基于Matlab GUI的圖像處理平臺設(shè)計

蘭 紅， 田 進， 李淑芝， 劉立輝

（江西理工大學信息工程學院，江西 贛州341000）

0 引 言

隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)擁有很多成熟的算法[1]，并且許多算法在Matlab中都已經(jīng)實現(xiàn)并形成了圖像處理工具箱[2-3].但這些實現(xiàn)了的算法在圖像處理工具箱中以圖像處理函數(shù)的形式存在，專業(yè)人士在使用時需要查找Matlab使用手冊，而非專業(yè)人士需要經(jīng)過專業(yè)的培訓才能學會使用.隨著成像設(shè)備的不斷升級和圖像處理在各個領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛，人們對圖像處理技術(shù)的要求也越來越高，單一的算法已經(jīng)不能滿足圖像在航空航天、生物工程、醫(yī)藥圖像、軍事公安以及道路交通等領(lǐng)域的需求.為此擺在研究人員面前的課題不僅是要開展新算法的研究，還有如何對已有算法的集成和綜合利用[4-7].圖像處理一體化平臺設(shè)計主要考慮四個方面：首先，對圖像處理工具箱中常用的獨立算法進行集成，方便用戶在同一平臺內(nèi)使用；其次，設(shè)計不同算法對同一圖像的連續(xù)多次處理，提高平臺對圖像的處理能力；第三，由于每種算法有其適用領(lǐng)域和算法自身的局限性，因而構(gòu)建可視化交互式圖像處理平臺必不可少；第四，數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷的發(fā)展，新的算法會不斷涌現(xiàn)，提供可二次開發(fā)和集成的圖像處理平臺具有重要意義.

利用M atlab GUI實現(xiàn)圖像處理一體化平臺設(shè)計可以充分發(fā)揮M atlab在圖形可視化方面的特性[8].M atlab不僅擁有高性能數(shù)值計算能力，而且能夠開發(fā)出界面友好、使用方便的圖形界面，在系統(tǒng)仿真和圖像處理模型研究中具有廣泛的應(yīng)用[9-11].平臺設(shè)計中充分利用了M atlab的各種圖形對象如按鈕、文本框、菜單、圖軸等控件，通過鼠標拖入控件來創(chuàng)建控件對象，編寫相應(yīng)回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)平臺的算法集成和交互可視化功能，為用戶有效利用多種方法進行圖像處理提供了便利.

1 GUI圖像處理平臺的總體設(shè)計和布局

圖像處理平臺設(shè)計的目的是能夠?qū)D像處理的各個獨立算法集成到一個平臺內(nèi)，方便用戶選用多種方法對圖像進行處理.平臺基于M atlab GUI設(shè)計，實現(xiàn)圖像處理過程的交互和可視化，并為用戶二次開發(fā)提供平臺接口，提高圖像處理算法的綜合利用效率.

1.1 平臺總體功能設(shè)計

根據(jù)一體化的設(shè)計思想，平臺主要實現(xiàn)算法集成、交互可視化和提供二次開發(fā)接口等功能.其中算法集成分為已有算法集成和新算法集成.具體功能描述如下：

（1）已有算法集成是對M atlab圖像處理工具包中提供的算法進行集成，可以通過使用函數(shù)名加參數(shù)的方式直接調(diào)用.依據(jù)功能進行分類，將同類算法集成到同一菜單項內(nèi)，如將傅里葉變換、小波變換、離散變換等算法歸類到圖像變換中，進行集成.

（2）新算法集成是指對自主開發(fā)的算法進行集成，如改進水平集算法[12]、交互式圖割算法[13]、細胞自動機分割算法[14]等均為自主開發(fā)的圖像分割算法，同已有算法集成方式類似，集成到平臺中，便于綜合運用和算法分析與對比.

（3）交互式可視化是指對圖像處理過程及結(jié)果的可視化顯示，并提供用戶交互區(qū).

（4）二次開發(fā)接口是指通過調(diào)用集成模板方式，為用戶提供一個將自己算法集成到平臺中的一個接口.

