基于Matlab數(shù)字圖像處理計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方法研討

寧志剛，尹軍利，李圣，夏云芝

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng))

一 引言

數(shù)字圖像處理是一門多學(xué)科交叉學(xué)科[1-3]，與機(jī)器視覺一脈相承，與光電成像、信號(hào)處理、軟件編程和數(shù)學(xué)算法等相關(guān)。數(shù)字圖像處理知識(shí)比較繁雜，概念比較多，理論性比較強(qiáng)，很多知識(shí)點(diǎn)不好理解[4]。數(shù)字圖像處理對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)要求比較高，要求學(xué)生既要理解相關(guān)的理論和算法，又能動(dòng)手解決一些實(shí)際問題。對(duì)于復(fù)雜的概念、繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和復(fù)雜的圖像處理算法，大多數(shù)同學(xué)學(xué)起來都會(huì)感到不好理解，產(chǎn)生畏難情緒，逐漸喪失學(xué)習(xí)這門課的興趣。所以，教這門課時(shí)一定要采取合適的教學(xué)方法，讓學(xué)生理解和掌握相關(guān)的概念、算法，體味學(xué)習(xí)這門課程的樂趣。數(shù)字圖像處理教學(xué)既要注重理論知識(shí)和算法的講解，又要想辦法培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。Matlab學(xué)起來不難，編程技巧容易掌握。Matlab軟件具有圖像處理工具箱和許多圖像處理函數(shù)，能使圖像處理運(yùn)行結(jié)果可視化[5-6]，便于學(xué)習(xí)和驗(yàn)證一些圖像處理算法。在理論教學(xué)過程中讓學(xué)生觀察生成的圖片和一些中間數(shù)據(jù)，以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7-8]。教師可以分析生成的圖片和中間數(shù)據(jù)，讓學(xué)生較容易理解和掌握深?yuàn)W的理論知識(shí)。

二 分析學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理的意義

在講授這門課程時(shí)，先要讓學(xué)生弄清楚學(xué)習(xí)這門課程的意義，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。許多數(shù)字圖像處理方法都是根據(jù)仿生機(jī)理得到的，例如圖像采集就是參照人眼成像原理，雙目視覺和3D成像也是參考人雙眼觀察外部事物的機(jī)理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或深度學(xué)習(xí)就是仿照人的神經(jīng)系統(tǒng)思維模型。學(xué)生學(xué)完這門課程后，可以根據(jù)仿生機(jī)理學(xué)習(xí)和研究一些算法，設(shè)計(jì)一些機(jī)器視覺系統(tǒng)。人從外界獲得的信息當(dāng)中，80%以上的信息都是通過視覺獲得的。與其他傳感器相比較，視覺傳感器獲得的信息量要大得多。人工智能是目前的研究熱點(diǎn)之一，機(jī)器人是人工智能具體應(yīng)用對(duì)象，機(jī)器人從外界獲取的大量信息通常是通過機(jī)器視覺獲得的。為了提高我國(guó)的綜合實(shí)力，國(guó)防、工業(yè)和農(nóng)業(yè)都在加速發(fā)展，各行各業(yè)都向數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展，數(shù)字圖像處理在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。中國(guó)“祝融”號(hào)火星車在火星上拍攝了一些圖像，并把這些圖像傳回給幾千萬公里以外的地球。“玉兔”號(hào)月球車成功登陸月球背面，并傳回大量的圖片。大量遙感衛(wèi)星在地球上空運(yùn)行，遙感圖像最高分辨率可達(dá)到零點(diǎn)幾米。在一些高輻射、有毒和高溫場(chǎng)合，必須采用機(jī)器人代替人從事相關(guān)的檢測(cè)和控制工作。例如，在福島核泄漏事故中，須利用機(jī)器人完成相關(guān)的檢測(cè)工作。國(guó)防科技大學(xué)成功開發(fā)了非結(jié)構(gòu)化道路無人戰(zhàn)車，一些汽車生產(chǎn)商開發(fā)了無人駕駛智能車輛。大街小巷和智能小區(qū)都安裝了攝像頭，用來進(jìn)行交通管理和安防監(jiān)控。機(jī)器視覺可以提高測(cè)量精度，精度可達(dá)到亞像素級(jí)別，測(cè)量精度可達(dá)到千分之一毫米。為了減少勞動(dòng)成本和提高生產(chǎn)率，工業(yè)和農(nóng)業(yè)都采用大量機(jī)器視覺設(shè)備。許多工業(yè)生產(chǎn)線都裝備了用于檢測(cè)的機(jī)器視覺裝置和用于控制的機(jī)器手或機(jī)器臂。在農(nóng)業(yè)方面，許多科研部門正在研發(fā)自動(dòng)播種機(jī)、自動(dòng)插秧機(jī)、噴藥無人機(jī)、自動(dòng)收播機(jī)和采摘機(jī)器人。通過講解這些鮮活的案例，讓學(xué)生知道學(xué)好這門課的重要性，了解數(shù)字圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，應(yīng)用前景十分看好，樹立學(xué)好這門課的信心。

