数字图像处理实验教学软件设计

仲会娟

（阳光学院电子信息工程系，福州 350015）

数字图像处理实验教学软件设计

仲会娟

（阳光学院电子信息工程系，福州 350015）

针对当前电子信息类本科专业数字图像处理课程教学的特点和存在的问题，探索开发了综合性的实验教学软件。该系统在Matlab内部的图形用户界面开发环境（GUIDE）中以M函数的形式设计实现，包括基本算法和综合实例两部分。该实验教学软件界面友好、可扩展性强且紧密贴合教材易于作为教师课程教学的辅助工具；同时算法结果直观明了，并且运行中提供算法的关键语句，可帮助学生轻松掌握图像处理的基本理论和基本方法，具有较高的应用价值和应用前景。

数字图像处理；图形用户界面；实验教学软件；Matlab

0 引言

随着科学技术的发展，数字图像处理广泛应用，数字图像处理已成为高等学校电子信息类专业重要的专业课。但是，由于数字图像处理理论性和实践性都强，并且课程涉及的内容广泛，是一门综合性很强的交叉学科[1]，仅通过传统的课堂理论教学学生不能对所学知识得到直观的认识，因此很难切实掌握课程的基本理论和基本算法。为了解决传统课堂理论教学和课内实验教学相结合中无法获得理想的培养效果的问题，设计提出了采用Matlab的GUI环境建立与课程紧密结合的、界面友好的、交互性和可扩展性强的教学实验软件[2]，目的是方便教师进行课堂算法演示，使学生快速的、深入的理解数字图像的基本概念和典型方法，同时帮助学生进行课下编程语言的学习和巩固。

设计采用Matlab R2012a可视化数值计算软件平台，在GUIDE工具集中进行组件的布局创建图形用户界面，并为每个控件编写回调函数[3]。设计中图形用户界面采用自顶向下的设计方法，即先设计主界面再设计各个子模块界面；而回调函数编程则是采用自底向上的设计方法[4]，在各个子模块功能实现的情况下，通过主界面程序调用各个功能模块实现一个完整的实验教学系统。

该系统在国内图像处理实验教学软件的研究基础上设计，包括了数字图像处理学科大部分的经典算法；而且引入一些较新的处理成果，使学生不仅掌握图像处理学科的基本原理和基本方法[1]，也能够了解该学科较新的研究领域，拓展其学科视野。同时引入一些比较热门的综合应用实例，使学生站在应用系统的角度去理解所学知识，让学生切实感受到图像处理的应用就在身边。在毕业设计和课程设计阶段，学生还可以有效利用本实软件进行算法选择和组合实验，从而提高系统设计开发速度，更有利于学生创新[3]。

1 教学实验软件总体结构设计

该实验教学系统旨在辅助课堂教学，帮助学生理解消化课堂基本知识，所以它涵盖了图像几何变换、图像频域变换、图像增强、图像分割、图像复原、图像编码等数字图像处理的经典算法[5]。考虑到部分学生对数字图像处理课程具有较高的学习兴趣和主动性，系统还提供了图像形态学处理和一些综合设计实例，其整体结构如图1所示。由于数字图像处理涵盖内容比较多，因此各个子模块可能包含不同的功能模块，下面以图像增强模块为例，其内部包括灰度变换、直方图修正、图像平滑、图像锐化等功能模块[6]。

2 图像增强模块设计

在Matlab命令窗口输入“guide”命令，打开Matlab GUIDE编辑器窗口，通过使用组件布局工具，可以添加Push Button、Axes、Static Text、Pop_up Menu、Panel等所需用户控件，并合理设置各控件的位置及其属性参数[7]，布局完成并存盘后完成图像增强模块图形用户界面的设计。图像增强模块设计界面如图2所示。

组件布局的同时系统生成两个文件，“.fig”文件包含GUI界面所有组件的布置信息，“.m”文件包含用户用来发布和控制界面和回调函数的各种函数。所以在GUI界面生成后，通过编写重要组件的回调函数来控制各个组件动作，如中值滤波在其下拉菜单的回调函数[8]为：

Call back函数编写完成后运行程序，在图形用户界面中选择“打开图像/Gaussian噪声”，系统分别调用open_Callback和noise_Callback函数得到图3所示高斯噪声图像，再选择“zhongzhi_filter”即中值滤波模版以调用filt_Callback函数得到图4所示中值滤波图像。该设计加噪算法和空域滤波算法通过下拉菜实现，所以除高斯噪声外还可添加salt&pepper噪声和speckle噪声，除中值滤波模版外还可以选择均值滤波和加权滤波模版。

