基于Java語言和Image J平臺的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

李榮

摘要：數(shù)字圖像處理課程是一項(xiàng)以實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)課程，其教學(xué)目的就是利用各向難易程度的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。很多學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過Java語言，但是對Image J 軟件并不是非常了解，所以，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)首先是讓學(xué)生理解其含義，同時(shí)還要學(xué)會使用Image J 插件的代碼模板。教師在教學(xué)中會根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)字圖像處理代碼，科學(xué)性的對現(xiàn)有插件進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，便于學(xué)生深入學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：Java語言；Image J平臺；圖像處理；教學(xué)方案

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0146-03

隨著數(shù)字化設(shè)備的廣泛使用，讓數(shù)字圖像處理的難度大大增強(qiáng)。為了能在現(xiàn)有形勢下滿足數(shù)字圖像處理的要求，許多大學(xué)高校陸續(xù)開設(shè)了和數(shù)字圖像處理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，有的專業(yè)還將其列入專業(yè)課領(lǐng)域，學(xué)時(shí)長達(dá)一個(gè)學(xué)期甚至一個(gè)學(xué)年。數(shù)字圖像處理的原理是根據(jù)數(shù)學(xué)信號演變而來的，兩者有著密不可分的聯(lián)系，學(xué)校在教學(xué)過程中，一般會將數(shù)字圖像處理課程分為理論教學(xué)部分和實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)模塊。數(shù)字圖像處理的重點(diǎn)，還在于試驗(yàn)探究課程的學(xué)習(xí)，因此，科學(xué)巧妙的安排試驗(yàn)內(nèi)容是試驗(yàn)教學(xué)中的重中之重。

1數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)簡介

1.1 MATLAB 的數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

在國內(nèi)知名高校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)課堂上，學(xué)生使用的電腦系統(tǒng)基本上全部是 Windows 操作系統(tǒng)，其教學(xué)系統(tǒng)有2種，第一種是C 和 C ++ 語言，第二種則是Math Works 公司開發(fā)的 MATLAB 軟件，，開發(fā)實(shí)驗(yàn)工具借助微軟公司的平臺，主要框架是MFC 框架和 Open CV 庫。

Math Works 公司開發(fā)的 MATLAB 軟件主要適用于處理向量和矩陣，其設(shè)計(jì)的初衷就是處理此類問題。因此，MATLAB在向量和矩陣開發(fā)方面是比較專業(yè)的，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：操作簡便且功能多樣、信息處理能力強(qiáng)等，被廣泛利用于科學(xué)研究和新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目之中。 MATLAB事實(shí)上就是一種編程語言，也可以看成是一個(gè)Python 的高級腳本語言，在使用時(shí)只需要利用MATLAB 本身內(nèi)置的函數(shù)來解決一些程序性的問題。事實(shí)上，我們可以認(rèn)為MATLAB 屬于一種交互式的平臺，內(nèi)部帶有一種弱型的腳本語言，使用過程中，不需要在內(nèi)存和分配和釋放上擔(dān)憂，就可以實(shí)現(xiàn)與C /C + + 短時(shí)間交互。另外，MATLAB中還有一個(gè)圖像處理工具箱，其功能十分完整，里面涵蓋的一系列的各種圖像的處理方法，在數(shù)字圖像處理過程中，可以借助模塊中自帶的各種函數(shù)分析以及解決問題，其功能模塊提升了MATLAB 軟件的實(shí)用價(jià)值。從而讓此軟件在數(shù)字圖像處理和實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)方面得到了廣泛的應(yīng)用，并得到了國內(nèi)許多高校師生的普遍認(rèn)可。同時(shí)，MATLAB 軟件還可以實(shí)現(xiàn)跨平臺交流，不管是什么操作系統(tǒng)，都可以安裝MATLAB 軟件來進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 MFC 的數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

