图像恢复的GUI实验教学研究

2019-05-22王蕊崔文超

电脑知识与技术 2019年6期

关键词：图形用户界面

王蕊崔文超

摘要：利用MATLAB GUI设计开发了图像恢复仿真教学平台，实现对图像变换、图像增强、图像复原的交互式动态仿真。实践结果表明，该仿真平台操作方便、简单直观、内容全面，有利于教师的授课讲解，提高学生学习图像恢复的兴趣和效果。

关键词：图像恢复；MATLAB；实验仿真教学平台；图形用户界面

中图分类号：TP317.4 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0090-04

Experimental Teaching Research for Image Restoration Using GUI

WANG Rui， CUI Wen-chao

（School of Computer and Information，China Three Gorges University， YiChang 443002， China）

Abstract： The simulation platform for teaching of image restoration is designed and developed by using MATLAB GUI. The interactive and dynamic simulation of image transformation， image enhancement and image restoration is realized. Practice results show that the simulation platform has some advantages such as operating conveniently， simple and visualized interface and comprehensive content. Therefore， it is helpful not only to teachers for their lecture but also to students for their interest on learning image restoration.

Key words： image restoration；matlab； experimental simulation teaching platform； graphical user interface

1引言

数字图像处理是电子、通信等专业的一门重要的课程，实用性较强、涉及领域较广。该课程主要使学生掌握数字图像处理和分析的基本方法，数字图像处理的算法理论性很强，因此通过简单的书面学习很难真正地理解数字图像处理的原理。

随着数字图像技术的发展，目前文献中已经拥有很多成熟的数字图像处理算法，并且许多算法在MATLAB中都已经实现并形成了功能庞大的图像处理工具箱。

根据大量文献可知MATLAB GUI平台可对图像进行仿真实验，加深学生对图像处理过程的理解，激发学生的学习兴趣并且提高课堂的教学效果。本文利用MATLAB GUI设计的图像恢复仿真平台可对图像进行多种算法的图像变换、图像增强、图像复原仿真实验，平台将显示处理前后的图像和数据结果，将数据结果和图像作用前后进行对比分析，可以让学生更好地理解不同算法的作用效果，使抽象的理论知识具体化、形象化，有利于教师的授课讲解。

2 实验的总体设计

本文利用MATLAB的GUI来设计人机交互的图形用户界面，界面设有图像显示坐标轴、按钮、下拉菜单、数据显示区，通过对函数的调用，来实现不同的功能。

2.1 实验平台结构

数字图像恢复的GUI仿真平台分为图像增强、图像复原两大模块和图像显示区及数据显示区。图像增强包括灰度级变换、直方图处理、空域滤波、频域滤波。其中灰度级变换分为原始图像、灰度图像、灰度取反、分段线性、幂次变换；直方图处理分为直方图均衡化和直方图规定化；空域滤波分为均值滤波、维纳滤波、中值滤波；频域滤波分为处理高斯噪声、椒盐噪声、散斑噪声；图像复原包括维纳滤波、最小二乘法、Lucy-Richardson、盲去卷积；数据显示包括PSNR、SSIM的值，实验平台整体结构框图见图1。

2.2实验平台设计

在图像恢复的GUI仿真平台设计中，各模块的设计都包含2个步骤。第一个步骤是GUI界面设计，即利用MATLAB提供的不同控件对界面进行设计，根据实际所需要的按钮个数、显示的内容以及要实现的功能来设计GUI界面。第二个步骤是回调函数的设计，回调函数是平台功能实现的关键，对界面中控件的回调函数进行编程，可实现所需要的功能，达到所要求的效果。

