数字图像处理实验教学研究与实践探讨

摘 要：数字图像处理教学是一门多学科相互交织的课程，它涉及的教学领域广泛，在学习过程中有很多抽象的理论内容不容易理解，所以采用实验教学法能够快速地让学生掌握数字图像处理学习的内容和难点，帮助学生克服困难，提高学习兴趣，也能够在实验教学中培养学生的动手能力和创作能力，以解决在教学过程中所存在的问题。本文就对数字图像处理实验教学的相关内容进行研究，通过实验教学的方法来调动学生学习数字图像处理的积极性，加强他们的实践应用能力，提高学生对软件开发的水平。

关键词：数字图像处理;实验教学;课程设计

中图分类号：G64          文献标识码：A

文章编号：1673-9132（2019）19-0007-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.19.003

数字图像处理也称之为计算机的图像处理，它是对计算机中的图像从信号转换成数字信号的过程，是一门集计算机科学，信息理论，信息处理学科为一体的综合课程。在教学过程中，教师以实验教学的方式来帮助学生学习图像处理的课程，让学生了解其概念、原理和算法，并通过上机实验来培养学生应用软件的能力，实现数字图像处理的基本动手操作能力，为工程应用和软件开发打好基础。

一、数字图像处理实验教学的内容

数字图像处理是一门典型的交叉性学科，它的理论性和实践性非常强，各种数字处理的方法都要以数学理论为支撑，需要学生在学习过程中对图像有不同的处理和理解，以提高在实际问题分析中的解决能力。数字图像处理是数学系和信息与计算机系的一门选修课程，主要选用的教材是《数字图像处理及MATLAB实现》的教材及内容，就包括数字图像处理的基础运算、变换图像、增强、复原、压缩、编码分割、色彩处理等理论知识，并且对软件编程的一些常用图像处理方法有详细的概述。图像处理过程首先就是要选取图像源文件，然后对图像进行相应处理，最后将处理结果保存到图像文件中。现有的数字图像处理教材缺乏对常用图像文件格式的介绍，所以教师在实验教学过程中有必要增加这部分知识。在数字图像的教材中常用图像文件格式为BMP和JPG系格式。但是在讲解过程中，教师也要对其他的文件格式给予详细的了解和讲述，帮助学生理解图像的本质，特别是在用Visual C++语言编程中可以实现对各种图形的处理。

二、数字图像处理实验教学的实例设计

以数字图像中各部分的操作为实验教学内容，探讨在Lab View虚拟平台上嵌入MATLAB脚本编程的实验设计方法与过程。

（一）空域图像平滑

以椒盐噪声抑制为例，它是数字图像制造的一个基本的实验课程内容。这种类型的噪声通常是由图像传输处理中所产生的黑白相间的亮点和暗点，噪声又称为双极脉冲噪声，对图像的视觉效果有明显的破坏能力。为了抑制这种现象，一般在图像处理过程中，采用的滤波模板一般都是3×3的，并运用中值滤波算法对其进行抑制，并且在处理时保留图像边缘的像素不变，运用这种方法能够很好地抑制椒盐噪声，并改善图像的视觉质量，所以为了让学生能够在学习时更好地理解这种处理方式，我们需要将图片输入、输出和算法处理分别在Lab View平台和MATLAB平台中进行模拟仿真练习（见附图1和附图2）。

将这种平台模式相互结合，对数字图像进行处理，就能够最大限度地将他们的优势发挥出来，让图像在处理过程中既高效，又直观。在教学过程中，教师再结合相关的教学经验对类似的内容进行规划和安排，就可以更好地将实际应用与理论算法进行结合，加深学生对数字图像处理教学内容的深刻理解。

（二）图像像素点的操作

在教学时，教师可以利用几幅灰度存有明显差异的图像给学生作为像素点操作的案例，要求学生在学习时掌握图像的线性变化，利用直方图的特征和图像点的运算，通过对线性的变化来调节明暗度，增强图片的明暗对比，利用曲线模式、直方图对图像的灰度差异进行分析来获取不同区域内图像的灰度值，并对图像的不同灰度进行分别处理。例如，学生可以在图像像素点操作中对图像进行明暗度的增强，退化处理等，以加强对操作技能的熟练度。

