仿真應(yīng)用于職教師資電子專業(yè)實驗教學(xué)的創(chuàng)新實踐

何偉剛　章帆　覃金飛　吳其琦

[摘 要] 為提高職教師資電子專業(yè)實驗教學(xué)質(zhì)量，針對實驗教學(xué)方式中內(nèi)容枯燥、難于理解、實驗設(shè)備有限等弊端，提出了將計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于職教師資電子專業(yè)實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，并結(jié)合具體的圖像信號處理實例，對受到噪聲干擾的圖像進(jìn)行濾波去除噪音仿真實驗。通過實踐表明，適時運用仿真技術(shù)，既豐富了實驗教學(xué)手段，使抽象的實驗教學(xué)變得形象直觀，又提高了職教專業(yè)學(xué)生實驗教學(xué)的綜合效果。

[關(guān) 鍵 詞] 仿真技術(shù)；信號處理；實踐教學(xué)；教育方式

[中圖分類號] G715 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）27-0038-02

一、引言

職教師資電子專業(yè)不僅需要基礎(chǔ)理論知識，也需要相應(yīng)的電子實踐經(jīng)驗，而且還要求利用知識解決實際問題，由于資金短缺，設(shè)備的升級比較緩慢，實驗設(shè)備硬件具有局限性，而且該專業(yè)課程數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、理論性強，實驗計算工作量大，導(dǎo)致計算復(fù)雜，難以理解。

本文以職教師資電子專業(yè)圖像信號處理實驗課程為例，根據(jù)本課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，在闡述圖像信號處理內(nèi)容特點的基礎(chǔ)上，與仿真模擬實踐環(huán)節(jié)聯(lián)系到一起，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)深度結(jié)合，采用MATLAB軟件實現(xiàn)不同濾波法的去除噪音仿真實驗。對比多種濾波方式，比較得出各種濾波方式在進(jìn)行圖像濾波去噪時的優(yōu)勢和劣勢。讓學(xué)生直面實驗?zāi)繕?biāo)，并引導(dǎo)本科生進(jìn)入實驗項目中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力。

二、實驗原理

人們根據(jù)實際圖像的特點、噪聲的統(tǒng)計特征和頻譜分布規(guī)律，發(fā)展了各式各樣的去噪方法，主要有：（1）均值濾波；（2）維納濾波；（3）高斯濾波器；（4）中值濾波；（5）自適應(yīng)中值濾波。

均值濾波，其過程是使一個窗口在圖像上滑動，窗口中心位置的值用窗內(nèi)各點值的平均值來代替，即用幾個像素的灰度平均值代替一個像素的灰度。

維納濾波是一種經(jīng)典的線性降噪濾波器，它是一種自適應(yīng)濾波，是指使復(fù)原圖像與原圖像之間的均方誤差最小的濾波器。對圖像進(jìn)行維納濾波主要是為了消除圖像中存在的噪聲，該濾波器可根據(jù)局部圖像的差異調(diào)整該濾波器的參數(shù)。

高斯濾波器是響應(yīng)脈沖為高斯形狀的濾波器，對于圖像來說，高斯濾波器是利用高斯核的一個二維的卷積算子，這個過濾器的過濾結(jié)果就是每個像素的值變成窗內(nèi)鄰居像素的加權(quán)和。

中值濾波是首先確定一個以某個像素為中心點的領(lǐng)域，一般為方形領(lǐng)域，然后將領(lǐng)域中各像素的灰度值進(jìn)行排序，取中間值作為中心像素灰度的新值，這里的領(lǐng)域通常被稱為窗口；當(dāng)窗口在圖像中上下左右進(jìn)行移動后，利用中值濾波算法可以很好地對圖像進(jìn)行平滑處理。

自適應(yīng)中值濾波采用變換窗口大小的方法，在中值算法中加入一個判斷操作，判斷窗口內(nèi)的像素中值及濾波處的像點灰度是否為脈沖噪聲，并分別處理。學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容的同時，可以增強理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

