基于MATLAB的數(shù)字圖像處理教學(xué)軟件包的設(shè)計(jì)

1、2009年第 9期 福 建 電 腦基于 MATLAB 的數(shù)字圖像處理教學(xué)軟件包的設(shè)計(jì)袁怡圃 1, 劉懷如 2(1、 泉州師范學(xué)院理工學(xué)院 福建 泉州 3620002、 泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 福建 泉州 362000【 摘 要 】:介紹基于 MATLAB 開發(fā)的數(shù)字圖像處理教學(xué)軟件包的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) . 該軟件包在教學(xué)使用中取得不錯(cuò)的效 果 .【 關(guān)鍵詞 】:MATLAB ; 數(shù)字圖像處理 ; 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)0、 引言" 數(shù)字圖像處理 " 是電子信息類本科專業(yè)的專業(yè)課 , 主要講 授利用計(jì)算機(jī)處理圖像的原理和方法 . 由于圖像處理的算法和 實(shí)踐都需要在計(jì)算機(jī)或其他終端上

2、實(shí)現(xiàn) , 所以單純的理論講解 無(wú)法取得良好的教學(xué)效果 . 將 MATLAB 軟件引入數(shù)字信號(hào)處理 課堂教學(xué)中 , 通過(guò)演示課件 , 將抽象的理論轉(zhuǎn)化為可視化的圖 形 , 可以讓學(xué)生直觀地理解和領(lǐng)會(huì)教材中抽象的內(nèi)容 , 提高學(xué)習(xí) 的積極性和興趣 .1、 MATLAB 軟件的功能和特點(diǎn)MATLAB 軟件是美國(guó) Mathworks 公司推出的一套科學(xué)計(jì)算 軟件 , 它將數(shù)值計(jì)算 、 可視化 、 程序編寫集成于一個(gè)方便的 、 用戶 界面友好的操作環(huán)境中 .下面介紹 MATLAB 軟件相關(guān)的幾個(gè)功能和特點(diǎn) . 簡(jiǎn)單易用的編程語(yǔ)言和環(huán)境 ;MATLAB 語(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單易學(xué) , 用戶不用花太多時(shí)間即 可掌

3、握其編程技巧 . MATLAB 指 令 格 式 與 教 科 書 中 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式非常相近 , 用 MATLAB 編寫程序猶如在便箋上列寫公式和求 解 . 便捷的圖形繪制功能 .MATLAB 提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化函數(shù) , 包括二維 、 三維數(shù) 據(jù)繪圖 、 極坐標(biāo)圖等 . 方便的圖形用戶接口 ;圖形用戶接口是用戶與計(jì)算機(jī)程序之間的交互方式 . 通過(guò) 圖形用戶接口 , 最終用戶不需要了解程序的內(nèi)部運(yùn)行方式 , 便可 方便的運(yùn)行程序 . 圖形用戶接口特別適合于演示課件的制作 . 圖像處理工具箱 ;MATLAB 的圖像處理工具箱支持各種圖像處理 , 包括圖像 空間變換 、 形態(tài)學(xué)處理 、 鄰

4、域與塊處理 、 線性濾波與濾波器設(shè)計(jì) 、 圖像變換 、 圖像分析與增強(qiáng)等 .2、 軟件包的設(shè)計(jì)2.1功能介紹本軟件包的定位是教學(xué)輔助軟件 , 軟件功能與教學(xué)內(nèi)容緊 密結(jié)合 , 涉及的范圍有灰度變換 、 圖像平滑 、 圖像銳化以及頻域 濾波 . 各部分的功能介紹如下 :圖 1圖像分段線性灰度變換灰度變換模塊通過(guò)調(diào)整圖像的灰度范圍 , 從而提高圖像的 灰度對(duì)比度 . 該模塊實(shí)現(xiàn)了線性變換 、 分段線性變換和對(duì)數(shù)變換 3種灰度變換 . 用戶可通過(guò)圖形界面選擇依次選擇輸入圖像 、 灰 度變換方式及其輸入相應(yīng)的參數(shù) , 運(yùn)行后可得到灰度變換曲線 和變換后的圖像 , 如圖 1所示 .圖像平滑模塊通過(guò)各種平

5、滑技術(shù)減少圖像噪聲 . 考慮到圖 像噪聲的多樣性 , 因此該模塊提供了 4種圖像噪聲 :高斯噪聲 、 椒鹽噪聲 、 泊松噪聲和乘性噪聲 . 用戶通過(guò)圖形界面依次選擇輸 入圖像 、 圖像噪聲和圖像平滑方式 , 運(yùn)行后可得到原始圖像 、 加 噪圖像和平滑處理后的圖像 . 該模塊中提供了低通濾波 、 中值濾 波 、 均值濾波和維納濾波 4種平滑處理方法 , 如圖 2所示 . 圖 2圖像平滑 (椒鹽噪聲 , 中值濾波 圖 像 銳 化 模 塊 通 過(guò) 各 種 方 法 使 圖 像 的 邊 緣 和 輪 廓 變 得 清 晰 , 從而使其細(xì)節(jié)清晰 . 該模塊實(shí)現(xiàn)了以下幾種圖像銳化算 法 :梯度法 、 sobel

