馬宏亮，查申龍，吳義恒，朱海柱，江巨浪

(安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246133)

數(shù)字圖像處理是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行噪聲抑制、對(duì)比度增強(qiáng)、目標(biāo)分割、特征提取等處理的方法和技術(shù)，是高校電子信息類專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。圖像處理技術(shù)近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展，經(jīng)典教材也較多，如岡薩雷斯編著的《Digital Image Processing》[1]。通過(guò)合理設(shè)置數(shù)字圖像處理課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，搭建相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)處理平臺(tái)，可以豐富專業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)提升學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣[2-3]。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言MATLAB(Matrix&Laboratory)，意為矩陣工廠，在處理以矩陣形式保存的數(shù)字圖像的相關(guān)運(yùn)算時(shí)，較C、JAVA和FORTRAN等語(yǔ)言更為簡(jiǎn)便，因而在實(shí)際數(shù)字圖像處理的教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]指出，通過(guò)在數(shù)字圖像處理課程中滲透MATLAB教學(xué)，可以化解傳統(tǒng)教學(xué)方式中的繁雜步驟，如MATLAB自帶的函數(shù)工具可以很方便地實(shí)現(xiàn)圖像的讀取、保存或顯示操作，免去了使用C等編程語(yǔ)言在處理圖像時(shí)多行代碼的編寫(xiě)。文獻(xiàn)[5]則是較為系統(tǒng)地概括了數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)的內(nèi)容安排，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行按難度分層遞進(jìn)設(shè)計(jì)，可以很好地應(yīng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力參差不齊的實(shí)際現(xiàn)狀。為了更進(jìn)一步提高數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，本課題組結(jié)合近年來(lái)的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出在LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）圖形化編程平臺(tái)中嵌入MATLAB圖像處理程序的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，這樣可以直觀展現(xiàn)圖像處理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的輸入、輸出與流向，從而進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解。

1 虛擬平臺(tái)的搭建

通常數(shù)字圖像的描述和存儲(chǔ)均采用矩陣形式，MATLAB語(yǔ)言強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算性能無(wú)疑可以很好地提高數(shù)字圖像處理的效率[5]，但也存在不足，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

1）MATLAB在處理圖像時(shí)無(wú)法形象直觀地表示出數(shù)據(jù)的具體流向，這在一定程度上造成理解和糾錯(cuò)修改的難度。

2）使用MATLAB對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行編程處理時(shí)，基本上是全文本輸入模式，編程形式單一，學(xué)生易感覺(jué)枯燥。

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言（即通常所說(shuō)的G語(yǔ)言），在現(xiàn)代工業(yè)、生物及生命科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)在于使用可視化圖標(biāo)來(lái)替代文本輸入的方式進(jìn)行相關(guān)代碼程序的創(chuàng)建編寫(xiě)[6]。LabVIEW中的視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊擁有強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)處理庫(kù)，且可以與多種編程軟件間實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用，進(jìn)而完成各種關(guān)于圖像處理、視覺(jué)運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集的控制。相比于MATLAB，Lab-VIEW的輸入對(duì)象不僅可以是存儲(chǔ)的圖像文件，還可以是從攝像頭等硬件探測(cè)器獲取的圖像數(shù)據(jù)，且圖形化的編程語(yǔ)言會(huì)使輸入輸出更為直觀，數(shù)據(jù)的流向也更為具體。由于LabVIEW程序的編寫(xiě)更接近于實(shí)物上位機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成模式，

圖1LabVIEW前面板

圖1 中左半邊為處理前的圖像在LabVIEW 從而也較容易激發(fā)學(xué)生的興趣。然而就代碼的核心部分而言，LabVIEW在處理矩陣運(yùn)算時(shí)卻不如MATLAB的m文件方便。據(jù)此，提出了在LabVIEW的平臺(tái)上使用MATLAB腳本來(lái)處理核心的代碼部分，結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)梯度設(shè)置難度不同的圖像處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，幫助學(xué)生掌握和運(yùn)用數(shù)字圖像處理課程的操作技術(shù)與理論方法。

2 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)與分析

下面以圖像椒鹽噪聲抑制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為例，探討在LabVIEW平臺(tái)上嵌入MATLAB腳本編程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.1 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)