三、仿真設(shè)計

在計算機圖像處理中，在理論上是一個二維連續(xù)函數(shù)，首先是在空間和亮度上進(jìn)行數(shù)字化處理，如，圖像的采樣和量化，得到一個離散的數(shù)字圖像，形成m×n個樣本，簡單直觀地描述數(shù)字圖像矩陣。而MATLAB的強項是矩陣，MATLAB軟件也有不同應(yīng)用領(lǐng)域的圖像處理工具箱。工具箱具有一系列圖像處理操作的支持功能，圖像處理可以通過濾波器設(shè)計完成。為了驗證各種濾波的有效性，在MATLAB仿真實驗環(huán)境下對原始的被噪音干擾圖片進(jìn)行分析處理。這里選用從煤礦井下視頻圖像上截取的5幅有噪音圖像作為移動模板。以均值濾波、維納濾波、高斯濾波、中值濾波、自適應(yīng)中值濾波算法為例，結(jié)合MATLAB圖像處理工具箱的函數(shù)，可以直觀地觀察不同濾波法對于火電廠圖像的處理效果，為圖像處理工作節(jié)省時間和精力，從而提高圖像處理的工作效率。

由圖1可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，整體灰度對比度偏差，在經(jīng)過均值濾波后，噪聲引起圖像上的白點減少，圖像對比度有所提高。但同時圖像的細(xì)節(jié)銳化程度相應(yīng)降低，圖像變得模糊起來，如圖2。

由圖3可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，整體灰度偏暗，在經(jīng)過維納濾波處理以后圖像整體亮度有所改善，噪聲引起圖像上的白點減少，對比后可看出維納濾波器能有效去噪也能保留合適的對比度，如圖4。

由圖5可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，對比度偏差，在經(jīng)過高斯濾波處理以后能在一定程度上去噪，圖像上的白點減少，圖像對比度提高，如圖6。

由圖7可以看出，原圖像噪聲引起的白點多，整體灰度偏暗，在經(jīng)過中值濾波處理以后噪聲引起圖像上的白點減少，圖像整體亮度有所改善，如圖8。中值濾波能濾除圖像中相對較小的噪聲，但因為該算法的窗口尺寸一經(jīng)選定，即對所有像素均采用同一模板進(jìn)行處理，所以無論窗口范圍內(nèi)噪聲點或大或小，都會導(dǎo)致圖像模糊。當(dāng)圖像噪聲密度較大，有很多彼此靠近的噪聲點時，標(biāo)準(zhǔn)的中值濾波效果較差。

由圖9可以看出，原圖像噪聲引起圖像上的白點多，整體對比度偏差，在經(jīng)過自適應(yīng)中值濾波以后圖像對比度提高，圖像上的白點減少，如圖10。

比較以上采用不同濾波器進(jìn)行濾波處理的結(jié)果可知，均值濾波器的特點是計算速度快，算法簡單。但其缺點是會使得圖像產(chǎn)生一定程度的模糊。對于圖像模糊的問題，教師需要選擇領(lǐng)域的方向、現(xiàn)狀和大小，選擇領(lǐng)域各點的權(quán)重系數(shù)及領(lǐng)域參加平均的點數(shù)等。維納濾波方法的特點是能較好保留圖像的邊緣部分和其他高頻部分，但是計算量較大。中值濾波的特點是，實時性好、可靠性高及算法簡單，可以保護(hù)圖像的邊緣信息，同時又除去圖像中的噪聲，實用價值較高。自適應(yīng)中值濾波器能夠處理具有更大概率的沖激噪聲，平滑非沖激噪聲，在有效去除噪聲的基礎(chǔ)上又較好地還原了部分圖像的細(xì)節(jié)，圖像相對變得清晰些，圖像對比度較好，這是一般的濾波器做不到的。為使火電廠監(jiān)控圖像質(zhì)量得到提高，對比度更好，視覺效果更好，從而達(dá)到煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)對圖像質(zhì)量的要求，教師要根據(jù)煤礦井下監(jiān)控圖像受到干擾的噪音特點，結(jié)合各種濾波器使用條件來對煤礦監(jiān)控圖像進(jìn)行處理。

四、結(jié)論

基于職業(yè)教師電子專業(yè)課程知識結(jié)構(gòu)形成的學(xué)科性強、抽象、難以理解的特點。利用信號處理技術(shù)仿真圖像，可以使仿真技術(shù)開發(fā)利用具有典型意義。使用計算機仿真可以活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有很好教學(xué)效果，學(xué)生對圖像信號處理的相關(guān)理論能有更深的理解，能提高學(xué)生的模擬實踐能力。同時，對學(xué)生掌握各種信息的采集、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)，熟練使用仿真分析工具有重要意義，也使常用的圖像信號處理系統(tǒng)的開發(fā)工具，具有較強的工程設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用能力。

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