6、 算子 、 laplacian 算子 、 prewitt 算子和高通濾波 . 用戶 操作時(shí) , 依次選擇輸入圖像 、 銳化方式及其相關(guān)輸入?yún)?shù) , 運(yùn)行 后可得到原始圖像與銳化后的圖像 , 如圖 3所示 .圖 3圖像銳化 (sobel 算子 圖像頻域?yàn)V波模塊通過(guò)設(shè)計(jì)高通與低通濾波器實(shí)現(xiàn)圖像的 銳化與平滑 . 該模塊提供了 4種高通 /低通濾波器 , 分別是理想 型 、 巴特沃斯型 、 指數(shù)型和梯形型 . 當(dāng)用戶選擇好輸入圖像 、 高通 /低通濾波器類型及其相應(yīng)的輸入?yún)?shù) , 運(yùn)行后可得到原始圖像 、 1302009年第 9期 福 建 電 腦(上接第 159頁(yè) !型 , 數(shù)據(jù)符號(hào)可以近似熵率進(jìn)行

7、編碼 , 提高編碼效率 。 具體過(guò)程 如下 :(1 二 進(jìn) 制 化 :由 于 CABAC 是 對(duì) 二 進(jìn) 制 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 編 碼 , 對(duì) 非二進(jìn)制數(shù)必須先進(jìn)行二進(jìn)制化轉(zhuǎn)換 。 對(duì)于已經(jīng)二進(jìn)制化的符 號(hào)的每一個(gè)比特 , 重復(fù)下面的 (2、(3、(4 步驟 。(2 選擇上下文模型 :上下文模型是對(duì)已經(jīng)二進(jìn)制化符號(hào)的 一個(gè)或多個(gè)比特?cái)?shù)的概率模型 。 基于最近編碼過(guò)的數(shù)據(jù)符號(hào)的 統(tǒng)計(jì)規(guī)律 , 從可用的模型中選擇上下文模型 。 上下文模型存儲(chǔ)了 每個(gè)比特?cái)?shù)是 0還是 1的概率 。(3 算法編碼 :算法編碼器根據(jù)選擇的概率模型進(jìn)行編碼 。 對(duì)于每一個(gè)比特?cái)?shù) , 只有可取 0或 1兩種情況 。(4 概率

8、修正 :已選擇的上下文模型根據(jù)實(shí)際編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行 修正 , 若新編碼的比特?cái)?shù)是 1, 則 1的概率就增高 。 當(dāng)熵編碼模型的值為 0時(shí) , 對(duì)經(jīng)變換和量化后的殘差塊數(shù)據(jù)使 用基于上下文的自適應(yīng)可變長(zhǎng)編碼 , 即 CAVLC 方式編碼 。 以上 H.264編碼過(guò)程的程序嵌入到 SV-IP01處理器內(nèi) , 由 主控機(jī)在視窗操作系統(tǒng) Windows2000下的監(jiān)控軟件實(shí)施調(diào)度 , 整個(gè)編碼過(guò)程不占用主控機(jī)處理器的時(shí)間 , 只是在將數(shù)據(jù)送入 PCI 總線時(shí)向主控機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào) , 主控機(jī)完成數(shù)據(jù)錄入 、 存儲(chǔ)和顯示輸出 。參考文獻(xiàn) :1.ITU-T telecommunication standar

9、dization sector of ITU 2003.52.H.264/MPEG-4Part 10White Paper 3. 麻曉園等 . H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用 。 現(xiàn)代電信 科技 2003(7濾波后圖像 、 濾波器的三維頻譜圖和濾波前后圖像頻譜曲線 (沿 水平方向頻譜截面 , 如圖 4所示 .圖 4圖像頻域高通濾波 (巴特沃斯型低通濾波器 2.2圖形用戶界面 (Graphical User Interface , GUI 設(shè)計(jì)在進(jìn)行 GUI 設(shè)計(jì)之前 , 要先對(duì)每個(gè)模塊功能進(jìn)行分析 , 確 定模塊的輸入輸出 ; 然后結(jié)合 MATLAB 的 GUI 設(shè)計(jì)環(huán)境 , 設(shè)

