ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

鄭林濤?董永生

摘要：針對目前我國高校數(shù)字圖像處理課程演示和實驗平臺的教學(xué)實際情況，詳盡分析了ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中應(yīng)用的合理性和優(yōu)勢，提出將ImageJ軟件作為數(shù)字圖像處理課程教學(xué)演示和實驗的工具。將ImageJ軟件引入數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)實踐中，即可以用其在理論教學(xué)環(huán)節(jié)展示各種圖像處理算法的效果，又可以在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中通過編寫ImageJ軟件的插件讓學(xué)生真正掌握理解圖像處理的理論知識。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；ImageJ；課程教學(xué)；實踐動手能力

作者簡介：鄭林濤（1977-），男，河南洛陽人，河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，講師；董永生（1979-），男，河南新鄉(xiāng)人，河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，講師。（河南 洛陽 471023）

基金項目：本文系國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：61301230）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0112-02

數(shù)字圖像處理是通過計算機(jī)對圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的過程、理論方法和技術(shù)以及以之為研究對象的一門學(xué)科。自從20世紀(jì)60年代以來伴隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得了長足進(jìn)步并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代開始我國部分高校開始設(shè)置數(shù)字圖像處理課程，數(shù)字圖像處理已經(jīng)成為目前高校信息類專業(yè)普遍開設(shè)的一門課程。數(shù)字圖像處理課程要求學(xué)生具備較深的數(shù)學(xué)功底和數(shù)字信號處理方面的先修知識。而現(xiàn)實的教學(xué)情況是學(xué)生的數(shù)學(xué)功底普遍薄弱，學(xué)生面對抽象的數(shù)學(xué)公式具有嚴(yán)重的畏難情緒，教師難以激發(fā)并保持學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。針對這些現(xiàn)實的教學(xué)情況，一些教師已進(jìn)行了各種有益的探索。[1-3]本文立足于教學(xué)演示環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)所使用的軟件進(jìn)行探索，現(xiàn)在介紹如下。

一、數(shù)字圖像處理課程教學(xué)所選用軟件的現(xiàn)狀分析

數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的教學(xué)效果與課程所選用的教材和教學(xué)軟件密切相關(guān)，選擇合適的教材和軟件與教學(xué)效果密不可分。目前我國高校在數(shù)字圖像處理課程中所用的常用軟件可分為Matlab和Visual C++兩類。

Matlab（Matrix Laboratory，矩陣實驗室）是美國MathWorks公司推出的一款商業(yè)軟件，它集矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、信號處理和圖形顯示等強(qiáng)大功能于一體，擁有界面簡潔、友好的用戶環(huán)境?，F(xiàn)在的Matlab已經(jīng)不僅僅是一個“矩陣實驗室”，Matlab已經(jīng)成為國際上最流行的科學(xué)與工程計算的軟件，廣泛地應(yīng)用于高校和研究機(jī)構(gòu)。Matlab軟件提供了圖像處理工具箱，研究人員可以在此基礎(chǔ)上便捷、快速地進(jìn)行圖像處理算法原型的設(shè)計。

使用Matlab軟件作為圖像處理課程教學(xué)軟件的優(yōu)點在于：第一，Matlab軟件提供豐富的現(xiàn)成圖像處理函數(shù)供用戶調(diào)用，節(jié)省了用戶開發(fā)底層函數(shù)的時間，提高了用戶的開發(fā)效率。第二，目前世界上100多個國家超過一百萬工程師和科學(xué)家在使用Matlab軟件，軟件配套的學(xué)習(xí)資源豐富。

使用Matlab軟件作為圖像處理課程教學(xué)軟件的缺點在于：第一，Matlab軟件的版權(quán)問題。Matlab軟件的功能強(qiáng)大，但是其軟件的售價非常昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我國目前的高校的支付能力。除了Matlab軟件自身售價昂貴以外，Matlab配套的各種工具箱也是價格不菲。而就目前我國高校的實際經(jīng)濟(jì)情況顯然無法解決該軟件的版權(quán)問題。選擇Matlab作為教學(xué)軟件往往也就意味著使用的是盜版軟件。這一點與高校的教育精神和國際版權(quán)保護(hù)精神相違背。第二，Matlab軟件的運(yùn)行速度與其他軟件相比較慢。在一些對軟件運(yùn)行速度有要求的場合，使用Matlab軟件就顯得力不從心。

在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中常用的另一種軟件是Visual C++。使用Visual C++軟件作為圖像處理課程教學(xué)軟件的缺點在于：第一，Visual C++的版權(quán)問題同樣無法解決。第二，與Matlab軟件相比，使用Visual C++軟件平臺上沒有像Matlab環(huán)境下有豐富的和成熟的圖像處理庫函數(shù)以供調(diào)用，所有的底層函數(shù)都要開發(fā)者自己編寫，這勢必影響用戶的開發(fā)效率。而使用Visual C++軟件的優(yōu)點是可以獲得速度的提升。

