趙杰 楊陽 李英

（商洛學院電子信息與電氣工程學院 商洛 726000）

1 引言

數(shù)字圖像處理已經(jīng)成為高校電子信息類專業(yè)非常重要的專業(yè)課程。數(shù)字圖像處理課程主要講授圖像處理的基本原理和基本方法。該課程理論性較強，而且與工業(yè)生產(chǎn)及社會生活聯(lián)系比較緊密［1～5］。目前，大多數(shù)高校在教學過程中改用 Mat?lab等軟件作為輔助教學手段，通過編程、仿真分析等方式，避免枯燥的理論講解和簡單的圖示，使學生更直觀地感受圖像處理的效果，加深對理論知識的理解［6～8］。但一般的實驗教學還是以圖像基本運算、圖像傅里葉變換、邊緣檢測、圖像去噪、彩色圖像處理等基礎型實驗為主，缺乏綜合應用與創(chuàng)新能力的訓練［9～10］。

從霧霾情況下采集的退化圖像中恢復和增強細節(jié)信息具有重要的現(xiàn)實意義，圖像去霧是一個前沿性問題，隨著社會對霧霾的重視，圖像去霧也成為當前研究的熱點［11～12］。為增強學生理論聯(lián)系實際的能力，我院對創(chuàng)新型實驗進行了探索和研究，本文以“圖像增強”相關實驗為例，將圖像去霧這個當前的研究熱點引入課程實驗中，構建一個創(chuàng)新型實驗項目。

2 直方圖均衡化

數(shù)字圖像是離散化的數(shù)值矩陣，可以把直方圖看作是一個離散函數(shù)，它代表了數(shù)字圖像中每一個灰度級與其發(fā)生概的統(tǒng)計關系。假設一幅數(shù)字圖像 f(x，y)的像素總數(shù)為N，第k個灰度級對應的灰度用rk表示，nk表示灰度為rk的像素個數(shù)即頻數(shù)，用橫坐標表示灰度級，用縱坐標表示頻數(shù)，則直方圖可以定義為P(r)=nk，其中P(r)表示灰度r

kNkk出現(xiàn)的相對頻數(shù)即概率。整個坐標系描述的是圖像灰度級的分布情況，由此可以看出圖像的灰度分布特性，即若大部分像素集中在低灰度區(qū)域，圖像呈暗的特性，若集中在高灰度區(qū)域，圖像呈現(xiàn)亮的特性。通過直方圖均衡化處理，使得圖像的灰度分布趨向均勻，圖像所占有的像素灰度間距拉開，加大了圖像反差，改善視覺效果，達到增強目的。

直方圖均衡化主要過程有三步：

3）用累積分布函數(shù)作變換函數(shù)進行圖像灰度變換：根據(jù)計算得到的累積分布函數(shù)，建立輸入圖像與輸出圖像灰度級之間的對應關系。

局部直方圖均衡化比經(jīng)典的全局直方圖均衡化在操作之前多了一個選定局部區(qū)域的步驟，每個區(qū)域內(nèi)仍然采用經(jīng)典直方圖均衡化方法。

3 創(chuàng)新型實驗設計

將目前比較熱門的圖像去霧引入到實驗中，加以適當簡化，改造為創(chuàng)新型實驗。主要實驗步驟及內(nèi)容如下。

在初步仿真驗證的基礎上，構建GUI界面，圖像的顯示可以通過“axes”實現(xiàn)。還可以加上必要的文本顯示，如圖1所示。

圖1 基本GUI界面設計

主要操作的控件可以選擇“pushbutton”，也可以通過“Menu Editor”來實現(xiàn)。

圖2 菜單編輯

控件要實現(xiàn)一定的功能，還需學生編寫相應的回調(diào)函數(shù)。構建好的實驗界面如圖3所示。

圖3 GUI界面

打開圖像去霧系統(tǒng)，點擊文件，如圖4所示。

圖4 打開GUI界面并準備載入原始圖像

然后點擊打開，載入原始圖像，結果圖5所示。

圖5 載入原始圖像

可以通過菜單命令選擇使用經(jīng)典全局方法還是局部方法，如圖6所示。

圖6 圖像去霧方法選擇

選擇經(jīng)典全局直方圖處理結果如圖7所示。

圖7 全局直方圖去霧

經(jīng)過全局直方圖去霧后圖像的清晰度有明顯的改變。但在局部區(qū)域處理出現(xiàn)色彩失真的情況。

選擇局部直方圖處理結果如圖8所示。

圖8 局部直方圖去霧

觀察局部直方圖去霧后的圖像會發(fā)現(xiàn)，該算法有效保持了原始圖像的局部特征，未出現(xiàn)明顯的色失真現(xiàn)象，同時得到了去霧增強的效果。但從整體來看，局部直方圖處理結果亮度偏暗，依然存在一些模糊區(qū)域。

4 結語

直方圖均衡化是圖像處理實驗的常見項目，一般實驗過程為讀入圖像，然后對其進行直方圖均衡化，并對比均衡化前后的圖像及其直方圖分布情況。這種實驗過程只能單純地起到驗證作用，學生實施起來也覺得按部就班，毫無新意。創(chuàng)新型實驗是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、增強理論聯(lián)系實際能力的重要手段。本文以圖像增強實驗為例，設計了創(chuàng)新型實驗項目，將基礎理論中的直方圖均衡化和目前的研究熱點——圖像去霧結合起來，使學生對理論聯(lián)系實際有了直觀體驗，也增強了實驗課程學習的趣味性。