基于GUI的“數字圖像處理”教學平臺的開發與研究

王榮

摘要：利用可視化的圖像用戶界面進行編程，設計了數字圖像處理的教學平臺，包括課堂教學的示例環節和實驗教學環節，可以仿真實現多種抽象的算法，并對比不同種算法的優劣性。實驗測試結果表明，數字圖像處理的教學平臺具有較好的交互性和可擴展性，直觀性強、操作簡單，既能豐富課堂教學內容，加深學生對圖像處理不同算法的理解，又能增強學生學習的興趣，從而改善課堂教學效果，提高教學質量。

關鍵詞：圖形用戶界面；圖像點運算；加噪與濾波；退化與復原；圖像分割

中圖分類號：TN911.73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0154-03

Matlab中GUI是一種人與計算機進行通信的界面顯示格式，允許用戶使用鼠標等輸入設備操縱屏幕上的圖標或菜單選項，以選擇命令、調用文件、啟動程序或執行其它一些運行任務[1-3]，用MATLAB的圖形用戶界面（GUI）來制作數字圖像處理系統，提供了一個人機交互的工具[2-3]。數字圖像處理是電子信息類的一門專業主干課，其算法實現抽象，課堂教學需用大量的示例進行演示，為了能更好的提升教學效果，使學生能直觀、容易接受，快速理解各種算法之間的優劣，需要設計一款可視化的、直觀、友好的教學平臺，因此，基于GUI的數字圖像處理教學平臺就迫切需要進行研究開發，并應用于課堂和實驗教學中。

1 “數字圖像處理”教學平臺的設計思路

根據系統界面的設計原則和要求，合理設計主控界面以及子控界面，實現主控界面與子控界面的回調和切換，在子界面中添加相應的課堂教學內容和實驗內容進行測試，具體的系統平臺設計的思路如圖1所示。首先合理的設計GUI主界面和子界面的布局，在子界面中添加相應的控件按鈕，實現課堂教學部分的示例演示內容和實驗教學內容，再編寫回調函數，實現主界面與子界面之間的回調，實現教學演示界面、實驗教學內容以及主控界面之間的自由切換。

設計主界面的數字圖像處理的教學平臺，其中包含多個教學內容的示例和多個實驗子界面模塊，如圖2所示。本次課堂教學部分包括圖像的基本運算和圖像的分割，其中圖像的基本運算包括點運算和代數邏輯運算，圖像的分割包括邊緣檢測和閾值分割等，還可以根據實際的教學情況合理的添加更多的教學內容；實驗教學部分教學平臺的設計以4個實驗內容的加載為例，實驗一是數字圖像加噪與濾波處理，實驗二是數字圖像處理的多種變換，包括圖像求反、灰度變換、直方圖等，實驗三是運動的數字圖像的處理，包括運動模糊、圖像鈍化等，實驗四是圖像的色彩變化，包括R、G、B三種分量的提取、灰度圖像的偽圖像以及彩色圖像的取反等。通過對主控界面和子系統界面進行不斷的優化和改進，設計了直觀友好的數字圖像處理的實驗教學平臺。

2 “數字圖像處理”教學平臺的開發實現

2.1 教學平臺的界面設計過程實現

數字圖像處理教學仿真平臺中關于圖像處理基本實驗部分，實現主界面與子控界面的切換，實驗教學中以其中四個實驗為例，設計的系統界面如圖3所示，包括：實驗一的數字圖像的加噪與濾波處理，實驗二的數字圖像的變換處理，實驗三的數字圖像的運動處理，實驗四的數字圖像的色彩變換等內容。

2.2 圖像基本運算界面設計

圖像的基本運算包括點運算和代數與邏輯運算。點運算實際上就是對圖像的每個像素點的灰度值按照一定的映射關系進行運算，得到一幅新圖像的過程。點運算從數學上可以分為線性點運算和非線性點運算。代數運算是指對兩幅或者兩幅以上輸入圖像進行點對點的加、減、乘、除運算而得到的目標圖像的運算。如圖4所示，加載了4幅原始的圖像，對其進行點運算和代數運算，在GUI界面中進行可視化的實現。