從上面分析可以看出目前我國數(shù)字圖像處理課程使用的教學(xué)軟件Matlab和Visual C++都有較多不足之處，而引入ImageJ軟件可以較好的解決這些問題。

二、ImageJ軟件概述

ImageJ是一個功能強(qiáng)大的、可擴(kuò)展編程的開源圖像軟件系統(tǒng)，該軟件最初是由美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的Wayne Rasband完全用Java語言所寫成。ImageJ最初只是希望作為NIH-Image軟件的替代品，未曾料想ImageJ軟件會被眾多學(xué)科越來越多的人使用，尤其是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人士。目前ImageJ在全球范圍內(nèi)被很多實驗室用于正式的研究和應(yīng)用程序開發(fā)。

ImageJ受到眾多專業(yè)人士的喜愛與ImageJ軟件自身的眾多優(yōu)點不無關(guān)系：一是采用一系列菜單驅(qū)動的交互式操作方式，用于創(chuàng)建、顯示、編輯、處理、分析圖像。軟件支持常見的各種圖像格式。目前該軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物等學(xué)科領(lǐng)域。二是完全免費(fèi)，并且完全公開源代碼，任何人都可以自由下載合法地將其安裝使用。官方的網(wǎng)址是http：//rsb.info.nih.gov/ij/。三是軟件完全用Java語言寫成。所以ImageJ繼承了Java語言良好跨平臺性，可以廣泛地運(yùn)行于Windows、MacOS和Linux等各種操作系統(tǒng)。四是軟件小巧精悍，安裝包僅有幾十M，不像Matlab軟件動輒上G的安裝包。五是ImageJ的設(shè)計采用的是開放式的軟件構(gòu)架，ImageJ的核心功能可以通過簡單插件機(jī)制擴(kuò)充，即允許用戶以簡單插件的形式向ImageJ添加自己需要的而系統(tǒng)沒有提供的功能。這一特點是使ImageJ軟件功能強(qiáng)大、日益流行的一個主要原因，ImageJ的主頁上提供了全球各地的研究者義務(wù)提供的內(nèi)容豐富的ImageJ插件和插件源碼供用戶下載研究使用。ImageJ中內(nèi)置了一個編寫插件的Java編輯器，并且ImageJ自帶編譯環(huán)境，所以ImageJ插件的編輯編譯都可以在ImageJ軟件中完成。在ImageJ中開發(fā)插件不需要高深的Java編程經(jīng)驗，只需要基本的Java基本知識即可。六是ImageJ占用內(nèi)存空間小，運(yùn)行速度快。七是Java語言中已經(jīng)有相應(yīng)的圖形界面庫，不需要用戶再來親自編寫圖形界面，從而把注意力放在圖像處理算法上。八是ImageJ主頁上還提供了常見的數(shù)字圖像處理的測試圖像的下載。

三、ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

ImageJ具有上述的優(yōu)點決定了ImageJ是一個進(jìn)行數(shù)字圖像處理教學(xué)和實驗的理想平臺，尤其是適用于當(dāng)前的中國高校。筆者之所以選擇ImageJ軟件作為數(shù)字圖像處理課程中配套的教學(xué)軟件。除了ImageJ軟件自身所具有的上述優(yōu)點以外還考慮到目前學(xué)生的課程設(shè)置和學(xué)習(xí)的實際情況，數(shù)字圖像處理課程作為大三下學(xué)期開設(shè)的一門專業(yè)課程。學(xué)生在上課之前已經(jīng)先修過Java程序設(shè)計這門課程，具備了基本的Java語言編程經(jīng)驗，從而掃清了數(shù)字圖像處理課程中實驗環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)新的編程語言的障礙。如果選擇Matlab軟件作為教學(xué)語言，學(xué)生則必須專門抽出大量時間來學(xué)習(xí)和熟悉Matlab語言的語法和基本編程結(jié)構(gòu)，這樣做勢必會擠壓本已緊張的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)時間，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1.ImageJ軟件在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

ImageJ軟件自身提供了一系列現(xiàn)成的命令，完成常見圖像的顯示和操作處理。同時ImageJ軟件還允許用戶以簡單插件的形式來擴(kuò)充ImageJ的核心功能，這也就是ImageJ軟件的可擴(kuò)展性。

筆者在數(shù)字圖像處理課程理論教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用ImageJ軟件，主要是利用ImageJ軟件自身提供的一系列現(xiàn)成的命令來演示算法的處理結(jié)果。筆者上課選用的教材是高等教育出版社出版的清華大學(xué)章毓晉教授編寫的《圖像處理和分析基礎(chǔ)》（第二版）。在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)過程中，筆者在理論教學(xué)環(huán)節(jié)介紹了理論部分的公式之后，使用ImageJ的基本處理功能來演示算法效果。

