Matlab仿真在數(shù)字圖像處理課程輔助教學中的應用

譚 超 席在芳

1.2.湖南科技大學信息與電氣工程學院 湖南省 湘潭市 411201

隨著時代發(fā)展和信息化時代的到來，數(shù)字圖像處理在國民經濟發(fā)展和人們日常生活中扮演著重要角色［1］。數(shù)字圖像處理是本、專科高校信息類專業(yè)的必修課程，該課程主要講授圖像處理的基本知識、圖像變換、圖像增強與還原、圖像壓縮與編碼等［2］。這是一門理論與實踐相結合的課程，正確利用matlab 仿真對數(shù)字圖像處理課程教學進行輔助［3，4］，能夠提高數(shù)字圖像處理課程的教學質量。本文從數(shù)字圖像處理課程中的基本知識點、趣味知識點及綜合應用實例三個方面對matlab 仿真對課程教學的輔助進行了研究。

1 基本知識點輔助教學

數(shù)字圖像處理課程中有許多基本的、重要的知識點，通過matlab 仿真對課堂教學進行輔助能達到提高課堂教學質量的效果。圖像的變換是數(shù)字圖像處理課程中最為重要的章節(jié)之一，圖像的變換主要講授傅里葉變換、離散余弦變換、小波變換等。在講授圖像變換時，通過課堂教學實踐發(fā)現(xiàn)，同學們對在以前課程中出現(xiàn)的傅里葉變換還有所了解，對其它變換通過課堂講解后還一無所知。從高等數(shù)學、信號與系統(tǒng)等課程中的一維傅里葉變換過渡到二維傅里葉變換，同學們還能弄懂，但經常出現(xiàn)以下疑問：為什么要進行圖像變換？圖像變換之后變換域代表什么含義？針對類似問題，我們通過利用matlab 仿真輔助教學，對相關變換在圖像濾波、圖像壓縮及卷積中的作用進行了仿真演示，使得同學們對相關變換有了直觀的認識，了解了在一維信號及二維圖像信號中頻率域的基本含義。

圖像復原近似為圖像增強的逆過程，利用matlab 仿真能形象展示圖像出現(xiàn)退化及退化之后復原的過程。下面給出了圖像出現(xiàn)運動模糊及利用露西理查森方法復原模糊圖像的程序及仿真結果圖。如圖1所示，利用subplot 對圖像進行了組合輸出，圖1（a）為原始圖，圖1（b）為運動模糊圖（模糊強度為30 度、模糊位移為10）；當運動模糊角度保持不變，模糊位移從10 增大到30時，可以發(fā)現(xiàn)圖1（c）的模糊程度較圖1（b）變大了；圖1（d）是圖1（c）的復原效果圖，可以發(fā)現(xiàn)圖像復原很難達到100%，因此相較原圖而言，圖像質量還是有所下降。

I=imread（'1（a）.jpg'）；

subplot（2，2，1）； imshow（I）

LEN=10；THETA=30；

PSF1=fspecial（'motion'，LEN，THETA）

Blurred1=imfilter（I，PSF1，'circular'，'conv'）；

subplot（2，2，2）； imshow（Blurred1）；

PSF2=fspecial（'motion'，30，THETA）

Blurred2=imfilter（I，PSF2，'circular'，'conv'）；

subplot（2，2，3）；imshow（Blurred2）；

rest=deconvlucy（Blurred2，PSF2，150）

subplot（2，2，4）；imshow （rest）

圖1 圖像的運動模糊及模糊復原圖

2 趣味知識點輔助教學

在數(shù)字圖像處理課程課堂教學中，讓學生參與進來可以提高他們的積極性，課堂教學質量也隨之提升。在講授人類的視覺時，亮光適應和暗光適應可以從晚上開、關燈前后眼睛的感受出發(fā)，以此來引入；同時對比度、色度對比、Mach帶等知識點：紅花常需綠葉配，不同的背景色會導致人眼所見的顏色失真，這就是大家感受到的錯覺現(xiàn)象，因此可以說眼見不一定為實。圖像的紋理映射知識點可以從景區(qū)出售的紀念杯引入?；叶戎狈綀D的應用可以這樣引入：通過matlab 仿真來直觀展示圖像的明暗及對比度等。偽彩色可以從給黑白照片上色及黑白B 超和彩色B 超的異同引入。

圖像的加、減、乘、除法是圖像處理過程中的重要環(huán)節(jié)，是可以讓大部分同學參與進來的趣味知識點之一，通過matlab 仿真能達到很理想的效果。圖像的加法主要包括圖像加數(shù)字和圖像加圖像，圖像的加法有兩個作用：一是對同一場景的多幅圖像求平均值，可以降低加性噪聲；二是把一幅圖像疊加到另一幅圖像上去，達到二次曝光的效果。圖像間減法運算通常應用于提取圖像的差異，以及在醫(yī)學圖像處理方面用來去除背景。在運動物檢測中，通過前后兩個圖像的減法運算，可以獲取運動物體移動軌跡。圖像相乘、除運算通常用于提取或刪除圖像中某些內容，一幅圖像乘以一個常數(shù)稱為縮放，如果縮放因數(shù)大于1，那么將增強圖像的亮度，如果使用的因數(shù)小于1，則會使圖像變暗。

圖2利用圖像的減法來得到兩幅圖片的差異，也就是大家常玩的“大家來找茬”游戲。圖2（a）和（b）為兩幅需要尋找差異的圖片，利用imsubtract 函數(shù)對兩幅圖片進行減法運算，就能得到兩圖的差異。仿真程序如下：兩幅圖片中相同位置如一致，相減之后該點值為0，在圖片中為黑色，而有差異的地方便有顏色顯示，從圖2（c）可以看出圖2（a）和（b）有7 處位置不一樣。

I=imread（'2（a）.jpg'）；

J=imread （'2（b）.jpg'）；

Z=imsubtract（I，J）；

subplot（1，3，1）；imshow（I）

subplot（1，3，2）；imshow（J）

subplot（1，3，3）；imshow（Z）

圖2 圖像減法用于提取差異效果圖

3 綜合應用實例輔助教學

在數(shù)字圖像處理課程教學中，最后需講授綜合應用實例，可以選擇幾個有代表性的實例展開，通過matlab 仿真向同學們展示整個過程，讓大家對圖像處理在我們身邊的應用有直觀認識。例如可以講授指紋識別技術、車牌識別技術、火災探測技術、數(shù)字水印技術等實例。以車牌識別技術為例，可以把整個仿真過程分成幾個模塊進行，分別是預處理、車牌定位、字符分割、車牌字符識別等。

結 束 語

本文從圖像處理課程教學中的基本知識點、趣味知識點、綜合仿真實例三個方面進行研究，將matlab 仿真軟件用于課程的輔助教學，將理論知識直觀化。Matlab 仿真輔助教學不僅能提高學生參與課堂的積極性，還能培養(yǎng)學生動手解決問題的能力。