華國(guó)棟 徐志超 繆治康 許長(zhǎng)勇

【摘要】依據(jù)改進(jìn)灰度級(jí)量化方法的基本原理，提出一種步驟分解演示改進(jìn)灰度級(jí)量化過程的方法，并使用MATLAB圖形界面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)改進(jìn)灰度級(jí)量化演示系統(tǒng)，促進(jìn)提高課堂教學(xué)效率。

【關(guān)鍵詞】IGS；演示程序；圖形用戶界面程序

一、引言

人類的視覺系統(tǒng)并非對(duì)所有視覺信息都有相同的敏感度。和計(jì)算機(jī)處理圖像不同，人類對(duì)圖像所傳達(dá)信息的感知和理解并不需要對(duì)圖像中每個(gè)像素值進(jìn)行定量分析。這意味著，在正常的視覺處理過程中各種信息的相對(duì)重要程度并不是完全相同的。術(shù)語“心理視覺冗余”指的是圖像中那些不是那么重要的信息。在不對(duì)圖像觀感造成負(fù)面影響的前提下，這些冗余是可以消除的。

改進(jìn)的灰度級(jí)量化（Improved gray-scale quantization， IGS）是一種消除心理視覺冗余的方法。IGS量化方法的算法復(fù)雜，學(xué)習(xí)時(shí)難度大?；诖?，本文在分析IGS量化原理的基礎(chǔ)上，提出一種步驟分解演示IGS量化編碼過程的方法，并設(shè)計(jì)MATLAB圖形用戶界面程序?qū)崿F(xiàn)IGS量化編碼過程的步驟演示，從而幫助降低用戶學(xué)習(xí)IGS量化方法的難度，促進(jìn)用戶對(duì)知識(shí)的理解和消化。

二、IGS量化方法的基本原理

IGS量化方法根據(jù)人眼對(duì)邊緣的固有敏感，通過對(duì)每一個(gè)像素值增加一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，將邊緣“拆散”。這個(gè)偽隨機(jī)數(shù)是根據(jù)表示相鄰像素值的低位生成的。由于相鄰像素值的低位是隨機(jī)的，所以這樣做相當(dāng)于增加了與偽輪廓相關(guān)的人工邊緣隨機(jī)性的灰度級(jí)。

圖1、圖2、圖3、圖4比較了IGS量化和均勻量化的處理效果。在圖1和圖3中，人物頭頂附近有明顯的高亮度偽輪廓。比較兩幅圖還可以發(fā)現(xiàn)，量化位數(shù)越低，偽輪廓越明顯。使用IGS量化方法的圖2、圖4則明顯削弱了偽輪廓?？梢姡诹炕粩?shù)相同的情況下，使用IGS量化方法較均勻量化有更佳的視覺效果。

三、MATLAB圖形用戶界面程序設(shè)計(jì)

（一）算法描述

假設(shè)量化位數(shù)為b位，所處理的圖像均為8位圖像，那么IGS量化編碼的過程可描述如下：

1.設(shè)定初始的“和”s為（00000000）2；

2.如果當(dāng)前像素p的值的高b位全為（1）2，那么直接取出當(dāng)前像素的高b位作為當(dāng)前像素的編碼值；

3.如果當(dāng)前像素的高b位不全為（1）2，那么令s等于當(dāng)前像素p的值與原來的s的低（8-b）位相加之和；所得新的s的高b位作為當(dāng)前像素的編碼值；

4.處理下一個(gè)像素。如果沒有下一個(gè)像素，表示圖像已經(jīng)處理完畢；否則將下一個(gè)像素視為當(dāng)前像素，回到步驟（2）。

以上文字表述的算法亦可翻譯為流程圖，如圖 5所示。圖中的符號(hào)采用了C語言風(fēng)格的運(yùn)算符，“<<”表示邏輯左移，“&”表示按位進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，“=”表示向左側(cè)的變量賦值，“==”表示判斷兩側(cè)的變量是否相等。

