数字图像处理实验教学研究与实践

陈木生，林顺达

(泉州师范学院　a.物理与信息工程学院；b.信息功能材料福建省高校重点实验室，福建　泉州　362000)



数字图像处理实验教学研究与实践

陈木生，林顺达

(泉州师范学院a.物理与信息工程学院；b.信息功能材料福建省高校重点实验室，福建泉州362000)

为提高教学效果和学生学习效率，对数字图像处理实验教学的内容和形式进行了改革。根据培养应用型人才和数字图像处理课程的特点，提出一种基于Matlab的实验教学模式，重点讨论了实验教学中基本实验项目和开放性实验项目的设置。实践证明，该方法有助于提高学生的课程学习兴趣，培养学生的科技创新能力、设计编程能力和实践动手能力。

数字图像处理；实验教学；实验项目；创新

FunctionalMaterialforFujianHigherEducation,QuanzhouNormalUniversity，Quanzhou362000,China)

数字图像处理是一门发展迅速且应用广泛的新兴学科，在工业生产、军事技术、遥感航天、医疗卫生、自动控制等方面发挥着越来越大的作用[1]。目前，数字图像处理是电子信息科技、通信技术、计算机技术及应用数学等专业研究的热点之一[2]。数字图像处理课程是信息处理方向的专业课，要求学生能够掌握数字图像处理的基本理论、方法，掌握一定的编程实践技能，能够利用计算机对数字图像进行分析和处理，如图像变换、图像增强、图像压缩、图像重建和恢复以及图像识别等[3-4]。

随着电子技术和计算机处理技术的迅速发展，图像处理的新理论、新方法、新应用层出不断，且大部分具有实际应用意义。随着不同高校办学定位的转变及社会对工程技术人才素质要求的不断提高，数字图像处理的教学不管是在理论还是实践，无论是在教学内容还是教学理念上都要进行改革和创新[5]。该课程既有很强的理论性，又具有很强的实践性，很多学生被其广泛的应用所吸引，又因其复杂的数学公式推导而望而却步。特别是一般本科高校在高年级开设数字图像处理课程，部分学生因忙于找工作、考研等，没有将精力集中于学习。在这种情况下，只有将课程教学的重点从枯燥的理论教学转化为与实际应用更为紧密的实验教学，才能激发学生的学习兴趣，使学生既能较好地理解数字图像处理课程，又能掌握一些基本的编程应用，为工作或进一步深造奠定较好的基础[6]。

1　利用Matlab开展数字图像处理实验教学

在数字图像处理的实验教学中，通常是结合相关的软件开发工具进行的，主要有VisualC++和Matlab。VisualC++具有运行速度快，可移植性好等优点，特别适用于数据量较大的运算和开发；但由于其较为复杂、难学，一般本科高校的大部分高年级学生很难在较短的时间内掌握，并应用于数字图像处理工程应用中。Matlab是由MathWorks公司开发的一套高性能的用于数值计算和可视化图形化处理的工程语言。它特别适用于矩阵运算、数值分析、小波分析等各个分支，拥有电子信息、通信技术、信号处理等专业方面的工具箱。学生能在较短时间内学会运用Matlab编程语言进行数字图像处理，从而直观地了解相关理论的知识和应用[7-8]。以常见的二维离散小波变换为例，说明应用Matlab进行数字图像处理实验的优点。

1)在命令窗口中输入wavemenu，在小波工具箱主菜单中选择wavelet2-D，再导入分析图像；

2)对小波分解参数进行选择，主要是小波基、分解层数，然后对图像进行小波分解分析，结果如图1所示。

3)通过上面简单的配置和分析，从图1中学生能够更好地理解小波分解的原理、分解层数及分解后低频子带、水平子图像、垂直子图像、对角子图像的特点，同时也可利用小波变换完成图像去噪、图像压缩等工作。

2　数字图像处理教学实验设置

一些数字图像处理教材偏重于深入的理论讲解，本文认为对于新办本科院校大部分学生的学习存在困难，在教学中必须强化实验教学，才能提高学生学习兴趣和实践动手能力；因而实验设置主要分为一般性实验和设计性实验[9]。

2.1一般性实验

2.1.1实验一：图像的像素点操作

给定几幅灰度存在明显差异的图像，要求学生掌握图像的线性变换、直方图特性、图像的点运算；能够通过线性变换将灰度图像调亮、调暗、对比度增强等；利用直方图对灰度存在差异的图像进行分析，获取不同灰度区域的阈值，对于图像中不同灰度部分进行增强和退化处理，提取出学生自己感兴趣的部分。

2.1.2实验二：空域图像平滑

给定几幅图像，要求学生加入不同类型噪声(高斯白噪声、椒盐噪声)，再利用均值滤波器、中值滤波器对包含不同噪声的图像进行滤波处理，让学生对实验结果进行分析总结，得出结论：均值滤波器去除高斯白噪声具有较好的效果，中值滤波器特别适用于去除椒盐噪声。要求同学同时分析滤波器窗口大小对图像去噪结果的影响，得出结论：窗口越大去除噪声效果越好，但图像越模糊。最后让学生根据自己的想法构建不同模板的平滑滤波器对图像进行处理，验证不同模板平滑滤波器的特点，即所有元素的和为1。

2.1.3实验三：空域图像锐化

给定几幅图像，要求学生利用不同的边缘提取算法提取出图像的边缘信息，并分析比较各自的优缺点。要求学生自己设计不同的模板对图像进行锐化处理，得出锐化滤波器的特点是所有元素的和为0。最后让学生分析图像平滑和图像锐化的区别，得出结论：图像平滑相当于低通滤波器，获取图像的轮廓信息；图像锐化相当于高通滤波器，获取图像的边缘信息。