另一種數(shù)字圖像處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是借助微軟的 Windows 平臺，利用Visual Studio作為開發(fā)工具，C 和 C ++是普遍使用的開發(fā)語言，開發(fā)框架則是MFC。目前，國內(nèi)的許多高校中計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)初學(xué)的程序設(shè)計(jì)課程一般是C 語言，所以學(xué)生幾乎對C語言都是十分了解的，在很多數(shù)字圖像處理和數(shù)據(jù)分析過程中，借助C語言來分析問題非常普遍。學(xué)生在C語言的使用過程中，一般都會使用到指針訪問數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，使用過程中常常需要手動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存的分配和釋放。這樣做的不足之處是學(xué)生在利用C語言來分析問題的時(shí)候，經(jīng)常不會刻意地去關(guān)注數(shù)字圖像處理內(nèi)容，會分散注意力。同時(shí)C語言中也沒有接口函數(shù)在圖形用戶界面中使用，這就讓C語言的實(shí)用性大大縮減，學(xué)生只能利用C語言來完成一些簡單的程序設(shè)計(jì)，而不能進(jìn)行快速實(shí)現(xiàn)函數(shù)和圖型用戶界面的交互。

近年來，伴隨著C ++ 語言快速發(fā)展，許多大學(xué)高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)的方向逐漸向C ++語言程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。學(xué)生在進(jìn)行數(shù)字圖像處理中也經(jīng)常會用到C + + 語言。其主要還是借助于微軟相關(guān)平臺，讓學(xué)生借助MFC 框架來進(jìn)行數(shù)字圖像實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，這是一項(xiàng)非常重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 Image J 的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1采用 Image J 的原因

在前文的分析中，許多高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)的課程學(xué)習(xí)，可以嘗試使用Image J 軟件來解決一些數(shù)字圖像處理問題，學(xué)生可以對此進(jìn)行深入研究和討論。

Image J是美國科學(xué)家開發(fā)的一項(xiàng)數(shù)字圖像處理和分析軟件，其功能非常強(qiáng)大，用途廣泛，受到世界各國很多生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家的廣泛推崇，可以廣泛適用在很多醫(yī)學(xué)研究之中。Image J語言是在Java 語言的基礎(chǔ)之上編寫的，只要電腦中含有Java 虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)，就可以支持Image J軟件的運(yùn)行。Image J自身的代碼具有開放性的特點(diǎn)，只需在Image J 的相關(guān)網(wǎng)站上就可以實(shí)現(xiàn)源程序和文檔的免費(fèi)下載，學(xué)生可以根據(jù)需要免費(fèi)下載Image J 的源代碼，并對其運(yùn)行原理做研究分析。學(xué)生完全可以借助Image J中相應(yīng)的插件，在研究過程中把不同圖像數(shù)字處理方法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的插件。通過 Java 虛擬機(jī)和 Image J 提供的動(dòng)態(tài)插件加載功能，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)源代碼的更改，按照自己的想法去編譯就可以接進(jìn)行加載和運(yùn)行，不需要重新啟動(dòng)軟件，這就是軟件特有的“熱 拔 插 ”的功能。 Image J 的運(yùn)行圖像如圖 1 所示。

2.2 Image J 的插件架構(gòu)系統(tǒng)

Image J中大量的菜單命令都是一個(gè)個(gè)插件，只要輸入相關(guān)命令，就可以運(yùn)行相關(guān)程序，同時(shí)可以借助Image J某些插件的功能實(shí)現(xiàn)功能拓展。每一個(gè)插件都是以Java為主要接口，最后保存在特有的文件夾中。許多自定義的插件一般可以借助Image J中自帶的編輯器去編輯，還可以把自己想要編輯的文字、軟件在Image J 的插件記錄器中記錄，可以生成自己想要的新型插件。