（三）图像的锐化

教学过程中，教师还可以选择几幅图像来作为锐化操作的案例，要求能够利用这几幅图像来提取其中的边缘信息，并分析图像锐化的优点和缺点。要求学生能够利用不同的模板对图像进行不同的锐化操作，并总结出规律，如：锐化滤波器的特点是所有的元素和都是零。通过空域图像锐化的实验教学让学生能够了解图像锐化与平滑之间存在的差异，并通过实验能够让学生明白低通滤波器所获取的图像轮廓信息就相当于对图像进行平滑，而图像的锐化就相当于高通的滤波器能够对图像边缘信息进行获取。

（四）傅里叶的变化使用

在教学实验过程中，对数字图像处理中的傅里叶变换及应用的实验教学能够让学生通过对频谱平移，傅里叶变换来得出傅里叶变换在图像调整中的系数，能够总结出频谱分布的规律，发现在图像使用傅里叶变化时其中心点都是直流分量的，并向四面八方扩散，频率越来越高。通过了解傅里叶变换的使用后，学生可以根据理论知识来设计图像，并对图像进行高通、低通滤波器的处理，从而保留不同位置傅里叶变换的系数。最后，将结果和实践的数据进行比较，来加深学生对滤波器使用效果的理解。

（五）离散余弦变换的应用

学会离散余弦变换并显示和分析变换的系数，得出频谱分布的特点也是数字图像处理的重要学习内容。学生对图像进行离散余弦变换的处理和应用时会发现频率会随着数据的变化而越来越高，并且上角为直流分量，沿上下，右的方向不断变化。另外，还要根据相应的理论来完成低通滤波器和高通滤波器的设计，并对图像进行离散余弦變换处理。并且，在原图的基础上进行8×8大小的图像转换设计，对每一块都要进行编码和离散余弦的应用，从而在实际操作中来学习JPEG的压缩模式。

（六）小波变换的应用

数字图像处理实验进行小波变换应用教学时，就是对图像进行二维小波分解，利用教师给的图形接口对图像进行处理，分解其中各小波系数的特点，总结出垂直高频、水平高频、低频分量和对角高频之间所代表的意义，并利用MATLAB编成模式对小波图像进行处理和压缩。

三、提升数字图像处理实验教学的途径

（一）加强在理论教学中运用现代化教学手段

通过数字图像处理实验教学的相应特点，应在教学过程中合理、恰当地运用现代化的教学方式，这种方法能够加深、加快学生对数字图像处理理论和方法的运用和理解。在教学中，对数字图像处理进行实验教学，其质量的好坏都取决于学生对于课程理论知识的理解。当学生对图像处理算法的理论基础有清晰了解时，通过模仿即实际处理前后的效果对比就能够进一步地对数字图像处理的内容进行加深，从而做到实践与理论的相互补充，达到学以致用的教学效果。

（二）合理利用虚拟平台实践

在数字图像处理教学过程中，合理运用案例和情景模式教学能够有效提高学生分析和解决数字图像处理实际问题的能力。数字图像处理的实验教学方法能够更好地加快学生对理论知识的理解。开设实验课时，教师也要选择好教学内容，尽可能地选学生容易理解的，并通过Lab View平台和MATLAB虚拟平台，直观地对数据进行梳理，展示教学的内容重点，从而调动学生学习数字图像处理课程的兴趣。

四、结语

總之，在近几年的教学过程中，数字图像处理的实验教学研究设计与改革都取得了非常好的效果。本文结合Lab View虚拟平台的情景教学模式和MATLAB的语言编程优势，提出了数字图像处理实验教学的新方法。教师通过实验教学，能够加深学生的实践操作能力，使学生对数字图像处理更有兴趣，更加主动地了解科技创新，提高设计能力，为其进一步发展奠定基础。并且，能够使数字图像处理实验教学更好地服务于应用型人才的培养。

参考文献：

[1]陈木生，林顺达.数字图像处理实验教学研究与实践[J].实验科学与技术，2016（4）.

[2]温建明.基于MATLAB的机械优化设计课程数字化教学改革[J].吉林省教育学院学报，2011（5）.

[责任编辑 杜建立]

作者简介： 杜号军（1975.9— ），男，汉族，湖南临湘人，副教授，研究方向：刑事图像技术。