數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐探討

摘 要：數(shù)字圖像處理教學(xué)是一門(mén)多學(xué)科相互交織的課程，它涉及的教學(xué)領(lǐng)域廣泛，在學(xué)習(xí)過(guò)程中有很多抽象的理論內(nèi)容不容易理解，所以采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)法能夠快速地讓學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理學(xué)習(xí)的內(nèi)容和難點(diǎn)，幫助學(xué)生克服困難，提高學(xué)習(xí)興趣，也能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)作能力，以解決在教學(xué)過(guò)程中所存在的問(wèn)題。本文就對(duì)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理的積極性，加強(qiáng)他們的實(shí)踐應(yīng)用能力，提高學(xué)生對(duì)軟件開(kāi)發(fā)的水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);課程設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G64? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9132（2019）19-0007-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.19.003

數(shù)字圖像處理也稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)的圖像處理，它是對(duì)計(jì)算機(jī)中的圖像從信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，是一門(mén)集計(jì)算機(jī)科學(xué)，信息理論，信息處理學(xué)科為一體的綜合課程。在教學(xué)過(guò)程中，教師以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式來(lái)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)圖像處理的課程，讓學(xué)生了解其概念、原理和算法，并通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用軟件的能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理的基本動(dòng)手操作能力，為工程應(yīng)用和軟件開(kāi)發(fā)打好基礎(chǔ)。

一、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容

數(shù)字圖像處理是一門(mén)典型的交叉性學(xué)科，它的理論性和實(shí)踐性非常強(qiáng)，各種數(shù)字處理的方法都要以數(shù)學(xué)理論為支撐，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)圖像有不同的處理和理解，以提高在實(shí)際問(wèn)題分析中的解決能力。數(shù)字圖像處理是數(shù)學(xué)系和信息與計(jì)算機(jī)系的一門(mén)選修課程，主要選用的教材是《數(shù)字圖像處理及MATLAB實(shí)現(xiàn)》的教材及內(nèi)容，就包括數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)運(yùn)算、變換圖像、增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮、編碼分割、色彩處理等理論知識(shí)，并且對(duì)軟件編程的一些常用圖像處理方法有詳細(xì)的概述。圖像處理過(guò)程首先就是要選取圖像源文件，然后對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)處理，最后將處理結(jié)果保存到圖像文件中?，F(xiàn)有的數(shù)字圖像處理教材缺乏對(duì)常用圖像文件格式的介紹，所以教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中有必要增加這部分知識(shí)。在數(shù)字圖像的教材中常用圖像文件格式為BMP和JPG系格式。但是在講解過(guò)程中，教師也要對(duì)其他的文件格式給予詳細(xì)的了解和講述，幫助學(xué)生理解圖像的本質(zhì)，特別是在用Visual C++語(yǔ)言編程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種圖形的處理。

二、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)例設(shè)計(jì)

以數(shù)字圖像中各部分的操作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，探討在Lab View虛擬平臺(tái)上嵌入MATLAB腳本編程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與過(guò)程。

（一）空域圖像平滑

以椒鹽噪聲抑制為例，它是數(shù)字圖像制造的一個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。這種類(lèi)型的噪聲通常是由圖像傳輸處理中所產(chǎn)生的黑白相間的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)，噪聲又稱(chēng)為雙極脈沖噪聲，對(duì)圖像的視覺(jué)效果有明顯的破壞能力。為了抑制這種現(xiàn)象，一般在圖像處理過(guò)程中，采用的濾波模板一般都是3×3的，并運(yùn)用中值濾波算法對(duì)其進(jìn)行抑制，并且在處理時(shí)保留圖像邊緣的像素不變，運(yùn)用這種方法能夠很好地抑制椒鹽噪聲，并改善圖像的視覺(jué)質(zhì)量，所以為了讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)時(shí)更好地理解這種處理方式，我們需要將圖片輸入、輸出和算法處理分別在Lab View平臺(tái)和MATLAB平臺(tái)中進(jìn)行模擬仿真練習(xí)（見(jiàn)附圖1和附圖2）。

將這種平臺(tái)模式相互結(jié)合，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，就能夠最大限度地將他們的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，讓圖像在處理過(guò)程中既高效，又直觀。在教學(xué)過(guò)程中，教師再結(jié)合相關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)類(lèi)似的內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃和安排，就可以更好地將實(shí)際應(yīng)用與理論算法進(jìn)行結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理教學(xué)內(nèi)容的深刻理解。

（二）圖像像素點(diǎn)的操作

在教學(xué)時(shí)，教師可以利用幾幅灰度存有明顯差異的圖像給學(xué)生作為像素點(diǎn)操作的案例，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)掌握?qǐng)D像的線性變化，利用直方圖的特征和圖像點(diǎn)的運(yùn)算，通過(guò)對(duì)線性的變化來(lái)調(diào)節(jié)明暗度，增強(qiáng)圖片的明暗對(duì)比，利用曲線模式、直方圖對(duì)圖像的灰度差異進(jìn)行分析來(lái)獲取不同區(qū)域內(nèi)圖像的灰度值，并對(duì)圖像的不同灰度進(jìn)行分別處理。例如，學(xué)生可以在圖像像素點(diǎn)操作中對(duì)圖像進(jìn)行明暗度的增強(qiáng)，退化處理等，以加強(qiáng)對(duì)操作技能的熟練度。

