圖像恢復的GUI實驗教學研究

王蕊 崔文超

摘要：利用MATLAB GUI設計開發(fā)了圖像恢復仿真教學平臺，實現(xiàn)對圖像變換、圖像增強、圖像復原的交互式動態(tài)仿真。實踐結果表明，該仿真平臺操作方便、簡單直觀、內(nèi)容全面，有利于教師的授課講解，提高學生學習圖像恢復的興趣和效果。

關鍵詞：圖像恢復；MATLAB；實驗仿真教學平臺；圖形用戶界面

中圖分類號：TP317.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0090-04

Experimental Teaching Research for Image Restoration Using GUI

WANG Rui， CUI Wen-chao

（School of Computer and Information，China Three Gorges University， YiChang 443002， China）

Abstract： The simulation platform for teaching of image restoration is designed and developed by using MATLAB GUI. The interactive and dynamic simulation of image transformation， image enhancement and image restoration is realized. Practice results show that the simulation platform has some advantages such as operating conveniently， simple and visualized interface and comprehensive content. Therefore， it is helpful not only to teachers for their lecture but also to students for their interest on learning image restoration.

Key words： image restoration；matlab； experimental simulation teaching platform； graphical user interface

1引言

數(shù)字圖像處理是電子、通信等專業(yè)的一門重要的課程，實用性較強、涉及領域較廣。該課程主要使學生掌握數(shù)字圖像處理和分析的基本方法，數(shù)字圖像處理的算法理論性很強，因此通過簡單的書面學習很難真正地理解數(shù)字圖像處理的原理。

隨著數(shù)字圖像技術的發(fā)展，目前文獻中已經(jīng)擁有很多成熟的數(shù)字圖像處理算法，并且許多算法在MATLAB中都已經(jīng)實現(xiàn)并形成了功能龐大的圖像處理工具箱。

根據(jù)大量文獻可知MATLAB GUI平臺可對圖像進行仿真實驗，加深學生對圖像處理過程的理解，激發(fā)學生的學習興趣并且提高課堂的教學效果。本文利用MATLAB GUI設計的圖像恢復仿真平臺可對圖像進行多種算法的圖像變換、圖像增強、圖像復原仿真實驗，平臺將顯示處理前后的圖像和數(shù)據(jù)結果，將數(shù)據(jù)結果和圖像作用前后進行對比分析，可以讓學生更好地理解不同算法的作用效果，使抽象的理論知識具體化、形象化，有利于教師的授課講解。

2 實驗的總體設計

本文利用MATLAB的GUI來設計人機交互的圖形用戶界面，界面設有圖像顯示坐標軸、按鈕、下拉菜單、數(shù)據(jù)顯示區(qū)，通過對函數(shù)的調(diào)用，來實現(xiàn)不同的功能。

2.1 實驗平臺結構

數(shù)字圖像恢復的GUI仿真平臺分為圖像增強、圖像復原兩大模塊和圖像顯示區(qū)及數(shù)據(jù)顯示區(qū)。圖像增強包括灰度級變換、直方圖處理、空域濾波、頻域濾波。其中灰度級變換分為原始圖像、灰度圖像、灰度取反、分段線性、冪次變換；直方圖處理分為直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化；空域濾波分為均值濾波、維納濾波、中值濾波；頻域濾波分為處理高斯噪聲、椒鹽噪聲、散斑噪聲；圖像復原包括維納濾波、最小二乘法、Lucy-Richardson、盲去卷積；數(shù)據(jù)顯示包括PSNR、SSIM的值，實驗平臺整體結構框圖見圖1。

2.2實驗平臺設計

在圖像恢復的GUI仿真平臺設計中，各模塊的設計都包含2個步驟。第一個步驟是GUI界面設計，即利用MATLAB提供的不同控件對界面進行設計，根據(jù)實際所需要的按鈕個數(shù)、顯示的內(nèi)容以及要實現(xiàn)的功能來設計GUI界面。第二個步驟是回調(diào)函數(shù)的設計，回調(diào)函數(shù)是平臺功能實現(xiàn)的關鍵，對界面中控件的回調(diào)函數(shù)進行編程，可實現(xiàn)所需要的功能，達到所要求的效果。

該平臺主要包括圖像變換、圖像增強、圖像復原三個大模塊，四個圖形顯示區(qū)和一個數(shù)據(jù)顯示區(qū)，以圖像復原模塊為例展開詳細介紹：圖像復原包含四個模塊，分別為維納濾波圖像復原、最小二乘方圖形復原、Lucy-Richardson圖形復原、盲去卷積圖像復原。每一種圖形復原方法都針對三種退化方式，即運動模糊退化、圓盤狀模糊退化、鈍化模糊退化，不同的退化方式運用不同的圖像復原方法所得的效果也不相同，可根據(jù)數(shù)據(jù)顯示區(qū)的PSNR、SSIM的值來加以判斷。圖像恢復的GUI仿真平臺整體界面如圖2所示。

