韋琳　凃玲英

摘要 本文以作者在數(shù)字圖像處理課程中的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)于如何有效地講解數(shù)字圖像處理的各種算法，提出了一些具體的教學(xué)方法。應(yīng)用Matlab實(shí)現(xiàn)一個(gè)GUI演示系統(tǒng)，用于教學(xué)，讓教學(xué)變得生動(dòng)，讓學(xué)生可以更直觀地了解各種算法的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

關(guān)鍵詞 數(shù)字圖像處理 算法 實(shí)踐 教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.08.047

Discussion on Application of Matlab in Digital Image Processing Teaching

WEI Lin， TU Lingying

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract In this paper， take the authors Digital Image Processing courses teaching practice， to explain how digital image processing algorithms， made a number of specific teaching methods. Matlab achieve a GUI application demonstration system for teaching， allowing teaching to life， so that students can more intuitive understanding of the principle and mechanism of various algorithms.

Key words digital image processing; algorithm; practice; teaching methods

引言

數(shù)字圖像處理是一個(gè)各種學(xué)科相互交叉的領(lǐng)域，涉及光學(xué)、數(shù)學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各個(gè)學(xué)科，是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科，在醫(yī)療、軍事、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)教育等很多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。因此它既是非常重要的專業(yè)課，又起著承前啟后的作用。而Matlab是近些年來國(guó)內(nèi)外使用最普遍的科技軟件之一，其語(yǔ)法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)值計(jì)算分析、圖形繪制和圖像處理等功能強(qiáng)大，具有高品質(zhì)的圖像可視化效果和極強(qiáng)的頁(yè)面設(shè)計(jì)能力。

正是這樣，才將Matlab引入數(shù)字圖像處理教學(xué)環(huán)節(jié)，使原本抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)具體，易于理解。通過改革實(shí)踐教學(xué)體系，既可以在課堂教學(xué)中進(jìn)行理論演示，又能夠激發(fā)出學(xué)生們的創(chuàng)新思維，更可以有效提高學(xué)生們的實(shí)踐能力。

1 將Matlab引入教學(xué)過程中的方法探討

怎樣將數(shù)字圖像處理課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)集合為一體，我們提出一種方案：把Matlab等包含圖像處理操作的數(shù)值軟件直接作為實(shí)驗(yàn)軟件或者開發(fā)出基于Matlab平臺(tái)的圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。

（1）將Matlab引入到數(shù)字圖像處理的教學(xué)實(shí)踐中，通過模擬演示，讓抽象問題具體生動(dòng)，保證了教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的同步進(jìn)行。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果證明，Matlab的應(yīng)用極大程度上提高了教學(xué)的效率，凝聚了學(xué)生們的觀察能力，積極擴(kuò)展了學(xué)生們的思維方式和思維空間，取得了良好的教學(xué)效果。

（2）在編程實(shí)踐的過程中，可以比較容易地掌握使用Matlab進(jìn)行圖像處理的方法，且能夠根據(jù)數(shù)字圖像處理的基本原理很快地掌握其經(jīng)典算法。原因是：二維數(shù)據(jù)矩陣是數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中的表現(xiàn)形式，而Matlab中包括極強(qiáng)的圖像處理工具和矩陣計(jì)算功能，能夠節(jié)省編程過程，使得在圖像處理方面的效率高于使用其他語(yǔ)言。

另外，隨著Matlab在高等教學(xué)過程中普及程度提高，學(xué)生在進(jìn)行相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)過程中就已經(jīng)接觸過Matlab語(yǔ)言，并具有一定編程能力，因此在學(xué)習(xí)Matlab數(shù)字圖像處理工具箱中的函數(shù)時(shí)相對(duì)較容易。

2 圖像各種算法的教學(xué)實(shí)踐

（1）圖像基本運(yùn)算是圖像預(yù)處理中將要采用的一些基本運(yùn)算，包括圖像的點(diǎn)運(yùn)算、代數(shù)運(yùn)算、幾何運(yùn)算，其中圖像的點(diǎn)運(yùn)算有灰度直方圖、灰度的線性變換、灰度的窗口變換、灰度拉伸、灰度均衡;圖像的代數(shù)運(yùn)算有加法、減法、乘法、除法;圖像的幾何運(yùn)算有平移、縮放、旋轉(zhuǎn)。

例如：圖像的旋轉(zhuǎn)是指使圖像做某一角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。在講述完圖像旋轉(zhuǎn)的算法之后，希望能夠讓學(xué)生能夠更為直觀的了解旋轉(zhuǎn)之后的結(jié)果，因而完成Matlab的算法實(shí)現(xiàn)。