1.2 總體布局設(shè)計

一個高性能的圖像處理平臺應(yīng)該為用戶提供方便快捷的操作.平臺設(shè)計中通過菜單和按鈕實現(xiàn)快捷操作，其中菜單項提供平臺的整體功能，快捷按鈕顯示具體的獨立功能.圖像處理平臺的布局設(shè)計如圖1所示.利用M atlab GUI提供的工具包和底層代碼，可以實現(xiàn)菜單功能區(qū)、快捷按鈕功能區(qū)、DEMO顯示區(qū)、可視化效果顯示區(qū)和用戶交互區(qū)的布局設(shè)計.

圖1 布局圖

1.2.1 菜單功能區(qū)設(shè)計

菜單功能區(qū)用于顯示平臺的整體功能，如圖1中上面一行標記的各菜單項.平臺設(shè)計的菜單功能區(qū)包括文件操作、圖像增強、圖像變換、圖像恢復(fù)、圖像分割和幫助菜單等.菜單功能區(qū)的設(shè)計主要通過M atlab提供的菜單項組件來實現(xiàn)，包括具體菜單項標題的設(shè)定和相應(yīng)的事件處理.

（1）設(shè)計菜單欄的整體布局，調(diào)用Menu editor編輯菜單項.方法如下：

%清空原有的菜單項

set（gcf,′menubar′,′none′）;

%設(shè)置“文件”菜單項

file=uimenu（gcf,′Label′,′文件′）;

%設(shè)置“圖像變換”菜單項

change=uimenu（gcf,′Label′,′圖像變換′）;

%設(shè)置“help”菜單項 help=uimenu（gcf,′Label′,′help′）.

（2）設(shè)計菜單項的屬性，提供快捷鍵操作.快捷鍵設(shè)置可以方便用戶使用鍵盤操作菜單，利用Menubar定義快捷鍵.平臺中定義ctrl+O代表文件菜單的快捷鍵，ctrl+Q代表圖像變換的快捷鍵，F(xiàn)1代表help幫助的快捷鍵，避免與其他常用快捷鍵的沖突.

（3）設(shè)計菜單項對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，將菜單項和回調(diào)函數(shù)建立關(guān)聯(lián)，關(guān)鍵步驟的設(shè)計代碼：

%創(chuàng)建文件菜單的子菜單‘打開’:open=uimenu（file,′Label′,′打開′）;%創(chuàng)建’打開’子菜單的菜單項’加載圖像’，設(shè)置調(diào)用函數(shù)interface,設(shè)定其參數(shù)列表,如：

loading=uimenu （open,′Label′,′加 載 圖 像 ′,′callback′,

′interface（′′loadImage_Callback′′,gcbo,[],guidata（gcbo））′）;%此處將菜單項‘加載圖像’和調(diào)用函數(shù)’loadimage_callback’進行關(guān)聯(lián)，其中l(wèi)oadimage是自定義函數(shù)

%設(shè)置退出菜單項，直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)exit，實現(xiàn)退出系統(tǒng)功能

exit=uimenu （file,′Label′,′退 出 ′,′Callback′,′exit′）.

1.2.2 快捷按鈕功能區(qū)和用戶交互按鈕區(qū)設(shè)計

平臺設(shè)計的按鈕包括算法對應(yīng)的快捷按鈕和用戶交互按鈕，分別設(shè)置在圖1中的“快捷按鈕功能區(qū)”和“用戶交互區(qū)”中.算法對應(yīng)的快捷按鈕方便用戶直接選擇各種圖像處理算法；用戶交互按鈕則便于用戶對圖像處理過程或結(jié)果進行干預(yù)與操作，從而使圖像處理結(jié)果更好的滿足用戶需求.

按鈕設(shè)計通過M atlab按鈕組件來實現(xiàn)，具體設(shè)置包括三步：

首先，利用菜單欄工具Align objects設(shè)計按鈕布局，包括按鈕的大小、樣式設(shè)計和按鈕間的間隔等.設(shè)計中考慮了動態(tài)添加的效果，即添加新算法時，如果選擇添加快捷按鈕，按鈕功能區(qū)會自動尋找最后一個按鈕所在的位置，按順序添加，當一行顯示不下時可自動實現(xiàn)換行.