（二）步驟分解演示IGS量化編碼過程的基本思路

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步驟演示的基本思路是：用戶點(diǎn)擊開始演示按鈕時(shí)，啟動(dòng)演示并對(duì)輸入的第一個(gè)像素進(jìn)行IGS量化編碼。用戶點(diǎn)擊下一步按鈕時(shí)，程序處理下一個(gè)像素。換言之，當(dāng)前待處理像素在2.1節(jié)的描述中本來是由程序“自動(dòng)”控制的，而本設(shè)計(jì)則把這種自動(dòng)控制改成了由用戶“手動(dòng)”控制，從而能實(shí)現(xiàn)逐步演示。

量化過程的展示是在MATLAB GUI表格對(duì)象中進(jìn)行的。圖 6展示了本程序利用表格演示IGS量化編碼的實(shí)施思路。如圖 6，本程序借助三個(gè)矩陣（元胞）來進(jìn)行量化過程的演示。這三個(gè)矩陣（元胞）第一列表示當(dāng)前處理像素的值，也就是灰度級(jí)，第二列表示IGS量化過程中“偽隨機(jī)數(shù)”與當(dāng)前像素之和，第三列表示當(dāng)前像素的IGS量化編碼值。

矩陣MAT_IGS_DEMO存儲(chǔ)“原始”表格數(shù)據(jù)。其中表格的第二、第三列數(shù)據(jù)通過2.1節(jié)所描述的算法處理得到的。

元胞IGS_DEMO_DATA存儲(chǔ)中間結(jié)果，也就是十進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)二進(jìn)制字符串函數(shù)dec2bin在輸入?yún)?shù)為MAT_IGS_ DEMO時(shí)的輸出。函數(shù)dec2bin產(chǎn)生的字符串長(zhǎng)度未必是8位，故對(duì)于產(chǎn)生的長(zhǎng)度少于8位的字符串，要在其中添加前導(dǎo)的“0”以補(bǔ)成8位。

元胞demo_data_html存儲(chǔ)具有富文本樣式的演示數(shù)據(jù)，這些富文本樣式是通過對(duì)IGS_DEMO_DATA中的某些元素添加HTML標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)的。使用HTML標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)控件文本的樣式控制是MATLAB GUI程序設(shè)計(jì)的常見手段。

使用富文本標(biāo)記能夠更清楚地讓用戶理解當(dāng)前的IGS量化編碼的輸出是怎樣得到的，“偽隨機(jī)數(shù)”是如何生成的，從而能夠使用戶更容易理解IGS量化編碼的過程。如圖 7，當(dāng)前像素的高位不全為“1”之時(shí)，高位用綠色標(biāo)出。同時(shí)，與當(dāng)前像素相加的二進(jìn)制位用藍(lán)色標(biāo)出。如圖 8，當(dāng)前像素的高位全為“1”之時(shí)，高位的全“1”則用紅色標(biāo)出。編碼結(jié)果對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位用下劃線劃出。

（三）設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)得到的用戶界面程序如圖 9所示。用戶界面左上角的輸入框允許用戶輸入待量化像素值的二進(jìn)制形式，右上角使用滑動(dòng)條讓用戶決定量化位數(shù)。右下角的三個(gè)按鈕“開始演示IGS量化過程”、“下一步”和“重置”分別控制演示過程的啟動(dòng)、演示過程中的步進(jìn)和恢復(fù)程序?yàn)槟J(rèn)狀態(tài)。界面左下角的表格用來顯示IGS量化過程中每一步的輸出結(jié)果。

四、結(jié)束語

IGS量化編碼的編碼過程較難理解，學(xué)習(xí)者面對(duì)課本上的文字描述往往絞盡腦汁卻仍一知半解。本文設(shè)計(jì)的圖形界面程序能讓用戶觀察到IGS量化編碼方法的逐步演示，能有效幫助用戶理解IGS量化方法，降低學(xué)習(xí)難度。

參考文獻(xiàn)

[1] 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 張慶豐.弱數(shù)學(xué)要求的數(shù)字圖像處理教學(xué)[J].大學(xué)教育，2014（02）：75～77.

[3] 吳峰，朱錫芳，劉浩，徐志超，趙越.“圖像信息處理”課程教輔軟件的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015（06）：117～120.

[4] 羅華飛.MATLABGUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5] 張?chǎng)?，吳娛，平子良，丁啟蘭，金小溪.基于MATLABGUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（18）：6～8.

[6] 李磊.基于MATLABGUI的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：成都理工大學(xué)，2012.