三 理論課程教學(xué)采用MatIab計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

對(duì)于數(shù)字圖像處理理論課程教學(xué)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是“課件+板書”模式。這種灌輸式教學(xué)模式的教學(xué)效果不好，學(xué)生學(xué)起來容易感到枯燥無味，很難理解和掌握課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)和Matlab軟件的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字圖像處理理論課程教學(xué)可采用Matlab計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。教學(xué)時(shí)，教師先講解理論知識(shí)的要點(diǎn)，然后通過Matlab運(yùn)行相關(guān)的例程或指令。這種教學(xué)模式具有一些優(yōu)勢(shì)，具體為：(1)將抽象的理論形象化，能夠培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力。教學(xué)過程中引入一些具體的案例，通過觀察具體的圖像能激發(fā)學(xué)生的思維興奮點(diǎn)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種教學(xué)能夠活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效果。(2)教學(xué)時(shí)引入仿真案例，做到理論聯(lián)系實(shí)際。教學(xué)過程中，教師可展示生成的圖像和相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析運(yùn)算結(jié)果。這樣可以驗(yàn)證具體的算法，幫助學(xué)生理解和消化相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，優(yōu)化課堂教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。(3)采用Matlab計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，可將研討式、啟發(fā)式等教學(xué)方式應(yīng)用到教學(xué)過程當(dāng)中。教學(xué)時(shí)，通過觀察運(yùn)算結(jié)果，分析和討論具體的算法，修改程序代碼，啟迪學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生探究其中的奧秘，從而提高分析問題和解決問題的能力，提高工程應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新能力。

四 MatIab計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)案例分析

（1）案例一：圖像代數(shù)運(yùn)算。圖像代數(shù)運(yùn)算包括加法、減法、乘法和除法運(yùn)算。Matlab中圖像默認(rèn)數(shù)據(jù)類型為uint8，數(shù)據(jù)取值范圍是0～255。如果運(yùn)算結(jié)果或中間值超過這一范圍，就會(huì)出現(xiàn)飽和溢出現(xiàn)象。圖像進(jìn)行加法運(yùn)算時(shí)，如果對(duì)應(yīng)像素灰度值之和大于255，Matlab就會(huì)將數(shù)據(jù)截取為數(shù)據(jù)類型支持的最大值255。圖像進(jìn)行減法運(yùn)算時(shí)，如果對(duì)應(yīng)像素灰度值之差小于0，Matlab就會(huì)將數(shù)據(jù)截取為數(shù)據(jù)類型支持的最小值0。double數(shù)據(jù)類型是小數(shù)，數(shù)據(jù)取值范圍是-1.79769313486231570E+308～+1.797 69313486231570E+308。對(duì)于圖像代數(shù)運(yùn)算，如果把uint8數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為double類型，運(yùn)算結(jié)果就不會(huì)出現(xiàn)飽和溢出現(xiàn)象，運(yùn)算結(jié)果就不會(huì)出錯(cuò)。在進(jìn)行圖像代數(shù)運(yùn)算時(shí)，分別采用兩種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行圖像代數(shù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)。打開工作空間窗口，查看變量的類型和變量數(shù)值矩陣，對(duì)比分析運(yùn)算結(jié)果，總結(jié)圖像代數(shù)運(yùn)算的注意事項(xiàng)。

