基于GUI的“數(shù)字圖像處理”教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)與研究

王榮

摘要：利用可視化的圖像用戶界面進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)了數(shù)字圖像處理的教學(xué)平臺(tái)，包括課堂教學(xué)的示例環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以仿真實(shí)現(xiàn)多種抽象的算法，并對(duì)比不同種算法的優(yōu)劣性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)字圖像處理的教學(xué)平臺(tái)具有較好的交互性和可擴(kuò)展性，直觀性強(qiáng)、操作簡單，既能豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)圖像處理不同算法的理解，又能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而改善課堂教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：圖形用戶界面；圖像點(diǎn)運(yùn)算；加噪與濾波；退化與復(fù)原；圖像分割

中圖分類號(hào)：TN911.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0154-03

Matlab中GUI是一種人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的界面顯示格式，允許用戶使用鼠標(biāo)等輸入設(shè)備操縱屏幕上的圖標(biāo)或菜單選項(xiàng)，以選擇命令、調(diào)用文件、啟動(dòng)程序或執(zhí)行其它一些運(yùn)行任務(wù)[1-3]，用MATLAB的圖形用戶界面（GUI）來制作數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，提供了一個(gè)人機(jī)交互的工具[2-3]。數(shù)字圖像處理是電子信息類的一門專業(yè)主干課，其算法實(shí)現(xiàn)抽象，課堂教學(xué)需用大量的示例進(jìn)行演示，為了能更好的提升教學(xué)效果，使學(xué)生能直觀、容易接受，快速理解各種算法之間的優(yōu)劣，需要設(shè)計(jì)一款可視化的、直觀、友好的教學(xué)平臺(tái)，因此，基于GUI的數(shù)字圖像處理教學(xué)平臺(tái)就迫切需要進(jìn)行研究開發(fā)，并應(yīng)用于課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 “數(shù)字圖像處理”教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)原則和要求，合理設(shè)計(jì)主控界面以及子控界面，實(shí)現(xiàn)主控界面與子控界面的回調(diào)和切換，在子界面中添加相應(yīng)的課堂教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試，具體的系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的思路如圖1所示。首先合理的設(shè)計(jì)GUI主界面和子界面的布局，在子界面中添加相應(yīng)的控件按鈕，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)部分的示例演示內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，再編寫回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)主界面與子界面之間的回調(diào)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示界面、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以及主控界面之間的自由切換。

設(shè)計(jì)主界面的數(shù)字圖像處理的教學(xué)平臺(tái)，其中包含多個(gè)教學(xué)內(nèi)容的示例和多個(gè)實(shí)驗(yàn)子界面模塊，如圖2所示。本次課堂教學(xué)部分包括圖像的基本運(yùn)算和圖像的分割，其中圖像的基本運(yùn)算包括點(diǎn)運(yùn)算和代數(shù)邏輯運(yùn)算，圖像的分割包括邊緣檢測(cè)和閾值分割等，還可以根據(jù)實(shí)際的教學(xué)情況合理的添加更多的教學(xué)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)以4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的加載為例，實(shí)驗(yàn)一是數(shù)字圖像加噪與濾波處理，實(shí)驗(yàn)二是數(shù)字圖像處理的多種變換，包括圖像求反、灰度變換、直方圖等，實(shí)驗(yàn)三是運(yùn)動(dòng)的數(shù)字圖像的處理，包括運(yùn)動(dòng)模糊、圖像鈍化等，實(shí)驗(yàn)四是圖像的色彩變化，包括R、G、B三種分量的提取、灰度圖像的偽圖像以及彩色圖像的取反等。通過對(duì)主控界面和子系統(tǒng)界面進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，設(shè)計(jì)了直觀友好的數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

2 “數(shù)字圖像處理”教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 教學(xué)平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)

數(shù)字圖像處理教學(xué)仿真平臺(tái)中關(guān)于圖像處理基本實(shí)驗(yàn)部分，實(shí)現(xiàn)主界面與子控界面的切換，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以其中四個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面如圖3所示，包括：實(shí)驗(yàn)一的數(shù)字圖像的加噪與濾波處理，實(shí)驗(yàn)二的數(shù)字圖像的變換處理，實(shí)驗(yàn)三的數(shù)字圖像的運(yùn)動(dòng)處理，實(shí)驗(yàn)四的數(shù)字圖像的色彩變換等內(nèi)容。

2.2 圖像基本運(yùn)算界面設(shè)計(jì)

