林 森，陶志勇，張沛泓，徐 維

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

數(shù)字圖像處理技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)中期，伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)也慢慢地發(fā)展起來。最近幾十年來，許多學(xué)者在圖像處理方面進(jìn)行了大量的研究工作并且取得了豐碩的成果，使數(shù)字圖像處理技術(shù)迅猛發(fā)展，達(dá)到了新的高度，在各領(lǐng)域都得到了更加廣泛的應(yīng)用和關(guān)注[1]。

作為一門多學(xué)科交叉、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性課程，《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、基本原理、實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)用技術(shù)，了解數(shù)字圖像處理基本應(yīng)用和當(dāng)前國內(nèi)外的發(fā)展方向。要求學(xué)生通過該課程學(xué)習(xí)，具備解決圖像處理應(yīng)用問題的初步能力，為在計(jì)算機(jī)視覺、圖像和視頻通信、模式識(shí)別等領(lǐng)域從事研究與開發(fā)打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)[2]。

使用Matlab對(duì)圖像進(jìn)行處理是當(dāng)前領(lǐng)域的一個(gè)必然趨勢，Matlab數(shù)組中的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)圖像中相應(yīng)位置的每一個(gè)像素值，由于圖像是由灰度或者是彩色數(shù)據(jù)構(gòu)成的，那么對(duì)應(yīng)像素值的元素就形成了一個(gè)與圖像大小相同的矩陣，從而可利用Matlab自身強(qiáng)大的矩陣計(jì)算能力來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的數(shù)字處理[3]。

但是，傳統(tǒng)的基于命令行或者腳本文件的編程方法教學(xué)直觀性較差，學(xué)生理解起來比較困難，而Matlab恰恰為用戶設(shè)計(jì)圖形界面提供了一個(gè)高效、方便的集成環(huán)境，因此，本文主要以GUI為平臺(tái)設(shè)計(jì)圖像算法測試系統(tǒng)，有助于學(xué)生更好地理解相應(yīng)的圖像處理方法。

1 基于GUI的圖像處理系統(tǒng)框架及設(shè)計(jì)步驟

本系統(tǒng)主要是利用Matlab提供的GUI平臺(tái)，來設(shè)計(jì)一個(gè)面向?qū)ο蟮目梢暬僮鹘缑?，然后?duì)這個(gè)界面中所列出的功能進(jìn)行后臺(tái)回調(diào)函數(shù)的編寫，從而完成常用圖像處理功能的設(shè)計(jì)，總體方案如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟：①明確系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能，應(yīng)該具有哪些模塊；②繪出基本的用戶界面草圖，并對(duì)其進(jìn)行修改，最終確定一個(gè)方案；③根據(jù)最終確定的方案，利用Matlab GUI制作用戶操作界面及其他菜單項(xiàng)目；④編寫界面及其菜單里每個(gè)功能的回調(diào)程序，并且逐項(xiàng)進(jìn)行功能檢測。按照最終確定方案的要求和系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的布局，該系統(tǒng)應(yīng)主要包括文件、編輯、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像濾波、邊緣檢測、亮度調(diào)節(jié)、特殊處理等幾大模塊。其具體的功能模塊如圖2所示。GUI系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖1 總體方案

圖2 系統(tǒng)功能框架圖

2 數(shù)字圖像處理方法及GUI系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用

2.1 圖像類型的轉(zhuǎn)換

圖像類型的相互轉(zhuǎn)換有很多種，這里圖像類型相互轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)主要是利用Matlab提供的圖像類型轉(zhuǎn)換函數(shù)。設(shè)B為轉(zhuǎn)換后輸出圖像類型，A為輸入圖像類型，則一般有如下轉(zhuǎn)換：①灰度-二值，利用dither函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，這里用到的是抖動(dòng)法，B＝dither（A）；②RGB-灰度，利用rgb2gray函數(shù)實(shí)現(xiàn)，B＝rgb2gray（A）；③灰度-索引，利用gray2ind函數(shù)實(shí)現(xiàn)，[B，map]＝gray2ind（A，n），按照指定的灰度級(jí)數(shù)n和顏色圖map進(jìn)行轉(zhuǎn)換；④二值-索引，轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)與灰度-索引的轉(zhuǎn)換相同，使用同一個(gè)調(diào)用函數(shù)，在這里n表示的是指定顏色圖map的顏色種類；⑤索引-RGB，利用ind2rgb函數(shù)實(shí)現(xiàn)，B＝ind2rgb（A，map），將矩陣A和對(duì)應(yīng)的顏色圖map轉(zhuǎn)換成RGB圖像；⑥矩陣-灰度，利用mat2gray函數(shù)實(shí)現(xiàn)，B＝mat2gray（A，[l，h]），按照指定的取值區(qū)域[l，h]將矩陣A轉(zhuǎn)換為圖像B.如果不指定取值區(qū)間，將默認(rèn)區(qū)間為[0，1]。圖4給出了一個(gè)彩色圖像到灰度圖像的轉(zhuǎn)換示例。

