張秋菊，夏琬嬌

（燕京理工學(xué)院，河北廊坊，065201）

0 引言

數(shù)字圖像處理通常是計(jì)算機(jī)度二維圖像的收集、分析的整合過程。此課程是人工智能專業(yè)學(xué)習(xí)中一項(xiàng)十分核心的板塊，所涉及的范圍比較廣泛，其實(shí)用性也比較突出。由于此技術(shù)中包含的種種環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，其中有圖像的各種處理方式，而且不同的環(huán)節(jié)所采用的方式方法也均不相同，此外，數(shù)字圖像處理技術(shù)所蘊(yùn)含的理論與核心技術(shù)都太過于復(fù)雜抽象。對(duì)學(xué)生而言，無法在課堂當(dāng)中對(duì)于數(shù)字圖像處理的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入了解，其困難性較高。如今市面上現(xiàn)存的圖像處理技術(shù)大多數(shù)只適用于圖像修飾以及廣告設(shè)計(jì)等方面，并無法適用在課堂教學(xué)當(dāng)中。本文所研究的數(shù)字圖像處理教學(xué)輔助軟件，可以將計(jì)算的過程以及算法的應(yīng)用有效整合并展示出來，使該教程中的數(shù)學(xué)授課內(nèi)容以更為生動(dòng)形象的方式演示出來，這種方式的采用可以使學(xué)生對(duì)于此技術(shù)所涉及的理論知識(shí)與核心技術(shù)更好的消化。

1 教學(xué)輔助軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃

1.1 總體結(jié)構(gòu)

文章對(duì)于數(shù)學(xué)圖像處理技術(shù)與理論知識(shí)為主要基礎(chǔ)以此來設(shè)計(jì)出更多不同的算法[1]。將appwizarf作為軟件的主要框架，而其中也將opencv庫中的功能與設(shè)備進(jìn)行了融合整備，以此來實(shí)現(xiàn)圖像處理的不同功能，如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像處理教學(xué)輔助軟件總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字圖像處理中所蘊(yùn)含了各種各樣不同的操作步驟，以初期所研制的框架為主要依據(jù)，軟件在開發(fā)期間主要針對(duì)分割、操作、復(fù)原以文件操作等模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊蘊(yùn)含的功能也均不一致。

1.2.1 文件操作

文件操作模塊可以實(shí)現(xiàn)圖像的打開、關(guān)閉、保存等功能，可對(duì)圖像進(jìn)行有效的常規(guī)操作。此軟件在設(shè)計(jì)初期就是主要用來處理灰度圖像，利用此模塊可以將未處理完成的圖像另存為儲(chǔ)存空間當(dāng)中，其他模塊的調(diào)動(dòng)更加高效方便。在圖像處理的期間，使用不同步驟所處理完成的圖像均可以詳細(xì)的顯示出來，也可以自由保存。

1.2.2 圖像變換

圖像變化模塊主要是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)運(yùn)算以及幾何變換，例如閾值變換以及圖像的縮放、調(diào)動(dòng)等功能均可以使用此模塊來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。而且圖像在變換的過程中將已經(jīng)設(shè)定好的參數(shù)輸入至彈出的對(duì)話框當(dāng)中，人機(jī)交互工作完成，如圖2所示。

圖2 圖像變換處理圖

1.2.3 圖像增強(qiáng)與復(fù)原

復(fù)原與圖像增強(qiáng)模塊中含有增減對(duì)比度、圖像恢復(fù)以及濾波等功能，此外還有平滑圖像、添加噪聲以及低通濾波等處理也可以有效實(shí)現(xiàn)[3]。添加早僧的過程當(dāng)中可以選擇多種不同的添加方式，而平滑圖像可以利用任意的模板來對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行任意修改；高、低通濾波可以將圖像轉(zhuǎn)換至理想高、低通濾波以及巴特沃斯高、低通濾波。

從下述圖3中可以看出，此圖是添加噪聲以及領(lǐng)域算法操作的相關(guān)效果圖，首先將原有的圖像進(jìn)行讀取工，后在原有的圖像中添加高通噪聲，最后采用領(lǐng)域平均法來對(duì)其含噪圖像進(jìn)行平滑優(yōu)化。

