數字圖像處理實驗教學軟件設計

仲會娟

（陽光學院電子信息工程系，福州 350015）

數字圖像處理實驗教學軟件設計

仲會娟

（陽光學院電子信息工程系，福州 350015）

針對當前電子信息類本科專業數字圖像處理課程教學的特點和存在的問題，探索開發了綜合性的實驗教學軟件。該系統在Matlab內部的圖形用戶界面開發環境（GUIDE）中以M函數的形式設計實現，包括基本算法和綜合實例兩部分。該實驗教學軟件界面友好、可擴展性強且緊密貼合教材易于作為教師課程教學的輔助工具；同時算法結果直觀明了，并且運行中提供算法的關鍵語句，可幫助學生輕松掌握圖像處理的基本理論和基本方法，具有較高的應用價值和應用前景。

數字圖像處理；圖形用戶界面；實驗教學軟件；Matlab

0 引言

隨著科學技術的發展，數字圖像處理廣泛應用，數字圖像處理已成為高等學校電子信息類專業重要的專業課。但是，由于數字圖像處理理論性和實踐性都強，并且課程涉及的內容廣泛，是一門綜合性很強的交叉學科[1]，僅通過傳統的課堂理論教學學生不能對所學知識得到直觀的認識，因此很難切實掌握課程的基本理論和基本算法。為了解決傳統課堂理論教學和課內實驗教學相結合中無法獲得理想的培養效果的問題，設計提出了采用Matlab的GUI環境建立與課程緊密結合的、界面友好的、交互性和可擴展性強的教學實驗軟件[2]，目的是方便教師進行課堂算法演示，使學生快速的、深入的理解數字圖像的基本概念和典型方法，同時幫助學生進行課下編程語言的學習和鞏固。

設計采用Matlab R2012a可視化數值計算軟件平臺，在GUIDE工具集中進行組件的布局創建圖形用戶界面，并為每個控件編寫回調函數[3]。設計中圖形用戶界面采用自頂向下的設計方法，即先設計主界面再設計各個子模塊界面；而回調函數編程則是采用自底向上的設計方法[4]，在各個子模塊功能實現的情況下，通過主界面程序調用各個功能模塊實現一個完整的實驗教學系統。

該系統在國內圖像處理實驗教學軟件的研究基礎上設計，包括了數字圖像處理學科大部分的經典算法；而且引入一些較新的處理成果，使學生不僅掌握圖像處理學科的基本原理和基本方法[1]，也能夠了解該學科較新的研究領域，拓展其學科視野。同時引入一些比較熱門的綜合應用實例，使學生站在應用系統的角度去理解所學知識，讓學生切實感受到圖像處理的應用就在身邊。在畢業設計和課程設計階段，學生還可以有效利用本實軟件進行算法選擇和組合實驗，從而提高系統設計開發速度，更有利于學生創新[3]。

1 教學實驗軟件總體結構設計

該實驗教學系統旨在輔助課堂教學，幫助學生理解消化課堂基本知識，所以它涵蓋了圖像幾何變換、圖像頻域變換、圖像增強、圖像分割、圖像復原、圖像編碼等數字圖像處理的經典算法[5]。考慮到部分學生對數字圖像處理課程具有較高的學習興趣和主動性，系統還提供了圖像形態學處理和一些綜合設計實例，其整體結構如圖1所示。由于數字圖像處理涵蓋內容比較多，因此各個子模塊可能包含不同的功能模塊，下面以圖像增強模塊為例，其內部包括灰度變換、直方圖修正、圖像平滑、圖像銳化等功能模塊[6]。

2 圖像增強模塊設計

在Matlab命令窗口輸入“guide”命令，打開Matlab GUIDE編輯器窗口，通過使用組件布局工具，可以添加Push Button、Axes、Static Text、Pop_up Menu、Panel等所需用戶控件，并合理設置各控件的位置及其屬性參數[7]，布局完成并存盤后完成圖像增強模塊圖形用戶界面的設計。圖像增強模塊設計界面如圖2所示。

組件布局的同時系統生成兩個文件，“.fig”文件包含GUI界面所有組件的布置信息，“.m”文件包含用戶用來發布和控制界面和回調函數的各種函數。所以在GUI界面生成后，通過編寫重要組件的回調函數來控制各個組件動作，如中值濾波在其下拉菜單的回調函數[8]為：

Call back函數編寫完成后運行程序，在圖形用戶界面中選擇“打開圖像/Gaussian噪聲”，系統分別調用open_Callback和noise_Callback函數得到圖3所示高斯噪聲圖像，再選擇“zhongzhi_filter”即中值濾波模版以調用filt_Callback函數得到圖4所示中值濾波圖像。該設計加噪算法和空域濾波算法通過下拉菜實現，所以除高斯噪聲外還可添加salt&pepper噪聲和speckle噪聲，除中值濾波模版外還可以選擇均值濾波和加權濾波模版。