10、計(jì) 合理的圖形用戶界面 . 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因 素 :(1 交 互 式操作的便捷性 ;(2 結(jié)果的顯示能起到良好的展示效果 ;(3 功 能相似的模塊集中以方便結(jié)果的比較 .MATLAB 提供了兩種創(chuàng)建圖形用戶接口的方法 :通過(guò) GUI 向?qū)У姆椒ê途幊痰姆椒?, 其中利用 GUI 向?qū)?chuàng)建的方法是比 較方便的 . 在 GUI 向?qū)гO(shè)計(jì)環(huán)境中 , MATLAB 提供了 13種 GUI 的控件 . 下面按照控件的用途對(duì)控件進(jìn)行介紹 :(1 常 用 于 輸 入 的控件 :單選按鈕 、 按鈕組 、 彈出式菜單 、 列表框和復(fù)選框控件適 用于需要從多個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行選擇的情況 ; 編輯文本框適用于需要

11、進(jìn)行文本或數(shù)值輸入的情況 ; 滑動(dòng)桿適用于需要數(shù)值輸入的情 況 . (2 常用于輸出的控件 :坐標(biāo)軸適用于可視化結(jié)果的輸出 ; 靜 態(tài)文本框適用于文本或數(shù)值結(jié)果的輸出 . (3 常用于執(zhí)行命令的 控件 :切換按鈕和命令按鈕常用于執(zhí)行命令 . 另外 , 面板控 件 常 用于美觀修飾 , ActiveX 控件則提供了其他豐富的功能但僅限于 windows 操作系統(tǒng) .接下來(lái)以 " 圖像灰度變換模塊 " 為例 (圖 1, 介紹設(shè)計(jì)思路 . 如前文所述 , 該模塊將集成線性灰度變換 、 分段線性灰度變換和 對(duì)數(shù)灰度變換 3種變換方式 , 在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要同時(shí)考慮這 3種方式的輸入

12、、 輸出以及不同方式切換時(shí)的相互影響 .在輸出方面 , 由于灰度變換模塊主要展現(xiàn)圖像灰度范圍的 變化對(duì)圖像視覺(jué)效果的影響 , 因此需要提供原始圖像與變換后 圖像的顯示 . 另外將變換函數(shù)的波形直觀顯示有助于用戶了解 灰度變換的關(guān)系 , 將原始圖像的灰度范圍顯示有助于用戶了解 原始圖像的灰度信息 .在輸入方面 , 根據(jù)變換關(guān)系函數(shù)確定輸入?yún)?shù) . 線性灰度變 換 、 分段線性變換和對(duì)數(shù)變換的函數(shù)關(guān)系如式 (1 (3 所示 . (1(2(3式 (1 中原圖像 f(x,y的 灰 度 范 圍 為 a,b , 輸 出 圖 像 g(x,y的 灰度范圍為 c,d . 式 (2 中將灰度區(qū)間為 a,b 線性擴(kuò)

13、展為 c,d , 灰度區(qū)間 0,a 和 b,e 受到相應(yīng)的壓縮 . 式 (3 中參數(shù) a 和 b 用于控 制曲線的位置和形狀 . 根據(jù)上述分析 , 在圖形用戶界面上需要提 供以下輸入 :輸入灰度范圍 (用于分段線性變換 、 輸出灰度范圍 (用于線性變換 /線性擴(kuò)展范圍 (用于分段線性變換 和 用 于 對(duì) 數(shù)變換的參數(shù) a,b . 為了提供便捷的輸入以及減少輸入的錯(cuò)誤 , 參 數(shù)的輸入采用滑動(dòng)桿控件 . 另外不同變換方式的切換采用按鈕 組結(jié)合單選按鈕控件來(lái)實(shí)現(xiàn) 。界面設(shè)計(jì)好后 , 還要綜合分析用戶使用的各種情況 , 確定各 個(gè)控件之間的關(guān)系 , 從而在相應(yīng)控件的回調(diào)函數(shù)中加入對(duì)其他 控件的控制語(yǔ)句 . 例如在運(yùn)行過(guò)程中 , 當(dāng)用戶從一種變換方式切 換到另一種方式時(shí) , 要激活相應(yīng)的輸入控件 , 禁止無(wú)關(guān)的輸入控 件并且初始化相應(yīng)的輸出 .3、 結(jié)束語(yǔ)MATLAB 軟件功能強(qiáng)大 , 編程較為方便 , 利用 MATLAB 開發(fā) 的圖像處理教學(xué)軟件包 , 可用于 圖像處理 課程的教學(xué) . 通過(guò)課 堂演示 , 有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握 , 在實(shí)際教學(xué)中取得不錯(cuò) 的效果 .參考文獻(xiàn) :1. 余 成 波 . 數(shù) 字 圖 像 處 理 及 MATLAB 實(shí) 現(xiàn) M.