Matlab 在數字圖像處理教學中的應用方法研究

史 慧

（安徽醫科大學生物醫學工程學院，安徽合肥 230032）

一、引言

在高等教育中，數字圖像處理專業的教學因其學科涉及范圍廣、難度大的特點，需要學生具備一定的基礎知識，對數學、數字信號處理、計算機等理論擁有一定理解能力。數字圖像處理專業是一門操作性強的學科，在算法的演繹和公式推導中所涉及的知識比較抽象，學生理解難度較高。同時受到學生人數、學生素質的影響，傳統的教學方法已經無法滿足學生的學習需要，也不符合當前學生學習的實際情況。因此，教師在進行數字圖像處理課程內容的講解時，要積極探索符合學生實際的教學方法，將培養學生的實踐能力作為教學的出發點，通過優化教學方法，利用先進的科技手段降低教學難度，提高教學效率，從而激發學生的學習興趣，鍛煉學生的動手能力，讓學生在學習的過程中享受學習的樂趣，從而更加全面地掌握數字圖像處理的相關理論知識，為社會培育出更多具有創新思維和創新能力的人才。

二、Matlab 概述

Matlab 是一款用于科學計算、可視化操作和交互式程序設計的計算機語言環境，其全稱為Matrix&Laboratory。Matlab是在計算數學數值方面具有特殊功能的應用軟件。它將數值分析、仿真模擬、矩陣計算等功能進行了集成，通過一個可視化的環境進行操作，為數學計算、科研、工程設計等工作提供了重要幫助，在協助人們進行數據計算方面提供了一個全面的解決方案。并且Matlab 通過自身設計，擺脫了傳統非交互式的程序設計語言編輯模式，是計算類軟件中功能最先進的一種。

Matlab 自其被廣泛應用以來，它的矩陣計算、函數繪制、創建用戶界面、兼容和連接其他編程語言程序等功能被人們所熟知。在歐美發達國家的科研、教育等領域，Matlab 已經成為應用線性代數、自動控制理論、數理統計、數字化技術處理、時間序列分析等教學課程的基礎科研、教學工具。

Matlab Guide 是Matlab 為了實現其基本功能而設計的一個演示程序，通過該程序的幫助，能夠讓用戶處理圖形的難度大大降低，提高使用效率。演示程序的主要構成為窗口、菜單、光標、文字說明等，經由這些元素構成的用戶操作和使用界面能夠幫助用戶簡化操作流程。例如，用戶通過鼠標、鍵盤進行圖像界面操作，選取相應的按鈕就能激活圖像界面的功能，而后讓計算機按照用戶的操作指令進行繪圖、數據處理等操作。一般而言，在用戶使用軟件進行圖像處理、數據計算、數據分析的過程中，由于其計算流程簡單，因而不會直接采用Guide輔助其進行計算。但是，用戶除了要利用軟件進行簡單計算操作，還需要向其他人提供應用程序，并按照軟件的內容展示計算過程、操作方法、技術流程，這就需要通過設計一個簡單的輔助工具達到展示的效果。利用Guide 軟件生成圖像用戶并按照相關的函數、計算公式編寫應用程序，以提供給其他人使用和操作，需要設計者在遵循簡單、一致、通常三個原則的前提下，編寫和創建相應的功能界面與程序，繪制相關的制作草圖，并根據實際使用者的情況進行修改，最后對程序進行制作，形成一個靜態界面，經由檢查后投入使用。

三、數字圖像處理介紹

數字圖像處理課程作為一門專業學科形成于20 世紀中期，是教授圖像處理方法的一門專業學科。圖像處理的主要目的就是改善圖像的成像質量，讓人們能夠清晰地看到圖像的內容，滿足人們的視覺需求。在圖像處理的過程中，由于輸入的圖像質量較低，清晰度較差，需要人工處理后改善其圖像質量并輸出。在圖像處理中常用的有圖像增強、壓縮、復原、編碼等手段。數字圖像處理則是通過計算機完成圖像的處理工作，利用計算機的軟件對圖像進行加工和分析，從而提高圖像的視覺效果，對圖像的亮度、色彩、成分增強進行處理，或者對圖像中包含的特殊信息、特征進行提取和增強，將這些被提取的信息進行預處理，從而滿足人們對圖像的需求。圖像數據處理的過程中，其數據的轉化、編碼、壓縮也方便了圖像傳輸和存儲。目前數字圖像處理課程的發展尚處于初級階段，需要相關教師對其教學方式不斷探索。