（2）案例二：圖像增強(qiáng)。空域內(nèi)圖像增強(qiáng)的主要目的是改善圖像的視覺效果，提高圖像的可辨識(shí)度。圖像增強(qiáng)就是調(diào)整灰度圖像的明暗對(duì)比度，對(duì)圖像中各個(gè)像素的灰度值直接進(jìn)行處理，增強(qiáng)原圖像相鄰像素灰度的反差。針對(duì)所給定圖像的應(yīng)用場(chǎng)合，有目的地強(qiáng)化圖像的整體或者局部特性，使原來不清晰的圖像變得清晰，突出某些感興趣的特征(例如邊緣信息、輪廓信息、對(duì)比度)，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征。直方圖均衡化是由概率密度和分布函數(shù)得到的圖像增強(qiáng)方法，目的是使不同灰度值像素的個(gè)數(shù)(或不同灰度值像素個(gè)數(shù)與圖像總像素個(gè)數(shù)比值)近似相等。分段線性灰度變換用來突出圖像中感興趣對(duì)象，采用局部擴(kuò)展拉伸某一范圍的灰度值，或者對(duì)不同范圍的灰度值進(jìn)行不同的拉伸處理。分析直方圖均衡化工作原理，分別采用線性灰度變換、分段線性灰度變換、非線性灰度變換和直方圖均衡化進(jìn)行圖像增強(qiáng)，查看圖像增強(qiáng)后的視覺效果，對(duì)比分析圖像增強(qiáng)前后的灰度直方圖。

（3）案例三：圖像空域?yàn)V波。中值濾波主要用來濾除椒鹽噪聲，均值濾波和維納濾波主要用來濾除高斯噪聲。濾波窗口越大，往往濾波效果越好，但圖像細(xì)節(jié)會(huì)遭到破壞。分析均值濾波、中值濾波和維納濾波工作原理，給圖像分別添加高斯噪聲和椒鹽噪聲，分析和比較不同類型濾波器的濾波特性和濾波效果，分析窗口大小對(duì)濾波效果的影響。

（4）案例四：傅立葉變換及頻域?yàn)V波。圖像傅立葉變換是將圖像的灰度分布函數(shù)變換為圖像的頻率分布函數(shù)。圖像二維傅立葉變換得到的頻譜圖，實(shí)質(zhì)反映圖像梯度分布情況。梯度分為水平梯度和垂直梯度，梯度的平方和再開方就是該點(diǎn)頻率的大小。頻譜圖上看到的明暗不一的亮點(diǎn)，實(shí)際上反映圖像二維傅立葉變換某一頻率幅值的大小。若某一頻率對(duì)應(yīng)的幅值越大，則頻譜圖中該頻率處越亮。頻譜圖中高頻信號(hào)對(duì)應(yīng)于原圖像中邊緣和噪聲部分，頻譜圖中低頻信號(hào)對(duì)應(yīng)于原圖像中平滑區(qū)域。分析二維傅立葉變換工作原理。對(duì)圖像進(jìn)行二維離散傅立葉變換，在工作空間窗口中查看變量數(shù)值矩陣的元素是否復(fù)數(shù)，驗(yàn)證圖像傅立葉變換旋轉(zhuǎn)不變性和縱橫性。分別選取不同的截止頻率，查看高通濾波器和低通濾波器的濾波效果。分析同態(tài)濾波工作原理。同態(tài)濾波能減少低頻分量，增加高頻分量，減少光照變化，銳化邊緣細(xì)節(jié)，達(dá)到揭示陰影區(qū)細(xì)節(jié)特征的目的。同態(tài)濾波能調(diào)整圖像灰度范圍，通過消除圖像中照明不均的問題，增強(qiáng)暗區(qū)的圖像細(xì)節(jié)，同時(shí)又不損失亮區(qū)的圖像細(xì)節(jié)。對(duì)照度不均勻圖像進(jìn)行同態(tài)濾波，檢驗(yàn)濾波效果。

