一步理解高頻、低頻分量對一幅圖像的作用效果。

2.2.4圖像復原子模塊。圖像恢復是指在保真度原則下，盡量恢復退化圖像的本來面貌。本模塊演示了數種圖像恢復常用方法，包括直接逆濾波、維納濾波、約束的最小二乘濾波、使用L-R算法的迭代非線性復原和盲去卷積。對同一幅退化圖像分別采用以上方法，也可用同一種方法處理不同的退化圖像，比較復原結果，從而了解各方法的針對性及局限性。

2.2.5彩色圖像處理子模塊。通過對讀入的RGB彩色圖像到NTSC、YCbCr、HSV、CMYK和HIS等彩色空間的轉換，了解各種彩色空間的各個分量的實際意義。接著對轉換后的某個彩色分量的圖像進行空間域或頻率域的操作，分析同樣的操作對灰度圖像和彩色圖像是否會產生同樣的效果。最后對讀入的任意灰度圖像進行強度分層和灰度級到彩色變換兩種常用偽彩色圖像處理。

2.2.6圖像編碼子模塊。編碼的目的是進行數據的壓縮，消除冗余數據。該模塊主要模擬JPEG圖像的編碼過程：先采用行程編碼方法，將具有相同值的連續串用其串長和一個代表值來代替，然后將圖像分成8*8的小塊，對小塊進行DCT變換或小波變換并進行量化，恢復時乘量化表并計算與原始圖像的均方誤差。通過該子模塊的模擬，學習者了解到編碼的整個過程，并修改亮度掩膜表來對圖像進行壓縮，分析壓縮效果，進一步掌握圖像編碼的實際意義。同時，對常用的一些編碼算法，如香農-范諾編碼、算術編碼、行程編碼和預測編碼進行仿真，并對上述方法的編碼效果與JPEG編碼效果進行分析對比。

2.2.7形態學圖像處理子模塊。該子模塊主要通過改變結構元素的形狀和大小，分析基于數學形態學運算的處理函數對數字圖像進行膨脹、腐蝕、開或閉運算、形態濾波、提取邊緣或骨骼、細化和粗化等形態學運算各種形態學運算的運算效果。

3.結語

使用Matlab開發的數字圖像處理可視化系統不僅可以讓學習者直觀地了解數字圖像處理的實質，加深對數字圖像處理的理解，改善教學的薄弱環節，而且可以作為相應內容的補充，讓學習者能更好地學到數字圖像處理知識。因為在Matlab中數字圖像處理有著極大的便利性，所以運用Matlab的GUI制作數字圖像處理可視化系統有著一定的優越性。

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