數(shù)字圖像處理仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜云明 田思慶 王斌

摘? ?要：為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)《數(shù)字圖像處理》課程實(shí)驗(yàn)的可視化交互仿真，文章提出一種基于MATLAB GUI的數(shù)字圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方案。利用MATLAB GUI可視化開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)交互界面，通過回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)后臺算法仿真功能。平臺采用嵌套方式構(gòu)架實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，集基本原理實(shí)驗(yàn)和綜合操作實(shí)驗(yàn)于一體，具有演練結(jié)合、操作方便、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，有利于教師的輔助教學(xué)和學(xué)生對知識的內(nèi)化理解，對學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有幫助作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)平臺;MATLAB;圖形用戶界面

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）14-0041-04

《數(shù)字圖像處理》是高等院校電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)課程，其所涉及的原理和相關(guān)處理技術(shù)在模式識別、智能檢測與控制、信號傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。因此在教學(xué)過程中，不僅要求學(xué)生要熟練掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、基本原理、經(jīng)典算法和處理技巧，更能夠融會貫通地實(shí)現(xiàn)對知識的轉(zhuǎn)化和運(yùn)用，真正達(dá)到解決實(shí)際問題的目的。然而傳統(tǒng)的“先理論、后實(shí)驗(yàn)”的二元分離教學(xué)模式，難以保證良好的教學(xué)效果。有限的學(xué)時(shí)設(shè)置也使學(xué)生無法全面、系統(tǒng)、深入地學(xué)習(xí)和掌握課程的基本原理和算法[2][3]。此外，缺少與教材緊扣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，更是制約了學(xué)生對數(shù)字圖像處理技術(shù)的理解和應(yīng)用[4]。因此，開發(fā)能夠輔助教學(xué)且可滿足實(shí)踐需求的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺，已成為教學(xué)亟待解決的關(guān)鍵問題。

一、現(xiàn)有數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺的不足

目前，各高校結(jié)合自身特點(diǎn)和需求，嘗試開發(fā)出了不同的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。其中，劉書杰等利用Delphi軟件結(jié)合BussinessSkinForm界面控件，開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的圖像處理[5]。李榮根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，提出了在Java語言環(huán)境下，通過擴(kuò)展Image J插件的功能來實(shí)現(xiàn)對圖像處理的方案[6]。林雪華借助VC++軟件開發(fā)了界面化的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)對圖像處理基本算法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[7]。上述三款實(shí)驗(yàn)平臺分別以不同的編程語言為基礎(chǔ)，開展了對數(shù)字圖像處理基本原理及算法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，不僅要求學(xué)生深諳圖像處理的物理含義，更需具備深厚的編程基礎(chǔ)和技巧。這對初學(xué)者而言，無疑增加了參與的難度，同時(shí)也影響了課程本身學(xué)習(xí)的興趣。

為使學(xué)生有效參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，各種基于MATLAB GUI的圖像演示、仿真、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相繼問世[8-12]。但從其內(nèi)容和操作方式來看，多以交互體驗(yàn)式的原理感性認(rèn)知為主，缺少編程實(shí)踐和知識整合運(yùn)用的綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。另外在操作過程中，學(xué)生無法了解實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的、實(shí)現(xiàn)的過程和具體步驟，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也缺少必要的分析，這無疑降低了實(shí)驗(yàn)的效果，不利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此，本文借助MATLAB的圖形界面開發(fā)功能，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺，既可實(shí)現(xiàn)對數(shù)字圖像處理基本原理和經(jīng)典算法的交互實(shí)驗(yàn)，也可實(shí)現(xiàn)以實(shí)際項(xiàng)目為依托的綜合實(shí)驗(yàn)和編程實(shí)踐。