四、數字圖像處理教學面臨的問題及解決思路

（一）教學難度高

數字圖像處理屬于一門較為綜合的課程，教師需要在教學中加強對數學公式計算與理論推導的重視。為了方便學生學習，教師會在教學中使用計算機，并借助多媒體為學生播放課件，但他們無法快速理解和掌握公式推導的過程。而單純利用板書教學又比較枯燥，學生的學習興趣無法得到提升。所以，無論從哪個角度來看，都難以高效開展數字圖像處理教學，再加上課程本身的特點又一定程度上增加了教學難度，學生很難在短時間內掌握相關技能。

（二）課程內容難度大

由于數字圖像處理自身課程的起點較高，課程教學的內容對學生而言具有很高的難度。由于當前數字圖像處理課程設計的課程要求較高，并且數學、計算機知識所涉及的知識范圍廣，二者融合的程度需要進一步提升，導致在學習這些課程時，學生的畏難情緒嚴重。在數學知識體系中，由于其計算所需的知識范圍涵蓋了矩陣變換、連續傅里葉變換、線性代數等多種知識，課程教學中，學生需要進行大量的數據計算與公式推導，教學進度緩慢。同時，這些需要計算的數學知識對一些學生而言十分抽象，學習起來十分吃力，這就使得傳統數字圖像處理課程教學需要進行教學方式和教學內容的變革。如果教師依舊按照傳統的公式教學和理論方法，忽視對公式、理論的推導演示，圖像處理的過程對學生而言就比較抽象，學生理解不足，從而降低學習興趣。

（三）學科交叉，知識范圍廣

數字圖像處理作為一門以計算機為操作基礎的學科，其不僅涉及信息技術、數字信號處理、高級編程語言、高等數學、人工智能、數學分析、微電子等領域，其內容還覆蓋了光學、信號學等不同領域。這些不同領域學科之間的相互滲透與交叉，讓數字圖像處理專業的理論知識理解起來更加吃力，需要學生提前對相關的基礎理論進行學習和掌握。同時，也正是由于其不同學科相互交叉滲透、知識覆蓋范圍廣的特點，學生對知識的掌握和理解不到位，讓教學難度大大增加。

（四）學生增加，整體素質下降

隨著近年來高校不斷擴招，數字圖像處理專業的班級容量不斷增加。學生數量的增加為課程教學帶來了不小的影響。學生整體質量下滑是一個長期的趨勢，學生水平參差不齊，很多學生的數學、物理基礎不好，對一些公式、數據計算理解能力不夠，自身的素質無法滿足課程教學的需要。并且，由于數字圖像處理的各學科交叉融合特點，一部分學生的高等數學公式推導部分沒有學好，就會導致跟不上教學進度，無法理解后面的教學內容。或者在計算機語言程序編寫中的基礎沒有學好，不會自己進行操作和圖像處理，只能再去問教師或同學，耽誤了寶貴的課堂學習時間。而教師在面對越來越多的學生時自身的精力不足，無法關注到每一個學生，大大降低了師生互動的效果，不利于教師對學生的了解和學習情況掌握，為課程教學帶來了不利影響。

（五）教學課時少，課程內容多

數字圖像處理的教學課時隨著高校擴招工作不斷壓縮，教學活動開展時，教師不僅要在學期開始為學生復習高等數學的相關知識內容，介紹數字圖像處理的理論，同時還要進行編寫程序和解釋，另外還要注意課堂教學的實踐性。為了滿足教學計劃，將課程內容完全講完，完成教學目標，教師不得已只能加快教學進度，在一節課中不斷加入更多的內容，大部分學生的學習能力跟不上教學進度，導致課程質量下滑。

五、Matlab 解決數字圖像處理教學問題的思路

針對數字圖像處理教學的問題，需要教師和學生共同探索符合自身實際的教學方法。面對數字圖像處理這一理論與實踐、原理與應用緊密結合的專業課程，教師可以利用計算機軟件，幫助學生解決計算問題，理解公式推導過程。例如，利用Matlab 軟件對公式進行簡化處理。利用Matlab本身自帶的數值計算和分析功能，學生在對微積分運算、微分方程求解時都可以通過簡單的建模、編程來完成。并且，通過Matlab 的幫助，教師可以將抽象數學計算結果具體化，方便學生理解和掌握。在此過程中，教師可以對計算結果進行可視化處理，利用Matlab 制作出GUIDE 圖形用戶界面程序，將課程教學當中需要進行計算的公式進行計算，并展示其計算過程，將復雜的編程過程簡單化。