其次，設(shè)計按鈕的屬性和特效.平臺中“快捷按鈕功能區(qū)”的按鈕實現(xiàn)了背景圖片添加和懸浮特效，懸浮的設(shè)計主要用于提示按鈕的功能，當鼠標停留在按鈕上時，懸浮的文字顯示按鈕所對應(yīng)的算法.對按鈕設(shè)置背景圖片，需首先讀取圖片信息：

a1=imread（′2.jpg′）;%將圖像 2.jpg 的信息用變量a1存儲.

然后將圖片信息設(shè)置到按鈕上：set（handles.pushbutton3,′CData′,a1）;%設(shè)置按鈕 pushbutton3 的背景為a1圖像.

再利用tooltipstring設(shè)置按鈕文字的懸浮效果：set （handles.pushbutton3,′tooltipstring′,′線性平滑濾波’）；%設(shè)置按鈕pushbutton3上的文字 ‘線性平滑濾波’為懸浮效果.

第三，設(shè)計按鈕對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)按鈕事件的響應(yīng).

set（handles.pushbutton3,callback′,

′interface （′′pushbutton3_fft_Callback′′,gcbo,[],guidata（gcbo））′）;%此處將按鈕‘pushbutton3 和調(diào)用函數(shù) ′pushbutton3_fft_callback′建立關(guān)聯(lián)，其中fft指傅里葉變換算法.

1.2.3 DEMO顯示區(qū)和可視化效果顯示區(qū)設(shè)計

平臺設(shè)計將M atlab圖像處理算法中的多個Figure顯示融為一體，便于用戶更好的使用.平臺設(shè)計了DEMO演示區(qū)和可視化顯示區(qū)，如圖1中標示的兩個主要矩形區(qū)域.用戶在圖像處理過程中，所選擇的初始圖像和圖像處理的中間過程及結(jié)果都可以在DEMO演示區(qū)和可視化顯示區(qū)中顯示.兩個顯示區(qū)采用分裂窗體設(shè)計，利用坐標軸控制效果顯示區(qū)的大小和范圍.

菜單功能項和快捷按鈕功能區(qū)提供用戶選擇的圖像處理算法，平臺中已集成的算法樣例可以通過按鈕或菜單項選擇在DEMO區(qū)進行演示；可視化效果展示區(qū)由坐標軸定義，每個子區(qū)域都對應(yīng)不同的坐標軸.處理過程和結(jié)果在指定坐標軸中顯示，通過用戶交互區(qū)的操作按鈕可實現(xiàn)圖像的交互式處理.

2 算法集成與交互設(shè)計的技術(shù)實現(xiàn)

算法集成是平臺的核心，包括對已有算法的集成和二次開發(fā)接口的設(shè)計，利用M atlab底層代碼開發(fā)技術(shù)實現(xiàn).過程可視化和用戶交互設(shè)計是平臺提供的另一主要功能，允許用戶對待處理圖像進行初始輪廓設(shè)置和中間過程的干預(yù)，直至達到滿意效果.

2.1 M atlab圖像處理工具包的算法集成

平臺首先對M atlab圖像處理工具箱中的已有算法進行集成.為了使平臺設(shè)計的系統(tǒng)程序具有良好的可讀性和移植性，首先對已有的圖像處理算法進行了歸類.歸類的依據(jù)是根據(jù)圖像處理的算法性質(zhì)，如圖像變換、圖像增強、圖像恢復(fù)等進行分類，每一類對應(yīng)一個菜單項，每一類的具體算法對應(yīng)一個菜單子項.已有算法集成和歸類的主要設(shè)計思想包括三步：

Step1，歸類算法函數(shù)定義.將算法進行歸類，同一類算法建立一個類文件.平臺設(shè)計中將傅里葉變換、小波變換、離散變換等算法歸類為“圖像變換”，命名該類名為image_transformation，對應(yīng)菜單項中的“圖像變換”和三個快捷按鈕組件.M atlab自動生成包含按鈕組件的image_transformation（）函數(shù)及其初始化結(jié)構(gòu)代碼.