二、實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)思路

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺分為基本原理實(shí)驗(yàn)和綜合操作實(shí)驗(yàn)兩大模塊。其中，基本原理實(shí)驗(yàn)包括圖像基本處理實(shí)驗(yàn)、圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)、圖像分割處理實(shí)驗(yàn)、圖像幾何變換實(shí)驗(yàn)、圖像頻域處理實(shí)驗(yàn)和圖像形態(tài)學(xué)處理實(shí)驗(yàn)[13]。綜合操作實(shí)驗(yàn)包括血液細(xì)胞計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)、車輛牌照識別實(shí)驗(yàn)、人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)、指紋識別實(shí)驗(yàn)、米粒分形檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安排，實(shí)驗(yàn)平臺采用層次化設(shè)計(jì)思想，通過總分、嵌套方式完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的構(gòu)架[14]。利用MATLAB圖形界面開發(fā)環(huán)境，通過界面布局、控件添加、參數(shù)設(shè)置、回調(diào)函數(shù)編寫、測試優(yōu)化等步驟，實(shí)現(xiàn)交互界面設(shè)計(jì)。利用界面訪問機(jī)制、函數(shù)調(diào)用機(jī)制和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，完成具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作。

三、實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)平臺以交互界面方式展現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容與要求，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)邏輯和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，設(shè)計(jì)中采取主界面和子界面訪問切換方式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)分層操作。其中，主界面為系統(tǒng)初始訪問界面，子界面對應(yīng)為各個(gè)實(shí)驗(yàn)操作界面。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，子界面還可嵌套不同功能的下級子界面，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的細(xì)化。

1.主界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平臺主界面設(shè)計(jì)包括起始導(dǎo)入界面和實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑鎯刹糠諿15]，其界面外觀效果如圖2所示。在起始導(dǎo)入界面中，點(diǎn)擊“進(jìn)入平臺”按鈕，則會跳轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑?。在?shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑嬷?，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)名稱按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作子界面，點(diǎn)擊“退出實(shí)驗(yàn)”按鈕，則會關(guān)閉該界面并返回上一級起始界面。

起始導(dǎo)入界面設(shè)計(jì)及按鍵實(shí)現(xiàn)界面切換訪問功能的主要代碼如下：

% 導(dǎo)入界面外觀效果的程序設(shè)計(jì)

function varargout = daorujiemian_OutputFcn（hObject， eventdata， handles）

varargout{1} = handles.output;

backgroundImage=importdata（'image_name.jpg'）;

axes（handles.axes1）;

image（backgroundImage）;

axis off;

% “進(jìn)入平臺”按鍵訪問實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑娴某绦蛟O(shè)計(jì)

function jinrupingtai_Callback（hObject， eventdata， handles）

h=gcf;

shiyanmulujiemian; %目錄界面文件名稱

close（h）;

2.子界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）基本原理實(shí)驗(yàn)子界面

以圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)中的“鄰域平均法平滑處理”子實(shí)驗(yàn)為例，簡要說明基本原理實(shí)驗(yàn)子界面及其嵌套功能實(shí)驗(yàn)子界面的設(shè)計(jì)過程。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑嬷?，點(diǎn)擊“圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)訪問到如圖3所示的圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)子界面。在該界面中，將左側(cè)設(shè)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹區(qū)，旨在向?qū)W生介紹圖像增強(qiáng)處理所包含的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生對該部分有整體的了解和認(rèn)知，可在GUI編輯界面通過添加面板控件、靜態(tài)文本控件和軸控件來實(shí)現(xiàn)。界面右側(cè)設(shè)為實(shí)驗(yàn)的具體功能操作區(qū)，按照圖像增強(qiáng)處理所涉核心內(nèi)容和主要方法共設(shè)計(jì)了八個(gè)子實(shí)驗(yàn)，通過面板、按鈕、互斥選擇按鈕群等控件組合實(shí)現(xiàn)具體實(shí)驗(yàn)的操作。由于圖像灰度變換和圖像平滑實(shí)驗(yàn)包含有多種處理方法，操作時(shí)需通過上方的實(shí)驗(yàn)按鈕激活下面的實(shí)驗(yàn)方法按鈕群，而后點(diǎn)擊選擇具體方法、訪問對應(yīng)子實(shí)驗(yàn)界面，完成具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

如上所述，當(dāng)激活并選擇鄰域平均法實(shí)現(xiàn)圖像平滑處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，界面就會跳轉(zhuǎn)至如圖4所示的嵌套功能實(shí)驗(yàn)子界面。該界面劃分為實(shí)驗(yàn)說明、實(shí)驗(yàn)操作和圖像顯示三個(gè)區(qū)域。其中，實(shí)驗(yàn)說明區(qū)主要介紹具體實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和相關(guān)要求，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有全面、清晰的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)以控件組合方式引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析和編程學(xué)習(xí)與實(shí)踐。圖像顯示區(qū)則是將處理結(jié)果直觀顯示出來，便于對比分析。