2.3 圖像分割界面設計

圖像分割中主要加載的教學內容包括：邊緣檢測和閾值分割。其中邊緣檢測里基于一階導數的邊緣檢測算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Kirsch算；閾值分割中的人工選擇法、Otsu算子求閾值、迭代法求閾值等。圖像識別的基礎是圖像分割，其作用是把反映物體真實情況的、占據不同區域的、具有不同特性的目標區分開來，以便計算各個目標的數字特征。如圖5所示，對三幅圖像進行邊緣檢測，其中應用Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子和log算子等；閾值分割中應用全局閾值中的人工選擇法、最大類間差閾值選擇法。

3 教學平臺內容測試

3.1 圖像加噪與濾波內容測試

對原始的硬幣圖像加入分別加入高斯噪聲、椒鹽噪聲和隨機噪聲，并對其進行中值濾波。如圖6所示為硬幣實驗的各種噪聲的添加與濾波處理。中值濾波是一種可以有效抑制噪聲的非線性平滑濾波器，它將數字圖像中一個鄰域中各點值以中值代換，主要是讓周圍的像素灰度差值比較大的像素改成符合實際的像素值，從而可以去除孤立的噪聲點，通過實驗可知，中值濾波對于濾除圖像的椒鹽噪聲效果較好。圖7是加噪聲、濾波與像素平滑的圖像對比。

3.2 圖像模糊與恢復內容測試

圖像的獲取（數字化過程）、處理與傳輸過程中，每一個環節都有可能引起圖像質量的下降，這種圖像質量下降使得圖像模糊，為了得到較好的圖像質量，以滿足人類視覺系統的要求，需要對退化的圖像進行恢復。如圖8所示為原始的棋盤圖像，對棋盤進行運動模糊、圓盤狀模糊圖像、鈍化模糊圖像；圖9所示對車輪圖像進行運動模糊，采用真實的PSF復原圖像、采用1.5倍于真實模糊距離的PSF復原圖像、采用1.5倍于運動模糊距離的PSF復原圖像的效果對比圖。

4 結語

本文設計了一個數字圖像處理的教學平臺，主要包括三個部分，數字圖像的基本運算包括點運算和代數與邏輯運算、數字圖像的基本實驗教學內容（以四個實驗為例）、圖像分割包括邊緣檢測和閾值分割。調試數字圖像處理的實驗教學平臺的內容，檢測平臺的設計結果，通過實驗一對圖像進行加噪和濾波，并能比較多種濾波效果；實驗四對棋盤圖像和車輪圖像進行不同的模糊處理，并使用不同的技術進行復原。調試結果顯示教學主平臺界面和子界面之間可以相互回調和切換，每一個子界面都可以實現相應的實驗內容，能直觀、方便的展示教學的結果，因此具有較好的實踐性，而且其必將在數字圖像處理教學中起到較好的輔助作用。endprint

參考文獻

[1]陳剛，于丹，吳迪.MATLAB基礎與實例進階[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]張德豐.數字圖像處理：MATLAB版[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]張鳴.基于Matlab GUI的通信原理演示系統設計[J].實驗技術與管理，2013，30（09）：111-127.

Abstract：The teaching platform of digital image processing is designed by using the visual image user interface programming， It includes the classroom teaching example link and the experiment teaching link，simulating a variety of abstract algorithms， and comparing the pros and cons of different algorithms. The experimental results indicate that the teaching platform is interaction， scalability， intuitive and easy to operate. It can not only enrich the content of classroom teaching， deepen students' understanding of the different algorithms of image processing， but also can enhance the interest of students， to improve classroom teaching effect and the teaching quality.

Key Words：Graphical User interface； Image point operation； Noise and filtering；Degradation and restoration； Image segmentationendprint