3實驗平臺測試

GUI界面設計完成后，對實驗平臺進行仿真測驗，以確保仿真平臺可以很好地實現(xiàn)所設計的功能。下面以圖像增強模塊和圖像復原模塊功能為例進行詳細測試分析。

3.1 圖像增強模塊灰度級變換

圖像增強模塊灰度級變換下拉菜單包含原始圖像、灰度圖像、灰度取反、分段線性、冪次變換。其中冪次變換為灰度級非線性變換，以冪次變換為例來對平臺進行測試，取gamma值為0.5測試結果如圖3a，取gamma值為1測試結果如圖3b，取gamma值為5測試結果如圖3c。

3.2圖像增強模塊直方圖處理

圖像增強模塊直方圖處理包含直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化，直方圖均衡化的原理是對圖像進行非線性拉伸，改變圖像的灰度值，使得在一定范圍內(nèi)圖像的灰度值大致相等。通過這樣處理之后，輸出圖像的直方圖是一個較為平坦的直方圖。直方圖均衡化后處理效果如圖4a。

直方圖規(guī)定化的原理是首先指定規(guī)定化后的直方圖，然后確定變換函數(shù)，進而將圖像變換為某一特定的灰度分布圖像。直方圖規(guī)定化后處理效果如圖4b。

處理之后可以看出直方圖均衡化使得圖像的灰度值大致相等，原來直方圖中間的峰值部分對比度得到增強，而兩側的谷底部分對比度降低，處理后顯示的是一個較為平坦的直方圖；直方圖均衡化使得圖像按照規(guī)定的灰度值進行變換，可以得到某一特定灰度值的直方圖。

3.3圖像增強模塊中值濾波

（1）參數(shù)簡介

PSNR（Peak Signal to Noise Ratio），峰值信噪比，是一種評價圖像的客觀標準，它具有局限性，一般是用于最大值信號和背景噪音之間，它是原圖像與被處理圖像之間的均方誤差相對于（2^n-1）^2的對數(shù)值（信號最大值的平方，n是每個采樣值的比特數(shù)），它的單位是dB。PSNR值越大，就代表失真越少；

SSIM（structural similarity index），結構相似性，是一種衡量兩幅圖像相似度的指標。SSIM使用的兩張圖像中，一張為未經(jīng)壓縮的無失真圖像，另一張為失真后的圖像。結構相似性的范圍為0到1。當兩張圖像一模一樣時，SSIM的值等于1。

（2）中值濾波實驗仿真

以中值濾波為例，對含高斯噪聲、椒鹽噪聲的圖像分別進行濾波，處理結果及其對應數(shù)據(jù)顯示如圖5a、圖5b。

（4）實驗數(shù)據(jù)分析

由表1可以看出：中值濾波處理之后，含椒鹽噪聲圖像的PSNR和SSIM值均為最高（SSIM的值已經(jīng)達到了0.9以上），由此可知中值濾波對含椒鹽噪聲圖像處理的效果最好，所加的椒鹽噪聲通過中值濾波之后圖像與原圖像最相似，從圖5b也可以驗證。

3.4圖像復原模塊對鈍化模糊圖像處理

（1）圖像復原實驗仿真

以鈍化模糊退化圖像為例，退化參數(shù)統(tǒng)一都設置為：運動像素20，角度45，如圖6a。用維納濾波圖像復原、最小二乘方圖像復原、Lucy-Richardson圖像復原、盲去卷積圖像復原對退化圖像進行復原仿真，實驗結果及其所對應的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域如圖6b、圖6c、圖6d、圖6e所示：

（2）實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)對鈍化模糊退化圖像進行多種方法復原，恢復后圖像的數(shù)據(jù)顯示區(qū)結果如表2：

（3）實驗數(shù)據(jù)分析

由表2可以看出：在退化參數(shù)為運動像素20，角度45度時，維納濾波處理和最小二乘方圖像復原中PSNR和SSIM值均很高，由此可知維納濾波復原和最小二乘方復原對鈍化模糊退化圖像恢復處理的效果特別好，從圖6b， 圖6c可以驗證。

Lucy-Richardson處理鈍化模糊退化圖形的PSNR和SSIM值都很低，由此可知Lucy-Richardson對鈍化模糊退化圖像恢復處理的效果不好，從圖6d可以驗證。

4 實驗平臺的特點

（1）內(nèi)容全面。平臺包含數(shù)字圖像變換、數(shù)字圖像增強、數(shù)字圖形復原三大方面的各種算法，涵蓋了圖像恢復領域的大部分內(nèi)容，具有很好的可移植性和可拓展性。

（2）操作方便，簡單直觀。GUI平臺可通過按鈕點擊實現(xiàn)，不同的按鈕實現(xiàn)所不同的功能，在圖像顯示區(qū)顯示相應的處理前后圖像，數(shù)據(jù)顯示區(qū)顯示PSNR，SSIM的值，一目了然，簡單易操作，方便教師演示和學生實驗操作。

5 結語

該平臺可實現(xiàn)MATLAB GUI數(shù)字圖像恢復功能，基于該平臺內(nèi)容全面、操作方便、簡單直觀等方面特點，教師可以在課堂上以交互的方式對數(shù)字圖像的概念和原理進行仿真，將抽象的理論具體化，激發(fā)學生的學習興趣；學生也可以在課下進行實驗仿真，加深對知識點的理解和掌握。

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【通聯(lián)編輯：王力】