數(shù)字圖像處理實驗平臺的設(shè)計

馮洋

摘 ? ?要： 為了進一步加強數(shù)字圖像處理課程的實踐教學研究，利用Matlab的圖形用戶界面環(huán)境（GUI）設(shè)計了一個數(shù)字圖像處理實驗平臺。該平臺實現(xiàn)了數(shù)字圖像處理算法的一體化集成、底層代碼的模塊化設(shè)計和執(zhí)行效果的可視化等功能，具有良好的交互性、實用性和可擴展性。該平臺能夠應(yīng)用于數(shù)字圖像處理的課堂教學和實驗實踐教學中，在進一步提高教學質(zhì)量的同時促進學生實踐能力的提高。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字圖像處理 ? ?實驗平臺 ? ?Matlab ? ?GUI

數(shù)字圖像處理是信息科學中一個發(fā)展迅速的研究方向，是模式識別、計算機視覺、圖像通訊、多媒體技術(shù)等學科的基礎(chǔ)，是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學科，具有很強的理論性和實踐性[1]。該課程的主要任務(wù)是通過對數(shù)字圖像處理基本概念、理論和算法的學習，培養(yǎng)學生對數(shù)字圖像的實踐編程處理能力，為學生從事圖像處理工程師工作奠定基礎(chǔ)。該課程涉及內(nèi)容比較寬廣，課程起點高，難度系數(shù)較大，如何在教學過程中提高學生的學習興趣和后續(xù)實踐能力一直是該課程研究的重點[2]。

為促使學生更深入地學習數(shù)字圖像處理課程，在學習過程中更熟練地掌握數(shù)字圖像處理的基本理論和基本方法，并有效提高學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。本文利用Matlab的圖形用戶界面環(huán)境（GUI）設(shè)計了一個數(shù)字圖像處理實驗平臺。該實驗平臺采用模塊化設(shè)計的方式，通過對窗口及控件的控制函數(shù)的設(shè)計，較好地實現(xiàn)數(shù)字圖像處理算法一體化集成的功能。通過該平臺可以實現(xiàn)助教、助學、實踐創(chuàng)新及考核等功能，幫助學生理解和掌握數(shù)字圖像處理的基本技能。

1.數(shù)字圖像處理實驗平臺的總體設(shè)計

數(shù)字圖像處理實驗平臺總體設(shè)計如圖1所示，在該實驗平臺上主要集中了數(shù)字圖像處理中常用的基本操作及算法，通過該平臺的窗口界面對象操作就能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的數(shù)字圖像處理功能，主要操作包括文件對象操作、圖像格式轉(zhuǎn)換、直方圖修正、圖像轉(zhuǎn)置、圖像旋轉(zhuǎn)、空間域圖像濾波、灰度圖像二值化處理、圖像邊緣檢測、圖像變換操作、圖像代數(shù)運算、亮度對比度調(diào)節(jié)、圖像縮放操作和形態(tài)學操作等。該平臺可以操作者提供了一個方便快捷的數(shù)字圖像處理實踐環(huán)境，適合實現(xiàn)對數(shù)字圖像進行基本處理[3]。

2.實驗平臺界面的設(shè)計

在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計過程中，主要利用Matlab提供的GUI向?qū)гO(shè)計控件而完成，圖形用戶界面包含的圖形對象有圖形窗口、菜單、控件、文本等，本文設(shè)計改變傳統(tǒng)的菜單式設(shè)計，將所有的圖像處理操作采用窗口或控件的方式直接放于平臺窗口界面上。設(shè)計時在GUIDE開發(fā)環(huán)境中設(shè)計好GUI后會自動生成相應(yīng)的FIG文件和M文件，其中在FIG文件中實現(xiàn)數(shù)字圖像處理窗口界面，包括有圖像界面窗口和靜態(tài)界面中所有序列化的圖形對象[4][5]。根據(jù)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，將要實現(xiàn)的功能全部集中體現(xiàn)在界面上，進行合理布局，界面設(shè)計結(jié)果如圖2所示：

3.實驗平臺的模塊功能實現(xiàn)

在各平臺模塊功能實現(xiàn)中，我們主要通過對界面上的相應(yīng)控件對象編寫回調(diào)函數(shù)，激活相應(yīng)控件以實現(xiàn)圖像處理功能，在GUIDE開發(fā)環(huán)境中自動生成的M文件中包括界面窗口中自動生成的函數(shù)框架、控制函數(shù)及自定義圖形對象的回調(diào)函數(shù)。例如在文件操作模塊中，設(shè)計了載入圖像、保存圖像、撤銷、退出的觸控按鈕。在設(shè)計時，載入圖像時采用對話框的方式，uigetfile函數(shù)顯示一個對話框用選擇圖像，當前路徑下的文件和目錄將在帶對話框內(nèi)顯示[8];保存圖像觸控按鈕的實現(xiàn)主要應(yīng)用uiputfile（）標準寫盤處理對話框?qū)崿F(xiàn)，將處理后的圖像寫入相應(yīng)路徑下的磁盤中;撤銷操作是指對當前對象的上一步操作的取消，圖像的處理后顯示區(qū)顯示的是原始圖像;退出即退出當前操作界面;其他模塊的設(shè)計方式類似。

如圖3所示，我們對輸入的lena圖像進行了邊緣檢測，采用的邊緣檢測算子為canny算子，在圖形輸出窗口直接看到的輸出結(jié)果，如果想要改變算子就可以直接點擊不同的算子按鈕即可實現(xiàn)圖像處理。通過驗證該實驗平臺的控件選擇方式比菜單式的數(shù)字圖像處理平臺更直觀、方便，可以實現(xiàn)教學演示、實訓練習等，幫助學生更深入理解和掌握數(shù)字圖像處理課程的基本知識。

4.結(jié)語

本文基于MatlabGUI實現(xiàn)了一個數(shù)字圖像處理實驗平臺，該平臺將數(shù)字圖像處理基本算法集成于一個界面中，所有功能實現(xiàn)通過點擊界面中相應(yīng)的控件完成，部分操作還可以自定義參數(shù)，經(jīng)處理的圖像能夠直觀、形象地展示在數(shù)字圖像處理實驗平臺上。該平臺使得數(shù)字圖像處理的教學過程更方便、直觀，對學生學習了解數(shù)字圖像處理具有一定的輔助作用，同時也可將該平臺應(yīng)用于學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]史彩娟，劉利平，李志剛.“數(shù)字圖像處理”課程多層次實踐教學體系研究[J].中國電力教育，2014，（307）：133-134.

[2]楊淑瑩，張樺."數(shù)字圖像處理"教學軟件的開發(fā)設(shè)計[J].天津師范大學學報，2009，（4）：76-80.

[3]梁原.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)研究[D].長春理工大學.2008.

[4]陳超等編著.MATLAB應(yīng)用實例精講-圖像處理與GUI設(shè)計篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5]邢文博，蔣敬.基于Matlab開發(fā)數(shù)字圖像處理GUI[J]，電氣電子教學學報，2013，35（6）：107-108.

基金項目：渭南師范學院特色學科項目（14TSXK07）;渭南師范學院教育科學研究（2014JYKX024）;渭南師范學院教學改革研究項目（JG201537）;陜西省軍民融合研究基金項目（13JMR14）。