數字圖像處理實驗教學研究與實踐探討

摘 要：數字圖像處理教學是一門多學科相互交織的課程，它涉及的教學領域廣泛，在學習過程中有很多抽象的理論內容不容易理解，所以采用實驗教學法能夠快速地讓學生掌握數字圖像處理學習的內容和難點，幫助學生克服困難，提高學習興趣，也能夠在實驗教學中培養學生的動手能力和創作能力，以解決在教學過程中所存在的問題。本文就對數字圖像處理實驗教學的相關內容進行研究，通過實驗教學的方法來調動學生學習數字圖像處理的積極性，加強他們的實踐應用能力，提高學生對軟件開發的水平。

關鍵詞：數字圖像處理;實驗教學;課程設計

中圖分類號：G64? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-9132（2019）19-0007-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.19.003

數字圖像處理也稱之為計算機的圖像處理，它是對計算機中的圖像從信號轉換成數字信號的過程，是一門集計算機科學，信息理論，信息處理學科為一體的綜合課程。在教學過程中，教師以實驗教學的方式來幫助學生學習圖像處理的課程，讓學生了解其概念、原理和算法，并通過上機實驗來培養學生應用軟件的能力，實現數字圖像處理的基本動手操作能力，為工程應用和軟件開發打好基礎。

一、數字圖像處理實驗教學的內容

數字圖像處理是一門典型的交叉性學科，它的理論性和實踐性非常強，各種數字處理的方法都要以數學理論為支撐，需要學生在學習過程中對圖像有不同的處理和理解，以提高在實際問題分析中的解決能力。數字圖像處理是數學系和信息與計算機系的一門選修課程，主要選用的教材是《數字圖像處理及MATLAB實現》的教材及內容，就包括數字圖像處理的基礎運算、變換圖像、增強、復原、壓縮、編碼分割、色彩處理等理論知識，并且對軟件編程的一些常用圖像處理方法有詳細的概述。圖像處理過程首先就是要選取圖像源文件，然后對圖像進行相應處理，最后將處理結果保存到圖像文件中。現有的數字圖像處理教材缺乏對常用圖像文件格式的介紹，所以教師在實驗教學過程中有必要增加這部分知識。在數字圖像的教材中常用圖像文件格式為BMP和JPG系格式。但是在講解過程中，教師也要對其他的文件格式給予詳細的了解和講述，幫助學生理解圖像的本質，特別是在用Visual C++語言編程中可以實現對各種圖形的處理。

二、數字圖像處理實驗教學的實例設計

以數字圖像中各部分的操作為實驗教學內容，探討在Lab View虛擬平臺上嵌入MATLAB腳本編程的實驗設計方法與過程。

（一）空域圖像平滑

以椒鹽噪聲抑制為例，它是數字圖像制造的一個基本的實驗課程內容。這種類型的噪聲通常是由圖像傳輸處理中所產生的黑白相間的亮點和暗點，噪聲又稱為雙極脈沖噪聲，對圖像的視覺效果有明顯的破壞能力。為了抑制這種現象，一般在圖像處理過程中，采用的濾波模板一般都是3×3的，并運用中值濾波算法對其進行抑制，并且在處理時保留圖像邊緣的像素不變，運用這種方法能夠很好地抑制椒鹽噪聲，并改善圖像的視覺質量，所以為了讓學生能夠在學習時更好地理解這種處理方式，我們需要將圖片輸入、輸出和算法處理分別在Lab View平臺和MATLAB平臺中進行模擬仿真練習（見附圖1和附圖2）。

將這種平臺模式相互結合，對數字圖像進行處理，就能夠最大限度地將他們的優勢發揮出來，讓圖像在處理過程中既高效，又直觀。在教學過程中，教師再結合相關的教學經驗對類似的內容進行規劃和安排，就可以更好地將實際應用與理論算法進行結合，加深學生對數字圖像處理教學內容的深刻理解。

（二）圖像像素點的操作

在教學時，教師可以利用幾幅灰度存有明顯差異的圖像給學生作為像素點操作的案例，要求學生在學習時掌握圖像的線性變化，利用直方圖的特征和圖像點的運算，通過對線性的變化來調節明暗度，增強圖片的明暗對比，利用曲線模式、直方圖對圖像的灰度差異進行分析來獲取不同區域內圖像的灰度值，并對圖像的不同灰度進行分別處理。例如，學生可以在圖像像素點操作中對圖像進行明暗度的增強，退化處理等，以加強對操作技能的熟練度。

