仿真應用于職教師資電子專業實驗教學的創新實踐

何偉剛　章帆　覃金飛　吳其琦

[摘 要] 為提高職教師資電子專業實驗教學質量，針對實驗教學方式中內容枯燥、難于理解、實驗設備有限等弊端，提出了將計算機仿真技術應用于職教師資電子專業實踐教學的各個環節中，并結合具體的圖像信號處理實例，對受到噪聲干擾的圖像進行濾波去除噪音仿真實驗。通過實踐表明，適時運用仿真技術，既豐富了實驗教學手段，使抽象的實驗教學變得形象直觀，又提高了職教專業學生實驗教學的綜合效果。

[關 鍵 詞] 仿真技術；信號處理；實踐教學；教育方式

[中圖分類號] G715 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）27-0038-02

一、引言

職教師資電子專業不僅需要基礎理論知識，也需要相應的電子實踐經驗，而且還要求利用知識解決實際問題，由于資金短缺，設備的升級比較緩慢，實驗設備硬件具有局限性，而且該專業課程數學推導多、理論性強，實驗計算工作量大，導致計算復雜，難以理解。

本文以職教師資電子專業圖像信號處理實驗課程為例，根據本課程教學過程中出現的問題，在闡述圖像信號處理內容特點的基礎上，與仿真模擬實踐環節聯系到一起，將理論教學與實踐教學深度結合，采用MATLAB軟件實現不同濾波法的去除噪音仿真實驗。對比多種濾波方式，比較得出各種濾波方式在進行圖像濾波去噪時的優勢和劣勢。讓學生直面實驗目標，并引導本科生進入實驗項目中，激發學生的學習興趣，提高學生的應用能力與科技創新能力。

二、實驗原理

人們根據實際圖像的特點、噪聲的統計特征和頻譜分布規律，發展了各式各樣的去噪方法，主要有：（1）均值濾波；（2）維納濾波；（3）高斯濾波器；（4）中值濾波；（5）自適應中值濾波。

均值濾波，其過程是使一個窗口在圖像上滑動，窗口中心位置的值用窗內各點值的平均值來代替，即用幾個像素的灰度平均值代替一個像素的灰度。

維納濾波是一種經典的線性降噪濾波器，它是一種自適應濾波，是指使復原圖像與原圖像之間的均方誤差最小的濾波器。對圖像進行維納濾波主要是為了消除圖像中存在的噪聲，該濾波器可根據局部圖像的差異調整該濾波器的參數。

高斯濾波器是響應脈沖為高斯形狀的濾波器，對于圖像來說，高斯濾波器是利用高斯核的一個二維的卷積算子，這個過濾器的過濾結果就是每個像素的值變成窗內鄰居像素的加權和。

中值濾波是首先確定一個以某個像素為中心點的領域，一般為方形領域，然后將領域中各像素的灰度值進行排序，取中間值作為中心像素灰度的新值，這里的領域通常被稱為窗口；當窗口在圖像中上下左右進行移動后，利用中值濾波算法可以很好地對圖像進行平滑處理。

自適應中值濾波采用變換窗口大小的方法，在中值算法中加入一個判斷操作，判斷窗口內的像素中值及濾波處的像點灰度是否為脈沖噪聲，并分別處理。學生在學習內容的同時，可以增強理解，提高學習興趣。

三、仿真設計

在計算機圖像處理中，在理論上是一個二維連續函數，首先是在空間和亮度上進行數字化處理，如，圖像的采樣和量化，得到一個離散的數字圖像，形成m×n個樣本，簡單直觀地描述數字圖像矩陣。而MATLAB的強項是矩陣，MATLAB軟件也有不同應用領域的圖像處理工具箱。工具箱具有一系列圖像處理操作的支持功能，圖像處理可以通過濾波器設計完成。為了驗證各種濾波的有效性，在MATLAB仿真實驗環境下對原始的被噪音干擾圖片進行分析處理。這里選用從煤礦井下視頻圖像上截取的5幅有噪音圖像作為移動模板。以均值濾波、維納濾波、高斯濾波、中值濾波、自適應中值濾波算法為例，結合MATLAB圖像處理工具箱的函數，可以直觀地觀察不同濾波法對于火電廠圖像的處理效果，為圖像處理工作節省時間和精力，從而提高圖像處理的工作效率。

由圖1可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，整體灰度對比度偏差，在經過均值濾波后，噪聲引起圖像上的白點減少，圖像對比度有所提高。但同時圖像的細節銳化程度相應降低，圖像變得模糊起來，如圖2。

由圖3可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，整體灰度偏暗，在經過維納濾波處理以后圖像整體亮度有所改善，噪聲引起圖像上的白點減少，對比后可看出維納濾波器能有效去噪也能保留合適的對比度，如圖4。

由圖5可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，對比度偏差，在經過高斯濾波處理以后能在一定程度上去噪，圖像上的白點減少，圖像對比度提高，如圖6。

由圖7可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，整體灰度偏暗，在經過中值濾波處理以后噪聲引起圖像上的白點減少，圖像整體亮度有所改善，如圖8。中值濾波能濾除圖像中相對較小的噪聲，但因為該算法的窗口尺寸一經選定，即對所有像素均采用同一模板進行處理，所以無論窗口范圍內噪聲點或大或小，都會導致圖像模糊。當圖像噪聲密度較大，有很多彼此靠近的噪聲點時，標準的中值濾波效果較差。

由圖9可以看出，原圖像噪聲引起圖像上的白點多，整體對比度偏差，在經過自適應中值濾波以后圖像對比度提高，圖像上的白點減少，如圖10。

比較以上采用不同濾波器進行濾波處理的結果可知，均值濾波器的特點是計算速度快，算法簡單。但其缺點是會使得圖像產生一定程度的模糊。對于圖像模糊的問題，教師需要選擇領域的方向、現狀和大小，選擇領域各點的權重系數及領域參加平均的點數等。維納濾波方法的特點是能較好保留圖像的邊緣部分和其他高頻部分，但是計算量較大。中值濾波的特點是，實時性好、可靠性高及算法簡單，可以保護圖像的邊緣信息，同時又除去圖像中的噪聲，實用價值較高。自適應中值濾波器能夠處理具有更大概率的沖激噪聲，平滑非沖激噪聲，在有效去除噪聲的基礎上又較好地還原了部分圖像的細節，圖像相對變得清晰些，圖像對比度較好，這是一般的濾波器做不到的。為使火電廠監控圖像質量得到提高，對比度更好，視覺效果更好，從而達到煤礦井下監控系統對圖像質量的要求，教師要根據煤礦井下監控圖像受到干擾的噪音特點，結合各種濾波器使用條件來對煤礦監控圖像進行處理。

四、結論

基于職業教師電子專業課程知識結構形成的學科性強、抽象、難以理解的特點。利用信號處理技術仿真圖像，可以使仿真技術開發利用具有典型意義。使用計算機仿真可以活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣，有很好教學效果，學生對圖像信號處理的相關理論能有更深的理解，能提高學生的模擬實踐能力。同時，對學生掌握各種信息的采集、處理、傳輸等技術，熟練使用仿真分析工具有重要意義，也使常用的圖像信號處理系統的開發工具，具有較強的工程設計、開發和應用能力。

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