该实验使学生了解不同噪声对同一图像信息的叠加效果，不同滤波器对各种噪声的处理效果是不一样的，其中中值滤波器是非线性滤波器，在滤除噪声的同时可以有效保留图像边缘细节等高频信息，尤其对椒盐噪声的处理效果最好。

读入图像之后点击“对比度调节”按钮，系统

调用adjust_Callback回调函数并弹出如图5所示参数设置对话框。该参数默认值为1表示线性变换，不为1则为非线性变换[9]，不同参数对应不同的灰度变换函数，当参数设置为5时得到灰度调整后图像如图6所示。

读入原始图像之后，在频域增强中选择“IL⁃PF”即理想低通滤波器，系统调用ILPF_Callback回调函数并弹出如图7所示理想低通滤波图像及其频谱图。通过该实验学生可以深刻理解理想低通滤波器的定义，和ILPF处理的优缺点。

在系统每一步操作过程中，其回调函数对应的核心代码都将在“关键语句”窗口给出，使学生在对结果进行感性认识的同时切实帮助学生对编程算法进行理解，对编程语言进行学习。选择界面其他按钮将调用其对应的回调函数并产生相应的按键动作，这里不再赘述。当选择“退出”按钮时系统退出图像增强模块界面并返回系统主界面。

3 数字图像水印模块设计

为满足部分学生对图像处理课程的进一步学习的需要，帮助大家从全局的角度理解各个图像处理算法，系统给出了一个完整的程序设计实例——数字图像水印处理。该模块对图像几何变换、图像频域变换、图像增强、图像编码等内容进行综合应用，实现离散小波域内水印图像嵌入和提取的算法。模块通过峰值信噪比（PSNR）反应水印图像对原始图像的影响程度，通过水印相似度体现提取的水印和原始水印图像的相似程度，如图8和图9所示。

通过案例的学习使学生从全局的视角上理解

数字图像处理的基本理论和基本方法，从应用层的角度出发对课程基本理论和典型算法进行反思，以达到温故而知新的目的。

4 结论

与Visual C++和Java等面向对象的高级编程语言相比，由于Matlab软件提供了丰富的图像处理函数所以编程简单，且Matlab GUI开发环境设计实现简单[7]，因此本文提出基于Matlab GUI的数字图像处理实验教学软件设计，该系统操作简单方便、紧密贴合教材易于作为课程辅助教学；该系统算法结果直观、提供算法关键编程语句易于学生理解、使用和做二次开发，具有较高的应用价值和应用前景。

[1]赵珊,刘静.“数字图像处理”课程教学改革探讨[J].科技资讯:科技教育，2010，25(04):178-179.

[2]王帆,刘慧.基于MATLAB GUI的数字图像处理实验平台设计[J].中国科技信息:信息科技，2010，34(11):124-125.

[3]陆垚光,毛涛涛,王正林，等.精通MATLAB GUI设计[M]. 3版，北京:电子工业出版社，2008.

[4]英英.基于MATLAB的图形图像处理系统的实现[D].呼和浩特:内蒙古大学，2013.

[5]Rafael C.Gonzalez,Richard E.Woods.数字图像处理(MAT⁃LAB版)[M].阮秋琦，译，2版，北京:电子工业出版社,2014.

[6]莫德举，梁光华.数字图像处理[M].北京:北京邮电出版社，2010.

[7]钱超.基于MATLAB GUI的指纹图像采集及预处理研究[D].太原:中北大学，2013.

[8]周品，李晓东.MATLAB数字图像处理[M].北京:清华大学出版社，2012.

[9]魏晗，陈刚.MATLAB数字信号与图像处理范例实战速查宝典[M].北京:清华大学出版社，2013.

The Design of Experiment Teaching Software for Digital Image Processing

ZHONG Huijuan
(Yango College,Fuzhou 350015,China)

In accordance with the features and problems of the present teaching about the course of Digital Im⁃age Processing for electronic information undergraduate,in this paper an comprehensive experimental teaching software was developed.The experimental teaching software of digital image processing was designed by M lan⁃guage in the component layout tool GUIDE of Matlab and it comprises basic algorithm and integrated instance. This system with friendly interface and rich contents fitting materials,and it with good extensibility,so in class it can be used as auxiliary teaching tool.Meanwhile the object teaching can help students master the basic theories and technique of digital image processing,so it has a high value and prospects.

digital image processing;graphic user interface;experimental teaching software;matlab

G642

A

1673-2928（2015）06-0045-04

（责任编辑：王彦永）

2015-09-05

仲会娟（1985-），女，阳光学院电子信息工程系助教，主要研究方向：信号处理、图像处理。