圖3 圖像平滑處理圖

下述圖4為傅里葉變換與低通濾波操作的示意圖，左側(cè)為模糊正方形圖像，右側(cè)則是經(jīng)過濾波處理以后的示意圖。

圖4 圖像濾波處理圖

1.2.4 圖像分割

圖像分割模塊可以將圖像進(jìn)行有效裁剪分割，例如邊緣檢測以及區(qū)域分割。在進(jìn)行區(qū)域分割的過程中還可選擇區(qū)域加長與閾值分割等處理方式，其中在進(jìn)行分割的過程當(dāng)中需對(duì)要進(jìn)行分割的閾值，可以利用彈出的對(duì)話框并輸入要分割的參數(shù)來進(jìn)行分割操作。圖像邊緣檢測，可以通過多種不同的方法來實(shí)現(xiàn)邊緣檢測，如Sobel、Roberts等。圖像分割模塊除了上述所講述的功能意外，還可利用此模塊來實(shí)現(xiàn)邊界跟蹤以及直線檢測等功能。利用直線檢測變化點(diǎn)-線対偶的原理來實(shí)現(xiàn)Hough變換。邊界跟蹤模塊可以對(duì)圖像中所包含的白色背景中所包含的黑色部分進(jìn)行邊界處理并對(duì)其黑色輪廓進(jìn)行提取操作。如圖5所示，此圖中最左邊的為最原始的圖像，中間則是經(jīng)過Roberts算子檢測后的示意圖，最右側(cè)則是使用Hough變換檢測直線的效果圖[4]。

圖5 圖像邊緣檢測與直線檢測圖

1.2.5 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)可以針對(duì)圖像來實(shí)施四種不同的運(yùn)算方式。例如，開運(yùn)算、閉運(yùn)算、膨脹、腐蝕，這四種運(yùn)算方式均是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)模塊最常用的運(yùn)算。此模塊在設(shè)計(jì)期間的初衷就是想利用形態(tài)不同的結(jié)構(gòu)元素去有效提取圖像中所包含的各種形狀，以此為由來實(shí)現(xiàn)識(shí)別與分析圖像的目的。上述四種運(yùn)算方式在有效利用以后與圖像分割進(jìn)行配合可以實(shí)現(xiàn)圖像的分割、修改等全新的處理方式。此外，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中還包含了細(xì)化處理，采取擊中擊不中變換方式可以對(duì)圖像中的目標(biāo)精準(zhǔn)定位并對(duì)其有效監(jiān)測。圖6中所顯示的就是數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)膨脹以后的示意圖，先將最原始的圖像進(jìn)行打開，后對(duì)原始圖像進(jìn)行二值化處理，完成后在開展膨脹處理。

圖6 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹處理圖

2 數(shù)字圖像處理教學(xué)輔助軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1 文件處理

計(jì)算機(jī)應(yīng)用過程當(dāng)中文件操作是極為關(guān)鍵的模塊，由于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)容就儲(chǔ)存在文件當(dāng)中，導(dǎo)致系統(tǒng)在啟動(dòng)的過程中，啟動(dòng)的流程也會(huì)自動(dòng)防止文件當(dāng)中并開始自動(dòng)運(yùn)行。另外，數(shù)據(jù)圖形、軟件等計(jì)算機(jī)所需的軟件都以文件儲(chǔ)藏的形式被放置于計(jì)算機(jī)當(dāng)中，在需要讀取文件期間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開文件并載入。因此在編寫APP的期間，文件的精準(zhǔn)掌握也是一項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)。在計(jì)算機(jī)當(dāng)中，數(shù)據(jù)基本全由文件的形式儲(chǔ)存在硬盤當(dāng)中，圖像以及數(shù)據(jù)也均是如此，圖像以及數(shù)據(jù)大部分的處存放室是以數(shù)字的形式來儲(chǔ)存的，這表明要想使用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行有效處理，對(duì)圖像的了解也是必不可少的。