比如教材第二章第一節(jié)的內(nèi)容是圖像變換技術(shù)傅里葉變換。筆者介紹了傅里葉變換的具體公式之后，就讓學(xué)生自己動手選擇圖像來觀察圖像的傅里葉變換是個什么樣的結(jié)果，并觀察傅里葉頻譜顯示結(jié)果。啟發(fā)學(xué)生思考自己的處理顯示結(jié)果與教材上的結(jié)果有什么異同？為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果？是教材錯誤還是ImageJ軟件變換的結(jié)果錯誤？在學(xué)生經(jīng)過思考之后，告訴學(xué)生教材上的顯示結(jié)果是經(jīng)過對數(shù)變換處理過的顯示結(jié)果，而他們所得到的結(jié)果是沒有經(jīng)過對數(shù)變換處理的結(jié)果。用ImageJ軟件同時顯示未經(jīng)對數(shù)變換和經(jīng)過對數(shù)變換的結(jié)果讓學(xué)生進(jìn)行觀察對比。通過這一系列提問和解釋，學(xué)生明顯加深了對圖像傅里葉變換的理解和記憶。

2.ImageJ軟件在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是數(shù)字圖像處理課程必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。筆者在教學(xué)實驗環(huán)節(jié)中使用ImageJ軟件主要是因為ImageJ軟件允許用戶以簡單插件的形式來擴(kuò)充ImageJ的核心功能。筆者指導(dǎo)學(xué)生通過編寫插件的形式將理論教學(xué)環(huán)節(jié)中所學(xué)習(xí)到的抽象難懂的算法實現(xiàn)。通過這樣的實際編碼過程來加深對圖像處理算法理論的理解，尤其是那些抽象的算法，從而真正掌握這些抽象算法，體現(xiàn)了“從做中學(xué)”的學(xué)習(xí)理念。

ImageJ軟件可以通過兩種方法擴(kuò)展：使用ImageJ軟件自帶的Macro語言的形式和簡單ImageJ插件的形式。第二種方式的功能更為強(qiáng)大，所以筆者選擇的是第二種方式來編寫ImageJ軟件插件的形式。

下面就一個簡單的例子來講解ImageJ中插件的編寫，該例子完成的功能是對一個8位灰度圖像進(jìn)行求反操作。即教材第三章圖像增強(qiáng)這一章第一節(jié)中所講算法的具體實現(xiàn)。

import ij.ImagePlus；

import ij.plugin.filter.PlugInFilter；

import ij.process.ImageProcessor；

public class My_Inverter implements PlugInFilter {

public int setup（String arg，ImagePlus im） {

return DOES_8G； // this plugin accepts 8-bit grayscale images

}

public void run（ImageProcessor ip） {

int w = ip.getWidth（）；

int h = ip.getHeight（）；

// iterate over all image coordinates

for （int u = 0； u < w； u++） {

for （int v = 0； v < h； v++） {

int p = ip.getPixel（u，v）；

ip.putPixel（u，v，255-p）；

}

}

}

}

將這段代碼寫入到一個Java類文件中，放在ImageJ目錄下插件目錄中就可以用ImageJ菜單項中的編譯運(yùn)行命令完成插件的編譯，實現(xiàn)對灰度圖像求反操作。由此例可以看出ImageJ的插件其實只是一個簡單的Java類，較容易實現(xiàn)，尤其適合數(shù)字圖像處理課程實驗教學(xué)。

四、結(jié)論

ImageJ是國外生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域一款常用的數(shù)字圖像處理軟件，其強(qiáng)大的功能、良好的設(shè)計架構(gòu)和可擴(kuò)展性，其完全可以作為一個進(jìn)行數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的教學(xué)平臺。本文從我國高校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的實際情況出發(fā)，分析了ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中應(yīng)用的可行性和必要性。教學(xué)實踐表明，ImageJ與其他軟件相比更適合作為數(shù)字圖像處理課程教學(xué)主要的教學(xué)軟件。目前面臨的問題是采用ImageJ軟件作為數(shù)字圖像處理課程的高校較少，相應(yīng)的教學(xué)素材不夠豐富，還需要進(jìn)一步在教學(xué)實踐中進(jìn)行積累擴(kuò)充。

參考文獻(xiàn)：

[1]周海芳.“數(shù)字圖像處理”課程研討式教學(xué)[J].計算機(jī)教育，

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[2]翟瑞芳，彭輝，劉善梅，等.農(nóng)業(yè)院校數(shù)字圖像處理課程創(chuàng)新實踐教學(xué)[J].計算機(jī)教育，2012，（5）：25-29.

[3]沈曉晶，王艷，趙慧娟，應(yīng)用型院校數(shù)字圖像處理本科教學(xué)探索[J].計算機(jī)教育，2012，（1）：86-88.

（責(zé)任編輯：王意琴）