椒鹽噪聲抑制是數(shù)字圖像去噪的一項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種類型噪聲通常是指由圖像傳輸處理中產(chǎn)生的黑白相間的亮暗點(diǎn)噪聲，又稱雙極脈沖噪聲，對(duì)圖像的視覺(jué)效果有明顯的破壞。為了抑制圖像中的椒鹽噪聲，一般在3×3的濾波模版內(nèi)采用中值濾波算法對(duì)其進(jìn)行抑制，同時(shí)保持圖像的邊界像素不變。對(duì)于一幅8位量化、分辨率為M×N的含椒鹽噪聲的數(shù)字圖像，設(shè)Ω為其任意的一個(gè)3×3的濾波模版，通過(guò)中值濾波可以得到模版中心位置(i,j)處的像素值為

其中，Y(i,j)為最終的輸出圖像。通過(guò)中值濾波處理可以很好地抑制圖像中的椒鹽噪聲，改善圖像的視覺(jué)質(zhì)量。為了讓學(xué)生更好地理解算法的處理過(guò)程，將圖像的輸入輸出與算法處理分別在Lab-VIEW平臺(tái)和MATLAB中進(jìn)行模擬仿真。算法處理的前面板和程序框圖分別如圖1和圖2所示。

圖2 LabVIEW程序框圖

前面板上的顯示，右半邊為處理后的結(jié)果，可以看到經(jīng)處理后圖像質(zhì)量有了較大提高。圖2為L(zhǎng)abVIEW后面板的程序框圖結(jié)構(gòu)，整個(gè)框圖由3部分組成。第1部分是從file path路徑讀取原始圖像數(shù)據(jù)；第2部分是在LabVIEW中嵌入MATLAB中值濾波處理程序，對(duì)圖像的噪聲進(jìn)行抑制；第3部分是輸出原始圖像和處理后的圖像進(jìn)行對(duì)比。如果在高亮模式下執(zhí)行整個(gè)程序框圖，就可以直觀地看出處理過(guò)程中數(shù)據(jù)的具體流向。另外，在LabVIEW前面板中通過(guò)鼠標(biāo)懸停，可以得到處理前后圖像中任意一點(diǎn)灰度值的改變情況，便于評(píng)價(jià)圖像的處理效果。從以上處理過(guò)程可以看出，把MATLAB和LabVIEW相結(jié)合進(jìn)行圖像處理，可以最大化地發(fā)揮它們的各自優(yōu)勢(shì)，使圖像的處理過(guò)程既高效又形象直觀。在結(jié)合有關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)類似實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行合理規(guī)劃安排，可以更好地將實(shí)際應(yīng)用與理論算法相結(jié)合，從而加深學(xué)生對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解。

2.2 提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的若干要素分析

1）在理論教學(xué)中注重使用現(xiàn)代化教學(xué)手段

根據(jù)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，恰當(dāng)使用現(xiàn)代化教學(xué)手段，這有利于加快、加深學(xué)生對(duì)原理與方法的理解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞較大程度上取決于學(xué)生對(duì)理論課教學(xué)內(nèi)容的理解。當(dāng)學(xué)生明晰圖像處理算法的理論基礎(chǔ)后，通過(guò)模擬仿真及實(shí)際處理前后的效果對(duì)比可進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。實(shí)驗(yàn)課與理論課相輔相成，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。

2）合理運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

情景教學(xué)模式是以案例或情景為載體引導(dǎo)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)方式較多，應(yīng)盡可能選取學(xué)生容易理解的方法設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)基于LabVIEW虛擬平臺(tái)的直觀數(shù)據(jù)輸入、輸出和清晰的數(shù)據(jù)流向脈絡(luò)，展示教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，是一種基于情景教學(xué)模式的教學(xué)方法，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)探究的興趣。

3）引導(dǎo)學(xué)生選修相關(guān)的程序語(yǔ)言課程

在條件允許的情況下，可以引導(dǎo)學(xué)生選修關(guān)于MATLAB和LabVIEW的選修課程(一般高校都有開(kāi)設(shè))，提前了解與掌握上述程序與軟件的使用方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，信息技術(shù)的快速發(fā)展使數(shù)字圖像處理課程變得非常重要。本文通過(guò)結(jié)合LabVIEW虛擬平臺(tái)的情景教學(xué)模式和MATLAB語(yǔ)言編程優(yōu)勢(shì)，提出一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方法。教學(xué)效果表明：該方法有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主動(dòng)性與積極性，提升學(xué)生對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解能力，使數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能更好地服務(wù)于“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)技能”的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)。