Step2，菜單按鈕事件集成.image_transformation（）函數(shù)中，組件標識和事件處理分別用Tag和callback屬性來定義，每個組件對應(yīng)自己的callback函數(shù).如設(shè)傅里葉變換的按鈕為pushbutton3_fft，其對應(yīng)的callback函數(shù)結(jié)構(gòu)為 function varargout= pushbutton3_fft_callback（hObject,eventdata,handles），該函數(shù)為一個接口程序，將要集成的算法填寫在該函數(shù)下，即可實現(xiàn)算法集成.傅里葉變換算法fftshift集成的格式如下：

Function varargout =image_transformation（varargin）%定義圖像變換菜單項

Gui_callback=varargin（1） ;%GUI_callback 處理變換函數(shù)的調(diào)用

Function varargout=pushbutton3_fft_callback（）%傅里葉變換的callback函數(shù)

M=fftshift（fft2（image）） ;%對圖像進行傅里葉變換

Axes（handles.axesl）;%設(shè)置顯示區(qū)域的坐標軸Imshow（M）;//顯示傅里葉變換結(jié)果.

Step3，圖像顯示設(shè)置.要使集成算法處理的圖像在“DEMO區(qū)”或“可視化效果顯示區(qū)”中顯示，需要調(diào)用坐標軸函數(shù)Axes（）指定具體的坐標軸.平臺設(shè)計中將fft算法的圖像處理結(jié)果顯示在坐標軸1中，則Axes的參數(shù)是handles.axes1.

利用以上集成方法，將M atlab圖像處理工具包中的常用算法集成到了平臺中.

2.2 用戶交互區(qū)設(shè)計實現(xiàn)

平臺的顯示區(qū)包括DEMO演示區(qū)、可視化顯示區(qū)和用戶交互區(qū).其中圖像選擇和圖像處理過程及結(jié)果分別在DEMO演示區(qū)和可視化顯示區(qū)顯示，兩個顯示區(qū)采用分裂窗體設(shè)計，利用坐標軸控制效果顯示區(qū)的大小和范圍；用戶交互區(qū)用于用戶對圖像處理的過程或結(jié)果進行干預(yù)，使圖像處理的結(jié)果更加精確.

（1）DEMO演示區(qū)將圖像處理過程做成矩陣，通過矩陣變換，以動態(tài)切換的形式將其在DEMO演示區(qū)的坐標軸中顯示出來.用于演示圖像處理平臺的算法運行效果，動態(tài)切換使用movie（參數(shù)：矩陣）函數(shù)實現(xiàn)播放.

（2）可視化顯示區(qū)將坐標軸作為處理用戶交互和圖像處理結(jié)果顯示的工作平臺.記錄圖像處理過的過程和結(jié)果，即將坐標軸中變化的過程存儲在一個矩陣中.在處理結(jié)束后能夠通過矩陣的變化，將處理過程再次顯示出來，實現(xiàn)平臺交互式可視化的特點.在M atlab GUI設(shè)計平臺中使用moviein（）函數(shù)和 getframe（）函數(shù).getframe（）函數(shù)獲取坐標軸內(nèi)的變化，moviein（）函數(shù)記錄變化，并將變化保存在矩陣中.

（3）用戶交互區(qū)將用戶操作按鈕歸類，將一個完整的操作分為若干個子操作，使用戶看到具體的處理步驟，而不是直接給出處理的結(jié)果.通過設(shè)計交互按鈕，將按鈕與具體的子操作關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)圖像處理過程的交互.

2.3 二次開發(fā)接口的集成設(shè)計

平臺設(shè)計二次開發(fā)接口的目的是為了便于用戶將自己設(shè)計的新算法或在平臺上進行二次開發(fā)提供便利.二次開發(fā)接口設(shè)計的流程如圖2所示.

（1）模板參數(shù)定義.復(fù)制新算法到模板中，將算法修改為函數(shù)的形式.按照模板提供的形式，填寫函數(shù)名和函數(shù)參數(shù)列表.

（2）模板內(nèi)容設(shè)計.模板為一個定義好格式的M atlab文件，新算法集成到平臺時只需要對相應(yīng)參數(shù)進行改變.

（3）模板調(diào)用.生成模板的函數(shù)由按鈕事件調(diào)用觸發(fā).

（4）填寫算法名.將算法的名字填寫在集成文本框中，點擊集成按鈕，系統(tǒng)判斷此算法名是否存在.

（5）算法主函數(shù)設(shè)計.主函數(shù)中圖像顯示函數(shù)需要做部分修改.集成時圖像需要在平臺上顯示和處理，因而需要在圖像顯示部分將代碼修改為顯示在平臺的坐標軸上.