在課堂教學中，由于學生編寫程序的能力不足，無法對出錯程序進行處理，則需要教師在授課前對相關的圖形用戶界面進行設計和編寫，方便學生自主編寫程序，簡化學生的學習過程。同時在授課的過程中，教師通過提前編寫的程序解放了自身的時間，能夠及時對學生的疑難問題進行解答。如果有些問題在課堂解答時間不夠，教師還可以將數字圖像處理課程內容中難度較高、抽象程度較深的概念和公式編寫成一個教學課件的操作平臺，讓學生一鍵點擊就能夠反復觀看和學習，減輕教師的教學壓力。先讓學生理解數字圖像的基本概念，如像素、灰度值、分辨率等；介紹數字圖像處理的基本原理，如圖像增強、濾波、二值化、分割、邊緣檢測等技術；教授Matlab 的基本語法和函數，如讀取和保存圖像、顯示圖像、處理圖像、圖像變換等。總之，Matlab 是數字圖像處理的核心工具之一，教師教授數字圖像處理時需要深入理解其原理和使用方法，并通過實例加深學生對數字圖像處理的理解。

六、創建Matlab Guide 的案例介紹

Matlab Guide 軟件為用戶提供了豐富的開發工具，通過對組件布局編輯器、排列工具、屬性編輯器、對象瀏覽器、菜單編輯器這些組件進行布局，方便修改和調整圖像界面的各種元素。

（一）基本功能

通過上文介紹，需要對用戶界面進行制作，其主要具備的功能有以下幾種：1.通過用戶界面制作，實現一級菜單start 和save按鈕能夠更好地對需要處理的圖像進行讀取和保存；2.通過設計與制作新的功能按鈕，實現對圖像灰度進行調整和變化，并且能夠通過用戶的實時操作實現對圖像變化后的效果對比與處理；3.通過用戶界面的功能設置，對圖像的直方圖進行均衡化處理，并能夠及時顯示處理效果；4.對二維傅里葉進行變換；5.用平滑濾波器和均值濾波器過濾高斯噪聲和椒鹽噪聲；6.對圖像進行縮放、角度旋轉。

（二）設計步驟

首先在Matlab 軟件中進行操作，新建Guide 窗口，然后及時進行保存。其次，通過Menu Editor 創建一級菜單file，此時就可以在軟件窗口上實現打開、保存文件的功能。接下來的操作就是需要用戶分別建立2 個靜態文本和坐標軸對象。標注空間是靜態文本的核心功能，其分別能夠將處理前后的圖像進行顯示，方便用戶對比。坐標軸對象則只能夠顯示處理前后的圖像。完成此步驟后，操作新建7 個功能按鈕，用于圖像的旋轉和灰度變換，而后設置兩個文本框，用于編輯和輸入動態變換的角度及圖像進行縮放的系數。然后設置4 個單選按鈕，按鈕分成兩組，用于實現高斯噪聲和椒鹽噪聲之間的切換。設置完成以上操作后，按照操作需要，對代碼課回調函數進行編寫。在設計過程中需要關注的是，上述空間的相關屬性設置標識問題。因為在控件標識的過程中，Tag 能夠實現對不同控件的識別，所以每一個空間在開發和創建過程中都會產生一個標識，為了方便記憶、修改與編輯，需要將控件設置為新的標識。

（三）教學實施

通過編寫Matlab Guide 圖像用戶軟件，實現了降低學生學習難度的目標。在學生課堂學習的過程中，利用軟件減輕了學生和教師的工作量，幫助學生理解了一些抽象的概念。通過軟件的輔助，學生的學習興趣明顯提升，積極性得以發揮，在實踐操作階段，學生對軟件的應用逐漸熟悉并能夠很好地用在學習任務當中。

1.確定教學目標：確定教學目標是數字圖像處理教學計劃的重要一步，具體來講，可以根據不同層次的學生制定不同的教學目標。首先理解數字圖像的基本概念：像素、分辨率、灰度值、圖像格式等。理解數字圖像處理的基本操作：灰度拉伸、直方圖均衡化、高斯濾波、中值濾波、二值化等。熟悉Matlab 工具箱中數字圖像處理相關的函數：如imread、imshow、imwrite 等，并掌握這些函數的使用方法。獨立處理數字圖像，實現簡單的數字圖像處理任務，例如對圖像進行平滑處理、二值化等。了解數字圖像處理的一些實際應用，如人臉識別、目標檢測、醫學圖像處理等，并初步掌握其基本的實現方法。根據以上目標，設計數字圖像處理課程并開展各項教學活動，則能夠有效提高學生的數字圖像處理能力。