（三）圖像的銳化

教學(xué)過(guò)程中，教師還可以選擇幾幅圖像來(lái)作為銳化操作的案例，要求能夠利用這幾幅圖像來(lái)提取其中的邊緣信息，并分析圖像銳化的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。要求學(xué)生能夠利用不同的模板對(duì)圖像進(jìn)行不同的銳化操作，并總結(jié)出規(guī)律，如：銳化濾波器的特點(diǎn)是所有的元素和都是零。通過(guò)空域圖像銳化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生能夠了解圖像銳化與平滑之間存在的差異，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生明白低通濾波器所獲取的圖像輪廓信息就相當(dāng)于對(duì)圖像進(jìn)行平滑，而圖像的銳化就相當(dāng)于高通的濾波器能夠?qū)D像邊緣信息進(jìn)行獲取。

（四）傅里葉的變化使用

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)數(shù)字圖像處理中的傅里葉變換及應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠讓學(xué)生通過(guò)對(duì)頻譜平移，傅里葉變換來(lái)得出傅里葉變換在圖像調(diào)整中的系數(shù)，能夠總結(jié)出頻譜分布的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在圖像使用傅里葉變化時(shí)其中心點(diǎn)都是直流分量的，并向四面八方擴(kuò)散，頻率越來(lái)越高。通過(guò)了解傅里葉變換的使用后，學(xué)生可以根據(jù)理論知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行高通、低通濾波器的處理，從而保留不同位置傅里葉變換的系數(shù)。最后，將結(jié)果和實(shí)踐的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來(lái)加深學(xué)生對(duì)濾波器使用效果的理解。

（五）離散余弦變換的應(yīng)用

學(xué)會(huì)離散余弦變換并顯示和分析變換的系數(shù)，得出頻譜分布的特點(diǎn)也是數(shù)字圖像處理的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生對(duì)圖像進(jìn)行離散余弦變換的處理和應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)頻率會(huì)隨著數(shù)據(jù)的變化而越來(lái)越高，并且上角為直流分量，沿上下，右的方向不斷變化。另外，還要根據(jù)相應(yīng)的理論來(lái)完成低通濾波器和高通濾波器的設(shè)計(jì)，并對(duì)圖像進(jìn)行離散余弦變換處理。并且，在原圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行8×8大小的圖像轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，對(duì)每一塊都要進(jìn)行編碼和離散余弦的應(yīng)用，從而在實(shí)際操作中來(lái)學(xué)習(xí)JPEG的壓縮模式。

（六）小波變換的應(yīng)用

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行小波變換應(yīng)用教學(xué)時(shí)，就是對(duì)圖像進(jìn)行二維小波分解，利用教師給的圖形接口對(duì)圖像進(jìn)行處理，分解其中各小波系數(shù)的特點(diǎn)，總結(jié)出垂直高頻、水平高頻、低頻分量和對(duì)角高頻之間所代表的意義，并利用MATLAB編成模式對(duì)小波圖像進(jìn)行處理和壓縮。

三、提升數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑

（一）加強(qiáng)在理論教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段

通過(guò)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相應(yīng)特點(diǎn)，應(yīng)在教學(xué)過(guò)程中合理、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用現(xiàn)代化的教學(xué)方式，這種方法能夠加深、加快學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理理論和方法的運(yùn)用和理解。在教學(xué)中，對(duì)數(shù)字圖像處理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其質(zhì)量的好壞都取決于學(xué)生對(duì)于課程理論知識(shí)的理解。當(dāng)學(xué)生對(duì)圖像處理算法的理論基礎(chǔ)有清晰了解時(shí)，通過(guò)模仿即實(shí)際處理前后的效果對(duì)比就能夠進(jìn)一步地對(duì)數(shù)字圖像處理的內(nèi)容進(jìn)行加深，從而做到實(shí)踐與理論的相互補(bǔ)充，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)效果。

（二）合理利用虛擬平臺(tái)實(shí)踐

在數(shù)字圖像處理教學(xué)過(guò)程中，合理運(yùn)用案例和情景模式教學(xué)能夠有效提高學(xué)生分析和解決數(shù)字圖像處理實(shí)際問(wèn)題的能力。數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法能夠更好地加快學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，教師也要選擇好教學(xué)內(nèi)容，盡可能地選學(xué)生容易理解的，并通過(guò)Lab View平臺(tái)和MATLAB虛擬平臺(tái)，直觀地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，展示教學(xué)的內(nèi)容重點(diǎn)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程的興趣。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，在近幾年的教學(xué)過(guò)程中，數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究設(shè)計(jì)與改革都取得了非常好的效果。本文結(jié)合Lab View虛擬平臺(tái)的情景教學(xué)模式和MATLAB的語(yǔ)言編程優(yōu)勢(shì)，提出了數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法。教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠加深學(xué)生的實(shí)踐操作能力，使學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理更有興趣，更加主動(dòng)地了解科技創(chuàng)新，提高設(shè)計(jì)能力，為其進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。并且，能夠使數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地服務(wù)于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

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[2]溫建明.基于MATLAB的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)課程數(shù)字化教學(xué)改革[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（5）.

[責(zé)任編輯 杜建立]

作者簡(jiǎn)介： 杜號(hào)軍（1975.9— ），男，漢族，湖南臨湘人，副教授，研究方向：刑事圖像技術(shù)。