圖像的基本運(yùn)算包括點(diǎn)運(yùn)算和代數(shù)與邏輯運(yùn)算。點(diǎn)運(yùn)算實(shí)際上就是對(duì)圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值按照一定的映射關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，得到一幅新圖像的過程。點(diǎn)運(yùn)算從數(shù)學(xué)上可以分為線性點(diǎn)運(yùn)算和非線性點(diǎn)運(yùn)算。代數(shù)運(yùn)算是指對(duì)兩幅或者兩幅以上輸入圖像進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加、減、乘、除運(yùn)算而得到的目標(biāo)圖像的運(yùn)算。如圖4所示，加載了4幅原始的圖像，對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)運(yùn)算和代數(shù)運(yùn)算，在GUI界面中進(jìn)行可視化的實(shí)現(xiàn)。

2.3 圖像分割界面設(shè)計(jì)

圖像分割中主要加載的教學(xué)內(nèi)容包括：邊緣檢測(cè)和閾值分割。其中邊緣檢測(cè)里基于一階導(dǎo)數(shù)的邊緣檢測(cè)算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Kirsch算；閾值分割中的人工選擇法、Otsu算子求閾值、迭代法求閾值等。圖像識(shí)別的基礎(chǔ)是圖像分割，其作用是把反映物體真實(shí)情況的、占據(jù)不同區(qū)域的、具有不同特性的目標(biāo)區(qū)分開來，以便計(jì)算各個(gè)目標(biāo)的數(shù)字特征。如圖5所示，對(duì)三幅圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，其中應(yīng)用Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子和log算子等；閾值分割中應(yīng)用全局閾值中的人工選擇法、最大類間差閾值選擇法。

3 教學(xué)平臺(tái)內(nèi)容測(cè)試

3.1 圖像加噪與濾波內(nèi)容測(cè)試

對(duì)原始的硬幣圖像加入分別加入高斯噪聲、椒鹽噪聲和隨機(jī)噪聲，并對(duì)其進(jìn)行中值濾波。如圖6所示為硬幣實(shí)驗(yàn)的各種噪聲的添加與濾波處理。中值濾波是一種可以有效抑制噪聲的非線性平滑濾波器，它將數(shù)字圖像中一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值以中值代換，主要是讓周圍的像素灰度差值比較大的像素改成符合實(shí)際的像素值，從而可以去除孤立的噪聲點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)可知，中值濾波對(duì)于濾除圖像的椒鹽噪聲效果較好。圖7是加噪聲、濾波與像素平滑的圖像對(duì)比。

3.2 圖像模糊與恢復(fù)內(nèi)容測(cè)試

圖像的獲?。〝?shù)字化過程）、處理與傳輸過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能引起圖像質(zhì)量的下降，這種圖像質(zhì)量下降使得圖像模糊，為了得到較好的圖像質(zhì)量，以滿足人類視覺系統(tǒng)的要求，需要對(duì)退化的圖像進(jìn)行恢復(fù)。如圖8所示為原始的棋盤圖像，對(duì)棋盤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模糊、圓盤狀模糊圖像、鈍化模糊圖像；圖9所示對(duì)車輪圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模糊，采用真實(shí)的PSF復(fù)原圖像、采用1.5倍于真實(shí)模糊距離的PSF復(fù)原圖像、采用1.5倍于運(yùn)動(dòng)模糊距離的PSF復(fù)原圖像的效果對(duì)比圖。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字圖像處理的教學(xué)平臺(tái)，主要包括三個(gè)部分，數(shù)字圖像的基本運(yùn)算包括點(diǎn)運(yùn)算和代數(shù)與邏輯運(yùn)算、數(shù)字圖像的基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容（以四個(gè)實(shí)驗(yàn)為例）、圖像分割包括邊緣檢測(cè)和閾值分割。調(diào)試數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的內(nèi)容，檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)一對(duì)圖像進(jìn)行加噪和濾波，并能比較多種濾波效果；實(shí)驗(yàn)四對(duì)棋盤圖像和車輪圖像進(jìn)行不同的模糊處理，并使用不同的技術(shù)進(jìn)行復(fù)原。調(diào)試結(jié)果顯示教學(xué)主平臺(tái)界面和子界面之間可以相互回調(diào)和切換，每一個(gè)子界面都可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能直觀、方便的展示教學(xué)的結(jié)果，因此具有較好的實(shí)踐性，而且其必將在數(shù)字圖像處理教學(xué)中起到較好的輔助作用。endprint

參考文獻(xiàn)

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[3]張鳴.基于Matlab GUI的通信原理演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（09）：111-127.

Abstract：The teaching platform of digital image processing is designed by using the visual image user interface programming， It includes the classroom teaching example link and the experiment teaching link，simulating a variety of abstract algorithms， and comparing the pros and cons of different algorithms. The experimental results indicate that the teaching platform is interaction， scalability， intuitive and easy to operate. It can not only enrich the content of classroom teaching， deepen students' understanding of the different algorithms of image processing， but also can enhance the interest of students， to improve classroom teaching effect and the teaching quality.

Key Words：Graphical User interface； Image point operation； Noise and filtering；Degradation and restoration； Image segmentationendprint