2.設計教學計劃：為了有效地教授數字圖像處理使用Matlab，可以考慮以下教學計劃：

第一周：Matlab 基礎語法和數字圖像處理簡介；Matlab 語言基礎語法以及常用的Matlab 函數；數字圖像處理的概念、任務和應用領域；數字圖像的灰度級數、亮度直方圖、對比度、伽馬校正。

第二周：數字圖像的預處理；數字圖像的邊緣檢測、二值化、直方圖均衡化、濾波方法、模板操作；采用OpenCV 庫進行圖像處理。

第三周：數字圖像的特征提取和分析；理解數字圖像特征提取和分類算法；圖像的特征提取、特征向量；數字圖像模式識別方法，包括模型分類和神經網絡分類。

第四周：數字圖像處理實際應用；深度學習在計算機視覺領域中的應用；采用深度學習的框架進行圖像分類和目標檢測；圖像超分辨率通道估計和復原。

第五周：數字圖像處理設計和案例分析；設計基于Matlab的數字圖像處理算法；討論數字圖像簽名和水印領域中圖像處理的案例分析。此外，實踐項目是加深數字圖像處理知識和技能的重要手段。教學計劃中可以安排課程的實踐項目。例如，實現圖像的處理和特征提取等，以及設計數字圖像處理應用程序等。在課程結束時，可以組織學生展示他們的數字圖像處理作品。通過這些實踐項目，可以提高學生的數字圖像處理實踐能力，加強對Matlab 的理解和應用，為今后的進一步學習和實踐奠定基礎。

3.講解數字圖像處理基本概念和技術：介紹數字圖像處理的基本原理。例如，圖像增強、濾波、二值化、分割、邊緣檢測等技術。結合實際的案例講解，通過代碼演示讓學生實踐。

4.練習實踐：提供實際數字圖像處理問題的實例，讓學生通過實踐加深對數字圖像處理的理解和應用能力。教師可以引導他們使用Matlab 提供的數字圖像處理工具箱來處理圖片，如操作圖像縮放和旋轉；也可以讓他們自己編寫代碼完成任務，如編寫Matlab 代碼從本地文件夾中讀取圖像并顯示到Matlab GUI 上，或者使用Matlab 代碼提取圖像的特征，如顏色和紋理特征等，用于后續的圖像分類和識別。另外，學生在編寫Matlab 代碼時，可以掌握邊緣檢測算法，如Sobel 算子、Laplacian 算子和Canny 算法等，加強學生對該算法的掌握，引導他們適當變化圖像條件完成圖像處理。

5.評估學生掌握情況：教師除了要完成教學任務外，還要通過評估活動了解學生對知識的掌握情況。一般情況下，教師會結合學生的考試結果進行直接評估。但近年來，隨著教育的不斷發展，單純的考試已經無法滿足當前的教學評估需要。教師需從實踐測試的角度出發，了解學生的綜合能力發展情況。比如，教師可以從實踐角度出發，為他們布置實踐任務，并對任務結果進行評估，以此了解他們對數字圖像處理課程中理論知識和實踐技能的掌握情況；還可以從編程角度出發，檢驗他們對Matlab 代碼相關知識的了解。另外，還可以從綜合角度出發，為他們布置小組任務，讓學生共同完成某個任務，以此促使他們相互幫助，提高實際操作能力，加強他們對數字圖像處理知識的理解。最后，則需要教師根據學生的表現和學習需求，在評估過程中加入更多的評價方法，保證評估活動的全面性，為學生提供及時反饋，鼓勵他們繼續努力，不斷學習進步。

七、結語

本文對數字圖像處理課程的相關內容進行了闡述，論述了數字圖像處理課程教學中傳統教學方法存在的問題，即教師依靠板書講解的形式過于單一，課程內容難度高、教學難度大從而導致學生對基礎知識的掌握和理解不夠充分等，這些問題嚴重影響了數字圖像處理教學課程的效果。通過對Matlab 的研究，本文設計制作了圖形用戶界面的例子，將其作為課程教學的輔助手段，真實展現了在軟件幫助下，利用人機互動界面可控化管理數字圖像處理分析過程，提升分析效果，直觀展示數據變化。同時，利用這一方法將數字圖像處理的教學方式進行了優化，大大降低了學生理解難度，易于學生接受相關理論，提升教學效果。