在實(shí)驗(yàn)操作區(qū)中，各功能按鈕采用依次激活方式設(shè)置，其中“讀取圖像”按鈕功能可由imread（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，“添加噪聲”按鈕由imnoise（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。噪聲類型主要設(shè)定了椒鹽和高斯兩種常見噪聲，可通過單選方式進(jìn)行選取，噪聲相關(guān)參數(shù)選用了默認(rèn)值，實(shí)際編程中可以根據(jù)需要自行調(diào)整?！澳０暹x擇”按鈕功能主要由fspecial（ ）和imfilter（ ）兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際操作時(shí)提供了3×3、5×5、7×7三種不同大小的可選模板類型。

通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直觀查看到不同大小模板對相同噪聲和不同噪聲平滑處理效果的影響?！皩?shí)驗(yàn)分析”按鈕利用界面訪問機(jī)制，以彈窗形式調(diào)用結(jié)果分析界面，該界面以文本方式闡述實(shí)驗(yàn)機(jī)理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、總結(jié)差異原因等，便于修正或鞏固學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的理性認(rèn)知。另外，為了加強(qiáng)學(xué)生編程技能的培養(yǎng)，還設(shè)置了“典型程序”功能按鍵，該按鈕利用open（ ）函數(shù)調(diào)用m程序文件。文件中給出原理編程代碼和函數(shù)編程代碼兩類典型程序，便于學(xué)生對原理的內(nèi)化理解和編程運(yùn)用。同時(shí)還設(shè)置了“編程實(shí)踐”功能按鈕，該按鈕利用edit（ ）函數(shù)創(chuàng)建腳本文件，學(xué)生可模仿程序示例開展創(chuàng)造性的編程實(shí)踐活動，達(dá)到演練結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。部分?shí)驗(yàn)關(guān)鍵程序?qū)崿F(xiàn)代碼如下：

% 加噪按鈕控件激活噪聲類型面板控件

function Add_noise_Callback（hObject， eventdata， handles）

set（handles.Noise_type_uipanel，'visible'，'on'）;

% BOX模板構(gòu)建及鄰域平均平滑處理

B=fspecial（'average'，n*n）;

Denoise_image=imfilter（Noise_image，B）;

axes（handles.axes2）;

imshow（Denoise_image）;

% 彈窗界面調(diào)用

function Experimental_analysis_Callback（hObject， eventdata， handles）

h=gcf;

analysis interface;%彈窗界面文件名稱

% m文件調(diào)用

function Typical_procedure_Callback（hObject， eventdata， handles）

open（'procedure_example.m'）

（2）綜合操作實(shí)驗(yàn)子界面

綜合實(shí)驗(yàn)部分既包含原理綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)，又包含靜態(tài)圖像向動態(tài)圖像拓展的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。下面以“人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)”為例，說明綜合操作實(shí)驗(yàn)子界面的設(shè)計(jì)過程。該實(shí)驗(yàn)以視頻動態(tài)圖像為操作對象，利用粒子濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對人臉目標(biāo)的跟蹤，并進(jìn)行跟蹤有效性分析。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑嬷校c(diǎn)擊“人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)訪問到如圖5所示的“人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)”子界面。該界面仍然采用實(shí)驗(yàn)說明、實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果顯示三個(gè)區(qū)域布局。其中，實(shí)驗(yàn)說明區(qū)利用面板和靜態(tài)文本控件實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求的說明。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)利用按鍵、面板和編輯文本控件組合實(shí)現(xiàn)交互操作。結(jié)果顯示區(qū)則利用軸控件實(shí)現(xiàn)相關(guān)處理結(jié)果的顯示。

