李志欣 　卓亞琦

[摘 要]在數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入OpenCV，具有其合理性和必要性。OpenCV處理圖像的應(yīng)用于圖像變換和圖像邊緣檢測。將OpenCV引入數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既能簡化圖像處理的編程，又能切實(shí)地提高學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生深入理解圖像處理的基礎(chǔ)理論和典型算法，獲得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字圖像處理 OpenCV 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 項(xiàng)目教學(xué)

[中圖分類號] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）09-0042-02

一、引言

目前，大多數(shù)高校的數(shù)字圖像處理課程都是在引入Matlab集成的工具箱及其自帶函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1]。由于Matlab程序的移植性較差，學(xué)生學(xué)習(xí)完成后不能直接面對實(shí)際的軟件開發(fā)和應(yīng)用，難以真正提高學(xué)生的工程實(shí)踐動手能力。

為了讓學(xué)生既能掌握基本理論和技術(shù)，又能較容易編寫算法的程序，我們在數(shù)字圖像處理的教學(xué)中引入了開源的計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV（Open Source Computer Vision Library）。該軟件是以C 函數(shù)和C++類的形式實(shí)現(xiàn)大量圖像處理算法，學(xué)生可以方便地利用OpenCV 進(jìn)行圖像處理算法的編程和驗(yàn)證，進(jìn)而在VC中開發(fā)功能更強(qiáng)大的應(yīng)用程序。相對于Matlab而言，學(xué)生不僅可以利用OpenCV 開放的源代碼，以函數(shù)進(jìn)行圖像處理，而且可以查看算法的代碼實(shí)現(xiàn)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的編程能力[2]。

二、OpenCV概述

OpenCV是Intel公司資助的面向廣大研究人員和學(xué)生的開源計(jì)算機(jī)視覺庫，它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面很多通用算法，同時提供了MatLab等語言的接口，因此極大地方便了圖像處理和視頻技術(shù)的二次開發(fā)[3]。

OpenCV主要包含六大模塊，其具體功能分別是[3]：（1） CV模塊：包含基本的圖形處理函數(shù)和高級的計(jì)算機(jī)視覺算法；（2） CVAUX模塊：包含輔助的OpenCV函數(shù)，一般存放一些被淘汰的算法和函數(shù)，同時也包含一些新出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)性的算法和函數(shù)；（3） CXCORE模塊：包含OpenCV的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和線性代數(shù)支持；（4） HIGHGUI模塊包含圖像和視頻的界面函數(shù)；（5） ML模塊：包含一些基于統(tǒng)計(jì)的分類和聚類工具，模式識別算法和回歸分析等；（6） CVCAM模塊：負(fù)責(zé)讀取攝像頭數(shù)據(jù)的模塊。

利用OpenCV進(jìn)行程序開發(fā)具有以下幾個特點(diǎn)[4]：（1） 獨(dú)立性。OpenCV中大量的函數(shù)和類庫既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以在加入其它外部庫的情況下運(yùn)行；（2） 跨平臺性。構(gòu)成OpenCV的API函數(shù)具有跨平臺性，不僅能很好的支持各種不同的操作系統(tǒng)，也可以很好地在不同公司的C/C++編譯器下工作；（3） 功能強(qiáng)大。OpenCV包含了線性表、樹、圖等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也包含圖像濾波、邊緣檢測和數(shù)字形態(tài)學(xué)等數(shù)字圖像處理的基本操作以及一些圖像高級處理功能；（4） 高效性。OpenCV的算法都是基于動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用Intel處理器指令集開發(fā)的優(yōu)化代碼，運(yùn)行速度快，處理效率高；（5） 開放性。OpenCV的源代碼是開放的，程序設(shè)計(jì)者可以直接修改它的源代碼，也可以將新的函數(shù)或類集成到它的庫中。

三、數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)的有效輔助，對于數(shù)字圖像處理這類實(shí)踐性很強(qiáng)的課程就更加重要。通過閱讀和調(diào)試算法源代碼、體驗(yàn)算法的處理效果，學(xué)生可以加深對基礎(chǔ)理論的理解。根據(jù)理論教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，我們設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個項(xiàng)目都要求學(xué)生運(yùn)用OpenCV和Visual C++編程語言框架來編寫數(shù)字圖像處理基本算法。

項(xiàng)目教學(xué)法是針對課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一系列學(xué)習(xí)單元項(xiàng)目，項(xiàng)目設(shè)計(jì)圍繞著具有典型性、啟發(fā)性的關(guān)鍵問題，學(xué)生通過參與項(xiàng)目完成的全過程實(shí)現(xiàn)對課程內(nèi)容系統(tǒng)而深入的掌握[5]。項(xiàng)目教學(xué)法真正實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心、以教學(xué)目標(biāo)為中心，實(shí)現(xiàn)理論方法學(xué)習(xí)與實(shí)踐動手能力培養(yǎng)的緊密結(jié)合。