（5）案例五：圖像分割。圖像分割主要包括基于區(qū)域的圖像分割方法和基于邊緣的圖像分割方法。采用基于區(qū)域的圖像分割方法對(duì)圖像進(jìn)行分割，分割的圖像通常存在過分割現(xiàn)象。采用基于邊緣的圖像分割方法對(duì)圖像進(jìn)行分割，分割圖像的邊緣通常不連續(xù)。Canny邊緣算子既能濾除噪聲，又能保持邊緣，提取邊緣的連續(xù)性較好。分析邊緣提取工作原理，分別采用Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子、Laplacian算子、LOG算子、Canny算子提取圖像的邊緣，查看邊緣提取后的圖像是否二值圖像。采用雙峰法分割圖像，根據(jù)灰度直方圖確定分割閾值，對(duì)比分析采用不同閾值分割圖像的效果。分析Otsu閾值分割法、迭代式閾值分割法工作原理，分別采用這兩種分割法分割圖像，查看分割閾值的大小。分析分水嶺分割法的工作原理，采用這種多閾值分割法分割圖像，查看工作空間窗口中生成圖像對(duì)應(yīng)變量矩陣的取值。

（6）案例六：形態(tài)學(xué)處理。膨脹將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中，使邊界向外部擴(kuò)張。通過膨脹，可以填充圖像中的小孔、圖像邊緣處的小凹陷部分。腐蝕能消除邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)部收縮。利用腐蝕操作，可以消除較小的無意義物體。開運(yùn)算使圖像的輪廓變得光滑，斷開狹窄的連接，消除細(xì)毛刺，消除細(xì)小物體，在纖細(xì)處分離物體。閉運(yùn)算使輪廓變得光滑，彌合狹窄的小裂縫，填充比結(jié)構(gòu)元素小的洞(即小孔)，連接鄰近物體。結(jié)構(gòu)元素是膨脹和腐蝕的最基本組成部分。二維結(jié)構(gòu)元素是由數(shù)值0和1組成的矩陣。結(jié)構(gòu)元素的原點(diǎn)指定了圖像中需要處理的像素范圍，結(jié)構(gòu)元素中數(shù)值為1的點(diǎn)決定結(jié)構(gòu)元素的領(lǐng)域像素在膨脹或腐蝕操作時(shí)是否參與運(yùn)算。分析膨脹、腐蝕、開運(yùn)算、閉運(yùn)算原理、實(shí)現(xiàn)過程和作用。講解結(jié)構(gòu)元素的定義，在Matlab中利用help指令運(yùn)行strel函數(shù)，查看各種結(jié)構(gòu)元素具體形狀。在Matlab中對(duì)特定的二值矩陣分別進(jìn)行膨脹、腐蝕運(yùn)算，觀察生成的二值矩陣，驗(yàn)證膨脹、腐蝕實(shí)際運(yùn)算過程，掌握結(jié)構(gòu)元素原點(diǎn)確定方法，分析結(jié)構(gòu)元素大小選擇的原則。對(duì)圖像分別進(jìn)行開運(yùn)算、閉運(yùn)算操作，根據(jù)生成的圖像驗(yàn)證開運(yùn)算、閉運(yùn)算的作用。

（7）案例七：彩色目標(biāo)提取。彩色圖像模型包括RGB模型、HSV模型、CMYK模型、YUV模型、YCbCr模型、I1I2I3模型等，I1I2I3模型適合提取彩色圖像中的目標(biāo)。分析各種色彩模型特點(diǎn)和相互轉(zhuǎn)化方法。從彩色甜椒(由青甜椒和紅甜椒組成)圖像中提取甜椒，分別查看R、G、B、I1、I2和I3色彩通道直方圖。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，只有I2色彩通道直方圖具有明顯的雙峰。所以，對(duì)I2分量圖進(jìn)行圖像分割，可以分割出甜椒圖像。通過這個(gè)例程告訴學(xué)生彩色目標(biāo)提取方法，I1I2I3色彩模型對(duì)彩色圖像具有較好的分割效果。

五 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字圖像處理教學(xué)采用Matlab計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方法，獲得了較好的教學(xué)效果。采用這種方法進(jìn)行課堂教學(xué)，能增強(qiáng)課堂教學(xué)的互動(dòng)性，很容易吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生全身心投入教學(xué)過程當(dāng)中。這種教學(xué)方法能夠使學(xué)生較好地掌握了復(fù)雜的理論知識(shí)，提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，提高了數(shù)字圖像處理Matlab編程能力，為學(xué)生從事科技活動(dòng)、就業(yè)和深造奠定了良好的基礎(chǔ)。