圖3 GUI系統(tǒng)界面

圖4 灰度轉(zhuǎn)換

圖5 直方圖均衡化

2.2 圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理過程中經(jīng)常采用的一種方法，目的是改善視覺效果或者便于人和機(jī)器對(duì)圖像的理解和分析，根據(jù)圖像的特點(diǎn)或存在的問題采取的簡單改善方法或加強(qiáng)特征的措施就稱為“圖像增強(qiáng)”。目前，圖像增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)其處理的空間不同，可分為空域法和頻域法兩大類，前者根據(jù)圖像所在的像素空間進(jìn)行處理，后者是通過圖像變換后在頻域上間接進(jìn)行。直方圖均衡化是常用的圖像空域增強(qiáng)技術(shù)，圖5給出了直方圖均衡化的示例，主要采用histeq（）函數(shù)。

2.3 圖像濾波

圖像濾波，即在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對(duì)目標(biāo)像的噪聲（包括高斯噪聲、椒鹽噪聲、隨機(jī)噪聲）進(jìn)行抑制，是圖像預(yù)處理中不可缺少的操作，其處理效果的好壞將直接影響到后續(xù)圖像處理和分析的有效性和可靠性。主要通過函數(shù)imnoise（）來加入噪聲，然后medfilt2做中值濾波。圖6給出了具體示例。

圖6 中值濾波

圖7 邊緣檢測

2.4 圖像的邊緣檢測

邊緣檢測技術(shù)在數(shù)字圖像處理中顯得非常重要，這是因?yàn)檫吘壥撬崛∧繕?biāo)和背景的界線，只有把邊緣提取出來，才能更好地把目標(biāo)和背景分離開。同時(shí)，圖像分割的基礎(chǔ)正是邊緣檢測技術(shù)。在圖像中，邊界將內(nèi)部特征屬性不一致的區(qū)域劃分開。邊緣檢測技術(shù)正是利用了邊界的這一特點(diǎn)來提取邊緣的。邊緣檢測的本質(zhì)就是檢測圖像特征中灰度、顏色和紋理發(fā)生變化的位置。為了提取區(qū)域邊界，可以對(duì)圖像直接運(yùn)用一階微分算子或二階微分算子，然后根據(jù)各像素點(diǎn)處的微分幅值及其他附加條件判定其是否為邊界點(diǎn)。函數(shù)導(dǎo)數(shù)反映圖像灰度變化的程度，一階導(dǎo)數(shù)的局部極大值和二階導(dǎo)數(shù)的過零點(diǎn)都是圖像灰度變化極大的地方，這里主要利用了edge（）函數(shù)。圖7給出了邊緣檢測的示例。

3 結(jié)論

近年來，隨著圖像應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，圖像處理技術(shù)更是取得了前所未有的矚目成果，特別是深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)的完善和發(fā)展，都展示了計(jì)算機(jī)視覺及數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用的廣闊前景。Matlab軟件功能強(qiáng)大，是目前圖像處理教學(xué)和科研中應(yīng)用最為廣泛的軟件，但傳統(tǒng)的基于Matlab命令行或者腳本文件的圖像處理直觀性較差，教學(xué)效果有限，且功能擴(kuò)展較為煩瑣。本文基于Matlab中的GUI功能設(shè)計(jì)了圖像處理輔助教學(xué)系統(tǒng)，可任意添加和刪除相關(guān)功能模塊，界面簡潔，操作簡單，包括了圖像處理中基本的處理技術(shù)，能夠更加直觀地展示圖像處理的效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，提高了學(xué)習(xí)效率，同時(shí)也加深了 學(xué)生對(duì)理論的理解，從而使教學(xué)效果得到了顯著增強(qiáng)，具有 非常積極的意義。

［1］肖志勇，劉建軍，宋曉寧，等.《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革探索研究［J］.教育教學(xué)論壇，2017（3）：86-87.

［2］莫建文，張彤，袁華，等.深度學(xué)習(xí)在圖像處理技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用探討［J］.教育教學(xué)論壇，2016（9）：115-116.

［3］謝鳳英.數(shù)字圖像處理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2016.