在Matlab中，圖像旋轉(zhuǎn)的函數(shù)是imrotate，該函數(shù)需要調(diào)用圖像插值算法，對(duì)旋轉(zhuǎn)后的圖像進(jìn)行插值。圖1為圖像采用不同插值算法后的旋轉(zhuǎn)示例。左上圖為原圖像，右上圖為使用bicubic插值方法順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45€暗玫降耐枷瘢笙巒枷裎猚rop方式顯示旋轉(zhuǎn)后的圖像，右下圖像為使用loose方式顯示旋轉(zhuǎn)后的圖像，讓學(xué)生直觀體會(huì)旋轉(zhuǎn)之后的效果。

（2）圖像增強(qiáng)和復(fù)原可以提高圖像的質(zhì)量，例如去除噪音，提高圖像的對(duì)比度等。圖像增強(qiáng)用以改善供人觀看的圖像的主觀質(zhì)量，它存在空域增強(qiáng)與頻域增強(qiáng)方法，空域增強(qiáng)包括圖像灰度變換、直方圖修改、圖像平滑濾波、圖像銳化濾波實(shí)施方法，頻域?yàn)V波增強(qiáng)可采用低通濾波、高通濾波;圖像復(fù)原過程要找到圖像質(zhì)量下降的原因，想辦法消除它，使圖像恢復(fù)原樣，在圖像復(fù)原中有維納濾波復(fù)原和約束最小二乘方復(fù)原，例如：直方圖均衡化是指將一幅圖像的像素值均勻地分布在圖像的各個(gè)區(qū)間上，從而使圖像的視覺效果得到改善。在講述完直方圖均衡化的算法之后，希望能夠讓學(xué)生能夠更為直觀的了解均衡化之后的結(jié)果，因而完成Matlab的算法實(shí)現(xiàn)。

在Matlab中，用于直方圖均衡化的函數(shù)是histeq，它的調(diào)用方法如下所示：J=histeq（I）

其中I指輸入原圖像，J指的是直方圖均衡后圖像。圖2為直方圖均衡化的示例。左上圖是原圖像，右上圖為均衡圖像，其下方圖均為其對(duì)應(yīng)直方圖，可見執(zhí)行這個(gè)程序會(huì)發(fā)現(xiàn)直方圖均衡化后的圖像對(duì)比度更高，其直方圖分布也更加均勻。讓學(xué)生能充分了解直方圖均衡化的優(yōu)點(diǎn)和結(jié)果。

（3）圖像壓縮可以把原來較大的圖像用較小的字節(jié)進(jìn)行傳輸，同時(shí)要求復(fù)原后圖像可以有較好的品質(zhì)。利用圖像壓縮，能夠減輕圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，可以使圖像快速傳輸和實(shí)時(shí)處理。

例：在闡述完各種壓縮算法后，做一個(gè)綜合的Jpeg壓縮算法的演示，如圖3，4所示。演示結(jié)論：當(dāng)圖像細(xì)節(jié)較少，灰度范圍窄，內(nèi)容排列比較整齊時(shí)，壓縮比會(huì)比較高，而當(dāng)圖像細(xì)節(jié)比較豐富，灰度范圍廣，內(nèi)容比較無序時(shí)，壓縮比會(huì)顯著降低。因?yàn)閳D像壓縮可以減少像素間冗余，而圖3中圖像細(xì)節(jié)較少，像素之間相關(guān)性大，故壓縮的空間大;而圖4中圖像細(xì)節(jié)豐富，像素之間相關(guān)性小，故壓縮比也小。讓學(xué)生能夠直觀地了解圖像壓縮之后的效果。

3 總結(jié)

高校進(jìn)行教育的最終目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、符合社會(huì)發(fā)展需要的實(shí)用型人才，著重培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新能力和實(shí)際應(yīng)用能力。因此，應(yīng)用能力的培養(yǎng)是課程教學(xué)的主要目標(biāo)之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，學(xué)生們準(zhǔn)確全面掌握該課程的經(jīng)典算法、基本原理，特別重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)編程、仿真的實(shí)踐實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。學(xué)生們通過自己上機(jī)實(shí)驗(yàn)，能夠提高自己進(jìn)行編程的能力，增加對(duì)數(shù)字圖像處理過程的了解，加深相關(guān)理論知識(shí)的理解。由此可知，實(shí)踐教學(xué)的過程是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)，也可以提高學(xué)生在處理實(shí)際問題中的創(chuàng)新能力。

項(xiàng)目：2013年承接湖北省教研項(xiàng)目《學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和研究》，項(xiàng)目編號(hào)：2013281

參考文獻(xiàn)

[1] [美]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理（MATLAB版）[M].阮秋琦等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3] 吳欣慧，楊軍平，李靜.數(shù)字圖像處理課程實(shí)踐教學(xué)的探索與應(yīng)用[J].職業(yè)時(shí)空，2010（4）.

[4] 李熙瑩.“數(shù)字圖像處理”課程設(shè)計(jì)與學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2008（8）.