2.1.4实验四：傅里叶变换及其应用

要求学生对图像进行傅里叶变换和频谱平移，并显示和分析傅里叶变换系数，总结出频谱分布特性，即中心点为直流分量，往四面八方频率越来越高。在分析频谱特点的基础上，再要求学生自己根据课本中理论公式设计低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器，分别对图像进行处理，即保留傅里叶变换系数中不同位置的系数。最后将实验结果与实验三相比较，加深学生对低通滤波器和高通滤波器作用效果的理解。

2.1.5实验五：离散余弦变换及其应用

要求学生对图像进行离散余弦变换，并显示和分析变换系数，得出频谱分布特点：左上角为直流分量，沿上、下、右方向频率越来越高。在此基础上，要求学生根据课本中理论公式完成低通滤波器和高通滤波器，并对图像进行处理，进一步加强离散余弦变换频谱分布的特点。最后要求学生对原图像分成8×8大小，再对每一块进行离散余弦变换和行程编码，让学生仿真实现最为常见的JPEG压缩。

2.1.6实验六：小波变换及其应用

要求学生利用图形接口方式对图像进行二维小波分解，观察分解后各个小波系数的特点，总结出低频分量、水平高频、垂直高频、对角高频所代表的信息；再要求学生利用Matlab中的命令行方式实现图像的小波分解，并在此基础上利用小波变换对图像进行压缩处理。

2.2设计性实验

内容为空域数字水印技术。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向，弥补了传统加密技术的不足，为数字媒体的版权保护和合法利用提供了新的解决思路，是研究的一个热点，在日常生活中也有广泛的应用。该实验主要是让学生完成李旭东提出的抗几何攻击的空间域图像数字水印算法[10]。通过实验，要求学生掌握数字水印的基本概念、原理，掌握数字水印嵌入和提取过程。实验特点是根据论文中的公式实现算法较为简单，并且具有较好的不可见性和鲁棒性。完成该实验的成就感，能够更好地激发学生的学习兴趣，提升算法设计思想和编程能力。

3　结束语

通过对数字图像处理实验教学的设计和改革，在近几年的教学中取得较好的效果。学生不仅能够较好地理解复杂的理论知识，还能利用Matlab实现部分软件开发，分析问题、算法实现、程序编写等能力得到了提高；最为重要的是，通过实验学生掌握了理论知识，学习兴趣得到激发，学习主动性和科技创新能力得到提高，为就业或进一步深造奠定了较好的基础。今后如有条件，应积极引导学生申报校级的学生开放实验项目或大学生科研基金项目，通过这些项目的研究，使理论知识和实际应用更为紧密地结合在一起。

[1]王江涛，陈得宝，杨一军.面向实际应用的数字图像处理教学探讨[J].淮北煤炭师范学院学报(自然科学版)，2010，31(4)：87-90.

[2]范春年.“数字图像处理”课程教学研究[J].中国电力教育，2010(27)：109-111.

[3]姜珊,双凯.“数字图像处理”课程的实验教学改革[J].实验室研究与探索，2006，25(5)：644-646.

[4]吴全玉，刘晓杰，潘玲佼，等.“数字图像处理”课程实验教学研究与探索[J].电气电子教学学报，2016，38(1)：12-17.

[5] 吕勇，牛春晖，刘力双.基于实践能力培养的《数字图像处理》课教学改革研究[J].现代计算机(普及版)，2013(9)：60-62.

[6]杨保华，王菁，梁欣.Matlab在《数字图像处理》教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2016(2)：171-172.

[7] 陈文驰.提高“数字图像处理”课程教学质量的探索[J].江南大学学报(教育科学版)，2007，27(4)：34-36.

[8]飞思科技产品研发中心.MATLAB6.5 辅助小波分析与应用[M].北京：电子工业出版社，2003.

[9]宫娜娜，赵春雨.数字图像处理实践教学的探索[J].电脑与信息技术，2010，20(5)：72-75.

[10]李旭东.抗几何攻击的空间域图像数字水印算法[J].自动化学报，2008，34(7)：832-837.

Research and Practice in the Experimental Teaching of Digital Image Processing

CHEN Musheng，Lin Shunda

(a.CollegeofPhysicsandInformationEngineering；b.KeyLaboratoryofInformation

Accordingtothecharacteristicsofdigitalprocessingexperimentalplatformistoocomplextosuitforstudenttounderstandthetheoryofdigitalprocessing.Inviewofapplicationcollegesanddigitalimageprocessingandtheproblemsincurrentcourse,wepresentsomereformstomotivatestudentslearningenthusiasmandimproveteachingeffect.Itincludeschoosingprocessingsoftware,reformingteachingmodeandsettingpracticalteaching.Inexperimentteachingprocess,Matlabistakenasexperimentsoftware.Wealsosetsbasicandopenssubjectsinexperimentalproceduresrespectively.Practicehasprovedthatitisofgreathelptopromotingtheinterestingandtheabilityofinnovation,programmingandpracticing.

digitalimageprocessing;experimentteaching；experimentprocedures；innovation

2015-06-25；修改日期: 2016-04-14

福建省教育厅项目(JA13262)；泉州师范学院本科教学工程与教学改革项目(JAX14067)。

陈木生(1980-)，男，硕士，副教授，主要从事二维条码、图像处理等的研究工作。

TP911.72；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.037