该平台主要包括图像变换、图像增强、图像复原三个大模块，四个图形显示区和一个數据显示区，以图像复原模块为例展开详细介绍：图像复原包含四个模块，分别为维纳滤波图像复原、最小二乘方图形复原、Lucy-Richardson图形复原、盲去卷积图像复原。每一种图形复原方法都针对三种退化方式，即运动模糊退化、圆盘状模糊退化、钝化模糊退化，不同的退化方式运用不同的图像复原方法所得的效果也不相同，可根据数据显示区的PSNR、SSIM的值来加以判断。图像恢复的GUI仿真平台整体界面如图2所示。

3实验平台测试

GUI界面设计完成后，对实验平台进行仿真测验，以确保仿真平台可以很好地实现所设计的功能。下面以图像增强模块和图像复原模块功能为例进行详细测试分析。

3.1 图像增强模块灰度级变换

图像增强模块灰度级变换下拉菜单包含原始图像、灰度图像、灰度取反、分段线性、幂次变换。其中幂次变换为灰度级非线性变换，以幂次变换为例来对平台进行测试，取gamma值为0.5测试结果如图3a，取gamma值为1测试结果如图3b，取gamma值为5测试结果如图3c。

3.2图像增强模块直方图处理

图像增强模块直方图处理包含直方图均衡化和直方图规定化，直方图均衡化的原理是对图像进行非线性拉伸，改变图像的灰度值，使得在一定范围内图像的灰度值大致相等。通过这样处理之后，输出图像的直方图是一个较为平坦的直方图。直方图均衡化后处理效果如图4a。

直方图规定化的原理是首先指定规定化后的直方图，然后确定变换函数，进而将图像变换为某一特定的灰度分布图像。直方图规定化后处理效果如图4b。

处理之后可以看出直方图均衡化使得图像的灰度值大致相等，原来直方图中间的峰值部分对比度得到增强，而两侧的谷底部分对比度降低，处理后显示的是一个较为平坦的直方图；直方图均衡化使得图像按照规定的灰度值进行变换，可以得到某一特定灰度值的直方图。

3.3图像增强模块中值滤波

（1）参数简介

PSNR（Peak Signal to Noise Ratio），峰值信噪比，是一种评价图像的客观标准，它具有局限性，一般是用于最大值信号和背景噪音之间，它是原图像与被处理图像之间的均方误差相对于（2^n-1）^2的对数值（信号最大值的平方，n是每个采样值的比特数），它的单位是dB。PSNR值越大，就代表失真越少；

SSIM（structural similarity index），结构相似性，是一种衡量两幅图像相似度的指标。SSIM使用的两张图像中，一张为未经压缩的无失真图像，另一张为失真后的图像。结构相似性的范围为0到1。当两张图像一模一样时，SSIM的值等于1。

（2）中值滤波实验仿真

以中值滤波为例，对含高斯噪声、椒盐噪声的图像分别进行滤波，处理结果及其对应数据显示如图5a、图5b。

（4）实验数据分析

由表1可以看出：中值滤波处理之后，含椒盐噪声图像的PSNR和SSIM值均为最高（SSIM的值已经达到了0.9以上），由此可知中值滤波对含椒盐噪声图像处理的效果最好，所加的椒盐噪声通过中值滤波之后图像与原图像最相似，从图5b也可以验证。

3.4图像复原模块对钝化模糊图像处理

（1）图像复原实验仿真

以钝化模糊退化图像为例，退化参数统一都设置為：运动像素20，角度45，如图6a。用维纳滤波图像复原、最小二乘方图像复原、Lucy-Richardson图像复原、盲去卷积图像复原对退化图像进行复原仿真，实验结果及其所对应的数据显示区域如图6b、图6c、图6d、图6e所示：

（2）实验数据处理

根据对钝化模糊退化图像进行多种方法复原，恢复后图像的数据显示区结果如表2：

（3）实验数据分析

由表2可以看出：在退化参数为运动像素20，角度45度时，维纳滤波处理和最小二乘方图像复原中PSNR和SSIM值均很高，由此可知维纳滤波复原和最小二乘方复原对钝化模糊退化图像恢复处理的效果特别好，从图6b，图6c可以验证。