本文基于項(xiàng)目教學(xué)法的研究，針對“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，并結(jié)合教學(xué)大綱與教學(xué)目標(biāo)要求，同時參考國外大學(xué)的相關(guān)課程，設(shè)置了以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1） 圖像變換。

（2） 圖像直方圖均衡化。

（3） 頻域圖像增強(qiáng)。

（4） 圖像邊緣檢測。

（5） 圖像分割。

（6） 人臉檢測。

通常，學(xué)生完成一個項(xiàng)目需要4個過程[6]：（1） 項(xiàng)目原理分析；（2） 項(xiàng)目具體流程設(shè)計(jì)；（3） 基于OpenCV的軟件設(shè)計(jì)；（4） 結(jié)果展示與分析。以上每個階段都要求學(xué)生提交階段報(bào)告，根據(jù)學(xué)生報(bào)告反映出的問題，老師有針對性地進(jìn)行指導(dǎo)，在解決問題中幫助學(xué)生真正掌握所學(xué)的知識，并提高動手能力。在項(xiàng)目法教學(xué)過程中，我們特別要注意克服項(xiàng)目無法完全覆蓋全部知識點(diǎn)的局限，因此，要在項(xiàng)目選擇與設(shè)計(jì)中綜合考慮，并結(jié)合項(xiàng)目原理研究建立對教學(xué)體系框架和全部知識點(diǎn)的整體把握。

四、OpenCV處理圖像的應(yīng)用實(shí)例

（一）圖像變換

OpenCV提供多個圖像變換函數(shù)。函數(shù)cvWarpAffine利用指定的矩陣對輸入圖像進(jìn)行仿射變換，這類變換可以用一個3×3的矩陣來表示，其最后一行為（0， 0， 1）。典型的仿射變換包括平移變換、縮放變換、剪切變換、旋轉(zhuǎn)變換等。此外，函數(shù)cvWarpPerspective對圖像進(jìn)行透視變換，函數(shù)cvLogPolar將圖像從直角坐標(biāo)映射到極坐標(biāo)，核心代碼如下：

IplImage* dst = cvCreateImage（ cvSize（256，256）， 8， 3 ）；

cvLogPolar（ src， dst， cvPoint2D32f（src->width/2，src->height/2）， 40 ）；

圖1給出了圖像映射到極坐標(biāo)的結(jié)果實(shí)例。

（二）圖像邊緣檢測

圖像的邊緣是圖像最基本的特征，是灰度不連續(xù)的結(jié)果，因而邊緣檢測是圖像處理中的重要問題。OpenCV提供了cvSobel函數(shù)、cvLaplace函數(shù)和cvCanny等函數(shù)進(jìn)行邊緣檢測，下面以cvLaplace函數(shù)進(jìn)行舉例，其邊緣檢測的代碼為：

IplImage *result_img = cvCreateImage（cvSize（img->width， img->height）， IPL_DEPTH_8U， 1）；

cvLaplace （img， result_img）；

cvNamedWindow（“Result”， 0）；

cvShowImage（“Result”， result_img）；

第一句是創(chuàng)建一幅與原始圖像img同樣大小的通道數(shù)為1的圖像result_img；第二句是使用Laplace算子對圖像進(jìn)行邊緣檢測，并將結(jié)果存放在result_img中，后面兩句是在窗口中顯示result_img。程序的處理結(jié)果如圖2 所示。

五、結(jié)束語

OpenCV中的函數(shù)幾乎能夠覆蓋到所有的數(shù)字圖像處理的基本功能，而且其代碼又是免費(fèi)的和開放的。實(shí)踐證明，通過將OpenCV引入數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既能簡化圖像處理的編程，又能切實(shí)地提高學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生深入理解圖像處理的基礎(chǔ)理論和典型算法，獲得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 趙敏.Matlab用于數(shù)字圖像處理的教學(xué)實(shí)踐研究[J].電腦知識與技術(shù)，2012，8（31）：7539–7540.

[2] 李樹濤，胡秋偉.OpenCV在“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（6）：26–28.

[3] 劉瑞禎，于仕琪.OpenCV教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4] 方玫.OpenCV技術(shù)在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用[J].北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，6（1）：7–11.

[5] 郭艷光，趙希武.在高等計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法的探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2008，（6）：48–49.

[6] 何楚，馮倩，楊芳等.數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育，2011，（18）：74–77.

[責(zé)任編輯：戴禎杰]