在實(shí)驗(yàn)操作區(qū)中，“讀取視頻”按鈕功能由VideoReader（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，完成視頻動態(tài)圖像信息的獲取;“采集圖像”按鈕功能由read（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，完成視頻第一幀圖像的采集;“確定目標(biāo)”按鈕功能由imcrop（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要是在首幀圖像上完成以手動方式交互確定人臉目標(biāo)區(qū)域，達(dá)到對跟蹤器初始化的目的。另外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，界面中還添加了“參數(shù)設(shè)置”操作按鈕，并設(shè)定了目標(biāo)模型和粒子數(shù)量兩類可調(diào)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中仍采取由上層操作按鈕來激活下層參數(shù)類型控件，引導(dǎo)完成具體參數(shù)設(shè)置。其中，目標(biāo)模型可選用RGB和YUV兩種參數(shù)，旨在研究不同色彩空間下的目標(biāo)建模對環(huán)境抗干擾能力和跟蹤穩(wěn)定性的影響。粒子數(shù)量參數(shù)可自行設(shè)定，旨在研究不用數(shù)量樣本對跟蹤有效性的影響。

在具體參數(shù)設(shè)置時(shí)，利用str2num（ ）函數(shù)將輸入的字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值，實(shí)現(xiàn)前臺界面向后臺程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。最終利用“跟蹤顯示”按鈕完成跟蹤結(jié)果的演示，該按鈕可通過調(diào)用implay（ ）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。為研究所設(shè)計(jì)跟蹤方法的有效性，界面還添加了“相似度分析”按鈕，其主要功能是通過將每幀最終跟蹤區(qū)域與初始目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行相似度比較，分析判斷每幀跟蹤的準(zhǔn)確性。部分實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵程序代碼如下：

% 視頻圖像處理

Video=VideoReader（Filename）;% 獲取視頻信息

Image1=read（Video，1）;% 采集首幀圖像

Target=imcrop（Image1）;% 確定目標(biāo)區(qū)域

% 參數(shù)獲取及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

Parameter_character=get（hObject，'string'）;

Parameter_data=str2num（Parameter_character）;

% 目標(biāo)模型構(gòu)建

Target = rgb2hsv（Target）;

function Probmap = hist（Target，rmin，rmax，cmin，cmax）;% 提取目標(biāo)區(qū)域HSV色度信息，建立加權(quán)概率直方圖

% 相似度比較

W=sqrt（Probmapm*Probmap）;% 跟蹤區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域直方圖計(jì)算

S=sum（W）;% 相似度結(jié)果計(jì)算

四、實(shí)驗(yàn)平臺特點(diǎn)

1.邏輯清晰，結(jié)構(gòu)合理

平臺按照知識體系構(gòu)架實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用嵌套方式組織實(shí)驗(yàn)操作。通過先基礎(chǔ)、后綜合的實(shí)驗(yàn)安排，有效引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)。另外在具體實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果顯示的界面布局范式，有效模擬實(shí)驗(yàn)全過程，使得實(shí)驗(yàn)思路更加清晰、實(shí)驗(yàn)?zāi)康母用鞔_、實(shí)驗(yàn)操作更加具體。

2.操作方便，易于擴(kuò)展

平臺提供的交互式實(shí)驗(yàn)仿真界面，便于學(xué)生通過方法選擇和參數(shù)調(diào)整，對比分析不同算法的處理結(jié)果以及參數(shù)變化對仿真結(jié)果的影響。同時(shí)，師生可結(jié)合自身的實(shí)際體驗(yàn)與學(xué)習(xí)需求，修改底層代碼程序或刪、補(bǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對平臺個(gè)性化的優(yōu)化與完善。

3.演練結(jié)合，助力創(chuàng)新

針對各種圖像處理算法，平臺提供了典型的程序示例，多角度幫助學(xué)生加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)化運(yùn)用。同時(shí)還為學(xué)生提供了編程實(shí)踐入口，便于學(xué)生在對原理理解和內(nèi)化的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地加以編程實(shí)踐應(yīng)用，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

五、結(jié)語

數(shù)字圖像處理仿真實(shí)驗(yàn)平臺將抽象的圖像處理理論和算法具體化、可視化，使實(shí)驗(yàn)操作更具交互性，可有效激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的積極性和主動性。該平臺應(yīng)用于《數(shù)字圖像處理》課程實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對知識的理解和內(nèi)化，能夠助力學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有利于改善課程教學(xué)效果。

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（編輯：李曉萍）