（6）算法輔助函數(shù)設(shè)計.輔助函數(shù)是指主函數(shù)在執(zhí)行過程中所調(diào)用的函數(shù).新算法集成中需要將輔助函數(shù)復(fù)制到與主函數(shù)相同的目錄下，以便主函數(shù)調(diào)用輔助函數(shù).

圖2 二次開發(fā)接口設(shè)計的流程圖

（7）主函數(shù)與按鈕關(guān)聯(lián)設(shè)計.將新算法的主函數(shù)與對應(yīng)的按鈕建立關(guān)聯(lián).方法是在按鈕的callback屬性設(shè)置為函數(shù)的名，同時添加需要用到的函數(shù)列表.

3 平臺的具體實現(xiàn)

根據(jù)平臺的布局設(shè)計和接口及算法設(shè)計，在Windows XP操作系統(tǒng)下采用M atlab2009編碼實現(xiàn)圖像處理一體化平臺的功能，具體實現(xiàn)如下.

3.1 平臺主界面實現(xiàn)

基于M atlab GUI的圖像處理平臺運行主界面如圖3所示.菜單項涵蓋平臺中圖像處理的各項功能.其下一排彩色圖標為快捷按鈕，右側(cè)藍色框標示的縱向按鈕為用戶交互按鈕區(qū)，其中的紅色框標示的為集成按鈕區(qū).圖中顯示了均衡化圖像處理算法和gcbac圖像分割算法的運行效果.

圖3 運行界面圖

3.2 用戶交互式設(shè)計實現(xiàn)

圖像處理平臺中用戶交互區(qū)通過使用圖3中右側(cè)的藍色框區(qū)域表示的交互按鈕實現(xiàn).圖4顯示了采用動態(tài)邊緣檢測算法對圖像初始化處理實行的用戶交互效果.交互過程利用鼠標左鍵，將要分割的目標區(qū)域進行初始標記，如圖4（a）中用紅色標出的多邊形；圖4（b）顯示的是圖像處理的中間過程，其中用戶也可以參與交互，在每次處理結(jié)束時，用戶通過鼠標左擊再次確定位置邊界，平臺算法會進行二次迭代分割，直至達到滿意效果，此時通過鼠標右擊，停止交互，得到最佳的圖像分割效果，如圖 4（c）所示.

用戶交互可以彌補算法迭代過程中的不足，提高圖像分割的精確度.平臺提供的交互式功能充分體現(xiàn)了圖像處理過程中交互式可視化的優(yōu)點.

3.3 二次開發(fā)接口設(shè)計實現(xiàn)

二次開發(fā)接口設(shè)計主要用以實現(xiàn)用戶新算法的集成，點擊圖3中的紅框區(qū)域集成說明按鈕，彈出如圖5所示的新算法集成模板，首先在文件框中命名新算法的文件名，然后將開發(fā)的新算法按模板要求新建并保存，從而實現(xiàn)二次開發(fā)算法的集成.

圖4 交互式過程及其效果對比圖

二次開發(fā)算法集成模板為一個定義好格式的M atlab文件，新算法集成到平臺時只需要對相應(yīng)參數(shù)進行改變.在新算法集成過程中，用戶可直接使用模板內(nèi)的集成代碼，將模板代碼復(fù)制到編輯文本中，按說明進行參數(shù)修改，最終生成算法的集成和顯示.

圖5 二次開發(fā)模板設(shè)計

4 結(jié)束語

利用M atlab GUI特性，開發(fā)設(shè)計了圖像處理算法一體化平臺，實現(xiàn)了圖像處理算法的集成化、可視化、交互式和二次開發(fā)等功能.平臺設(shè)計中充分利用了M atlab GUI組件及底層開發(fā)特性，較好的展示了圖像處理的一體化功能.目前平臺上已集成了M atlab圖像處理工具包中的部分圖像處理算法和自行開發(fā)的圖像分割等算法，結(jié)果表明一體化的圖像處理平臺能夠幫助用戶方便快捷的實現(xiàn)對圖像處理的各種操作，尤其在圖像特征提取、用戶交互和二次開發(fā)集成等方面為用戶提供便利.

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