在軟件的實(shí)際運(yùn)行過程中，都可以在 Image J 里編譯和運(yùn)行這些插件。但是我們自己在Image J中編寫的插件需要保存在一個(gè)特定的文件夾，此文件夾作為Image J中的子文件夾。帶有下劃線的文件才能默認(rèn)儲存在這個(gè)特定的子文件夾中。在Image J 中常見的 3 種類型的插件： 1） 無需圖像作為輸入的插件，此類插件需要 Plug In 接口；2） 插件過濾器，此類插件需要圖像作為輸入，所以需要 Plug In Filter 接口；3）自己構(gòu)建圖形用戶界面的插件，此類插件需要繼承 Plug In Frame 類。

3 Image J 的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例展示

3.1灰度圖像反轉(zhuǎn)

在實(shí)驗(yàn)課初期，許多學(xué)生對Image J插件的開發(fā)和運(yùn)行原理不是很熟悉，因此，教師往往會提供開展實(shí)驗(yàn)所要利用的模板，學(xué)生按照模板開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，最后加以拓展。文章利用2個(gè)案例來說明借助Image J平臺來開展圖像處理課程的實(shí)驗(yàn)。從這2個(gè)實(shí)際案例中我們可以看到Image J軟件對于數(shù)字圖像處理作用重大。

第 1 種插件模擬的功能是灰度圖像反轉(zhuǎn)。其插件程序代碼如下：

[import ij.*； import ij.plugin.filter.PlugInFilter；import ij.process.*； import java.awt.*； public class Inverter_implements PlugInFilter{/* 實(shí)現(xiàn) PlugInFilter 接口*/public int setup（String arg，ImagePlus imp） {/* 只支持對8位灰度圖灰度圖像* /return DOES_8G；}public void run（ImgaeProcessor ip）{/*獲取圖像的像素?cái)?shù)組*/Byte pixels=（byte ）ip.getPixels（）；/*獲取圖像的寬度*/int width=ip.getWidth（）； /*獲取圖像的高度*/int height=ip.getHeighit（）；int offset，i； /* 處理圖像的每一行*/for （int y=0； y

3.2圖像濾波

在數(shù)字圖像處理課程理論教學(xué)中，圖像濾波是一項(xiàng)重要的知識，實(shí)驗(yàn)的目的主要讓學(xué)生掌握圖像平滑和圖像銳化。比如：在開展圖像濾波實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生一般會用到兩種不同模式算法，第一種是不可分離式算法，第二種則是可分離式算法。一種大小為 m × n 的數(shù)字濾波器，其中的每一個(gè)像素，不可分離算法的時(shí)間復(fù)雜度為 O（ m × n） ，可分離算法的時(shí)間復(fù)雜度為 O（ m + n） ，可以看出不可分離的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可分離算法。這就要求學(xué)生對不同分辨率的兩種圖像進(jìn)行兩種算法的測試，測試完成后需要對兩種測試結(jié)果進(jìn)行比較，對兩種算法的時(shí)間進(jìn)行比較，可以清楚的體會到兩種算法的不同之處。通過對兩種算法的實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可以直觀地看出可分離算法在運(yùn)算時(shí)間上具有非常大的優(yōu)勢。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)合可看出 Image J 1.49的圖像均值濾波的測試時(shí)間，測試環(huán)境為： 512 × 512 的灰度圖像，JDK 1. 8. 0_60，Intel Core i3 /2. 33 GHz，4 GB RAM?？煞蛛x算法相對于不可分離算法的優(yōu)勢，尤其是當(dāng)濾波器尺寸明顯變大以后更加清晰。

5結(jié)束語

文章重點(diǎn)闡述了Image J 的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)在數(shù)字圖像處理理論教學(xué)中的運(yùn)用，豐富了數(shù)字圖像處理理論的教學(xué)方法。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生通過對Image J的學(xué)習(xí)，一方面豐富了自己的文化視野，提高了自身的專業(yè)知識水平，另一方面也培養(yǎng)了自身的創(chuàng)新能力，借助Image J去創(chuàng)新研究出更多的數(shù)字圖像處理算法。

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