2.2 幾何變換

數(shù)字圖像處理中所包含的幾何變換是十分重要的內(nèi)容，幾何變化主要可通過應(yīng)用對(duì)圖像的要求來對(duì)圖像進(jìn)行有效調(diào)制，例如圖像的大、小、形狀以及位置等變化。簡單來說，就是幾何變化可使素點(diǎn)所存在的幾何位置進(jìn)行調(diào)動(dòng)，圖像中物體的空間位置也可以利用幾何變化來進(jìn)行調(diào)動(dòng)，這種調(diào)動(dòng)可以被稱為在圖像中的移動(dòng)，特別是針對(duì)規(guī)律性很強(qiáng)的圖像時(shí)，一個(gè)原有的圖像可以通過幾何變換的方式來轉(zhuǎn)變至另一個(gè)不同的圖像。幾何變化不但擁有產(chǎn)生任意圖像的可能，而且可以將圖像設(shè)計(jì)簡化。從客觀角度來看，幾何變化也可以詳細(xì)分為圖像平移、形狀改變以及負(fù)荷變化等不同的幾何變化，利用幾何變化模塊來改變圖像的過程中，圖像原有的像素值并不會(huì)出現(xiàn)任何變化，知識(shí)將圖像表面重打亂新排列像素。幾何變換具體可劃分為連個(gè)不同的部分來計(jì)算：一方面是空間變換所需的運(yùn)算，主要體現(xiàn)在輸出、輸入兩種圖像的映射方面；另一方面為灰度拔插運(yùn)算，按照這種方式進(jìn)行運(yùn)算，所輸出的圖像像素會(huì)被映射至輸入圖像的坐標(biāo)上。

2.3 正交變換

正交變換具體可以劃分為兩方面：一方面是在空間域?qū)D像進(jìn)行簡單直接的處理，這里稱他為空域方式；另一方面就是將圖像轉(zhuǎn)至變換域在進(jìn)行圖像處理操作，這里稱他為變換域方式。而變換域方式中通常使用的方法為頻域法，此方法可以在處理期間進(jìn)行有效變換。這里所提起的變換通常指的是線性變化，而線性變換的運(yùn)算需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)來一一執(zhí)行。

2.4 圖像增強(qiáng)變換

數(shù)字圖像處理中最基本的內(nèi)容便是圖像增強(qiáng)了，圖像增強(qiáng)的主要目的就是將應(yīng)用中需要突出的信息進(jìn)行修改，刪除圖像中所存在的無用信息，以此來使圖像中所含物體特征之間的差距變得更大，經(jīng)過圖像增強(qiáng)處理后在應(yīng)用程序的應(yīng)用更為合適，為后期提取圖像中所含的重要信息奠定基礎(chǔ)。由于圖像增強(qiáng)變換模塊的日常所需以及應(yīng)用目的均不一致，因此所含的標(biāo)準(zhǔn)以及含義也均不相同。一般情況下，圖像在進(jìn)行增強(qiáng)變換以后，視覺效果會(huì)直線上升，這種提升代表圖像中所含特征信息的視覺效果也得到了上升。雖說如此，但在此過程中需要格外注意圖像增強(qiáng)變換后，圖像所含的信息量不會(huì)因此得到提升，而是采用較為先進(jìn)的手段來使應(yīng)用價(jià)值信息得到進(jìn)一步突出。換句話來說，圖像增強(qiáng)變換并不屬于無損處理。

2.5 邊緣檢測

邊緣檢測是數(shù)字圖像處理教學(xué)軟件中最為特殊的模塊，同時(shí)它的作用也是視覺處理過程中最為重要的模塊，還是開展圖像分割操作前的重要基礎(chǔ)。圖像在進(jìn)行處理的期間，邊界是一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的開始，而邊界所含的表明特征區(qū)域均一致，而區(qū)域不同所表明的特征也不一致。而邊緣檢測可以將物體以及背景中的圖像特征來進(jìn)行檢測其變化的位置。

3 結(jié)語

數(shù)字圖像處理教學(xué)輔助軟件可以有效輔助學(xué)生對(duì)此課程的學(xué)習(xí)，此外，所開發(fā)的軟件可以將教學(xué)課程中數(shù)字圖像處理包含的算法以及處理技術(shù)有效展示出來，對(duì)學(xué)生的掌握以及理解有著很好的協(xié)助作用，該課程的教學(xué)效果也因此得到了提升。