（三）圖像的銳化

教學過程中，教師還可以選擇幾幅圖像來作為銳化操作的案例，要求能夠利用這幾幅圖像來提取其中的邊緣信息，并分析圖像銳化的優點和缺點。要求學生能夠利用不同的模板對圖像進行不同的銳化操作，并總結出規律，如：銳化濾波器的特點是所有的元素和都是零。通過空域圖像銳化的實驗教學讓學生能夠了解圖像銳化與平滑之間存在的差異，并通過實驗能夠讓學生明白低通濾波器所獲取的圖像輪廓信息就相當于對圖像進行平滑，而圖像的銳化就相當于高通的濾波器能夠對圖像邊緣信息進行獲取。

（四）傅里葉的變化使用

在教學實驗過程中，對數字圖像處理中的傅里葉變換及應用的實驗教學能夠讓學生通過對頻譜平移，傅里葉變換來得出傅里葉變換在圖像調整中的系數，能夠總結出頻譜分布的規律，發現在圖像使用傅里葉變化時其中心點都是直流分量的，并向四面八方擴散，頻率越來越高。通過了解傅里葉變換的使用后，學生可以根據理論知識來設計圖像，并對圖像進行高通、低通濾波器的處理，從而保留不同位置傅里葉變換的系數。最后，將結果和實踐的數據進行比較，來加深學生對濾波器使用效果的理解。

（五）離散余弦變換的應用

學會離散余弦變換并顯示和分析變換的系數，得出頻譜分布的特點也是數字圖像處理的重要學習內容。學生對圖像進行離散余弦變換的處理和應用時會發現頻率會隨著數據的變化而越來越高，并且上角為直流分量，沿上下，右的方向不斷變化。另外，還要根據相應的理論來完成低通濾波器和高通濾波器的設計，并對圖像進行離散余弦變換處理。并且，在原圖的基礎上進行8×8大小的圖像轉換設計，對每一塊都要進行編碼和離散余弦的應用，從而在實際操作中來學習JPEG的壓縮模式。

（六）小波變換的應用

數字圖像處理實驗進行小波變換應用教學時，就是對圖像進行二維小波分解，利用教師給的圖形接口對圖像進行處理，分解其中各小波系數的特點，總結出垂直高頻、水平高頻、低頻分量和對角高頻之間所代表的意義，并利用MATLAB編成模式對小波圖像進行處理和壓縮。

三、提升數字圖像處理實驗教學的途徑

（一）加強在理論教學中運用現代化教學手段

通過數字圖像處理實驗教學的相應特點，應在教學過程中合理、恰當地運用現代化的教學方式，這種方法能夠加深、加快學生對數字圖像處理理論和方法的運用和理解。在教學中，對數字圖像處理進行實驗教學，其質量的好壞都取決于學生對于課程理論知識的理解。當學生對圖像處理算法的理論基礎有清晰了解時，通過模仿即實際處理前后的效果對比就能夠進一步地對數字圖像處理的內容進行加深，從而做到實踐與理論的相互補充，達到學以致用的教學效果。

（二）合理利用虛擬平臺實踐

在數字圖像處理教學過程中，合理運用案例和情景模式教學能夠有效提高學生分析和解決數字圖像處理實際問題的能力。數字圖像處理的實驗教學方法能夠更好地加快學生對理論知識的理解。開設實驗課時，教師也要選擇好教學內容，盡可能地選學生容易理解的，并通過Lab View平臺和MATLAB虛擬平臺，直觀地對數據進行梳理，展示教學的內容重點，從而調動學生學習數字圖像處理課程的興趣。

四、結語

總之，在近幾年的教學過程中，數字圖像處理的實驗教學研究設計與改革都取得了非常好的效果。本文結合Lab View虛擬平臺的情景教學模式和MATLAB的語言編程優勢，提出了數字圖像處理實驗教學的新方法。教師通過實驗教學，能夠加深學生的實踐操作能力，使學生對數字圖像處理更有興趣，更加主動地了解科技創新，提高設計能力，為其進一步發展奠定基礎。并且，能夠使數字圖像處理實驗教學更好地服務于應用型人才的培養。

參考文獻：

[1]陳木生，林順達.數字圖像處理實驗教學研究與實踐[J].實驗科學與技術，2016（4）.

[2]溫建明.基于MATLAB的機械優化設計課程數字化教學改革[J].吉林省教育學院學報，2011（5）.

[責任編輯 杜建立]

作者簡介： 杜號軍（1975.9— ），男，漢族，湖南臨湘人，副教授，研究方向：刑事圖像技術。