該實驗使學生了解不同噪聲對同一圖像信息的疊加效果，不同濾波器對各種噪聲的處理效果是不一樣的，其中中值濾波器是非線性濾波器，在濾除噪聲的同時可以有效保留圖像邊緣細節等高頻信息，尤其對椒鹽噪聲的處理效果最好。

讀入圖像之后點擊“對比度調節”按鈕，系統

調用adjust_Callback回調函數并彈出如圖5所示參數設置對話框。該參數默認值為1表示線性變換，不為1則為非線性變換[9]，不同參數對應不同的灰度變換函數，當參數設置為5時得到灰度調整后圖像如圖6所示。

讀入原始圖像之后，在頻域增強中選擇“IL?PF”即理想低通濾波器，系統調用ILPF_Callback回調函數并彈出如圖7所示理想低通濾波圖像及其頻譜圖。通過該實驗學生可以深刻理解理想低通濾波器的定義，和ILPF處理的優缺點。

在系統每一步操作過程中，其回調函數對應的核心代碼都將在“關鍵語句”窗口給出，使學生在對結果進行感性認識的同時切實幫助學生對編程算法進行理解，對編程語言進行學習。選擇界面其他按鈕將調用其對應的回調函數并產生相應的按鍵動作，這里不再贅述。當選擇“退出”按鈕時系統退出圖像增強模塊界面并返回系統主界面。

3 數字圖像水印模塊設計

為滿足部分學生對圖像處理課程的進一步學習的需要，幫助大家從全局的角度理解各個圖像處理算法，系統給出了一個完整的程序設計實例——數字圖像水印處理。該模塊對圖像幾何變換、圖像頻域變換、圖像增強、圖像編碼等內容進行綜合應用，實現離散小波域內水印圖像嵌入和提取的算法。模塊通過峰值信噪比（PSNR）反應水印圖像對原始圖像的影響程度，通過水印相似度體現提取的水印和原始水印圖像的相似程度，如圖8和圖9所示。

通過案例的學習使學生從全局的視角上理解

數字圖像處理的基本理論和基本方法，從應用層的角度出發對課程基本理論和典型算法進行反思，以達到溫故而知新的目的。

4 結論

與Visual C++和Java等面向對象的高級編程語言相比，由于Matlab軟件提供了豐富的圖像處理函數所以編程簡單，且Matlab GUI開發環境設計實現簡單[7]，因此本文提出基于Matlab GUI的數字圖像處理實驗教學軟件設計，該系統操作簡單方便、緊密貼合教材易于作為課程輔助教學；該系統算法結果直觀、提供算法關鍵編程語句易于學生理解、使用和做二次開發，具有較高的應用價值和應用前景。

[1]趙珊,劉靜.“數字圖像處理”課程教學改革探討[J].科技資訊:科技教育，2010，25(04):178-179.

[2]王帆,劉慧.基于MATLAB GUI的數字圖像處理實驗平臺設計[J].中國科技信息:信息科技，2010，34(11):124-125.

[3]陸垚光,毛濤濤,王正林，等.精通MATLAB GUI設計[M]. 3版，北京:電子工業出版社，2008.

[4]英英.基于MATLAB的圖形圖像處理系統的實現[D].呼和浩特:內蒙古大學，2013.

[5]Rafael C.Gonzalez,Richard E.Woods.數字圖像處理(MAT?LAB版)[M].阮秋琦，譯，2版，北京:電子工業出版社,2014.

[6]莫德舉，梁光華.數字圖像處理[M].北京:北京郵電出版社，2010.

[7]錢超.基于MATLAB GUI的指紋圖像采集及預處理研究[D].太原:中北大學，2013.

[8]周品，李曉東.MATLAB數字圖像處理[M].北京:清華大學出版社，2012.

[9]魏晗，陳剛.MATLAB數字信號與圖像處理范例實戰速查寶典[M].北京:清華大學出版社，2013.

The Design of Experiment Teaching Software for Digital Image Processing

ZHONG Huijuan
(Yango College,Fuzhou 350015,China)

In accordance with the features and problems of the present teaching about the course of Digital Im?age Processing for electronic information undergraduate,in this paper an comprehensive experimental teaching software was developed.The experimental teaching software of digital image processing was designed by M lan?guage in the component layout tool GUIDE of Matlab and it comprises basic algorithm and integrated instance. This system with friendly interface and rich contents fitting materials,and it with good extensibility,so in class it can be used as auxiliary teaching tool.Meanwhile the object teaching can help students master the basic theories and technique of digital image processing,so it has a high value and prospects.

digital image processing;graphic user interface;experimental teaching software;matlab

G642

A

1673-2928（2015）06-0045-04

（責任編輯：王彥永）

2015-09-05

仲會娟（1985-），女，陽光學院電子信息工程系助教，主要研究方向：信號處理、圖像處理。