Matlab仿真在数字图像处理课程辅助教学中的应用

谭 超 席在芳

1.2.湖南科技大学信息与电气工程学院 湖南省 湘潭市 411201

随着时代发展和信息化时代的到来，数字图像处理在国民经济发展和人们日常生活中扮演着重要角色［1］。数字图像处理是本、专科高校信息类专业的必修课程，该课程主要讲授图像处理的基本知识、图像变换、图像增强与还原、图像压缩与编码等［2］。这是一门理论与实践相结合的课程，正确利用matlab 仿真对数字图像处理课程教学进行辅助［3，4］，能够提高数字图像处理课程的教学质量。本文从数字图像处理课程中的基本知识点、趣味知识点及综合应用实例三个方面对matlab 仿真对课程教学的辅助进行了研究。

1 基本知识点辅助教学

数字图像处理课程中有许多基本的、重要的知识点，通过matlab 仿真对课堂教学进行辅助能达到提高课堂教学质量的效果。图像的变换是数字图像处理课程中最为重要的章节之一，图像的变换主要讲授傅里叶变换、离散余弦变换、小波变换等。在讲授图像变换时，通过课堂教学实践发现，同学们对在以前课程中出现的傅里叶变换还有所了解，对其它变换通过课堂讲解后还一无所知。从高等数学、信号与系统等课程中的一维傅里叶变换过渡到二维傅里叶变换，同学们还能弄懂，但经常出现以下疑问：为什么要进行图像变换？图像变换之后变换域代表什么含义？针对类似问题，我们通过利用matlab 仿真辅助教学，对相关变换在图像滤波、图像压缩及卷积中的作用进行了仿真演示，使得同学们对相关变换有了直观的认识，了解了在一维信号及二维图像信号中频率域的基本含义。

图像复原近似为图像增强的逆过程，利用matlab 仿真能形象展示图像出现退化及退化之后复原的过程。下面给出了图像出现运动模糊及利用露西理查森方法复原模糊图像的程序及仿真结果图。如图1所示，利用subplot 对图像进行了组合输出，图1（a）为原始图，图1（b）为运动模糊图（模糊强度为30 度、模糊位移为10）；当运动模糊角度保持不变，模糊位移从10 增大到30时，可以发现图1（c）的模糊程度较图1（b）变大了；图1（d）是图1（c）的复原效果图，可以发现图像复原很难达到100%，因此相较原图而言，图像质量还是有所下降。

I=imread（'1（a）.jpg'）；

subplot（2，2，1）； imshow（I）

LEN=10；THETA=30；

PSF1=fspecial（'motion'，LEN，THETA）

Blurred1=imfilter（I，PSF1，'circular'，'conv'）；

subplot（2，2，2）； imshow（Blurred1）；

PSF2=fspecial（'motion'，30，THETA）

Blurred2=imfilter（I，PSF2，'circular'，'conv'）；

subplot（2，2，3）；imshow（Blurred2）；

rest=deconvlucy（Blurred2，PSF2，150）

subplot（2，2，4）；imshow （rest）

图1 图像的运动模糊及模糊复原图

2 趣味知识点辅助教学

在数字图像处理课程课堂教学中，让学生参与进来可以提高他们的积极性，课堂教学质量也随之提升。在讲授人类的视觉时，亮光适应和暗光适应可以从晚上开、关灯前后眼睛的感受出发，以此来引入；同时对比度、色度对比、Mach带等知识点：红花常需绿叶配，不同的背景色会导致人眼所见的颜色失真，这就是大家感受到的错觉现象，因此可以说眼见不一定为实。图像的纹理映射知识点可以从景区出售的纪念杯引入。灰度直方图的应用可以这样引入：通过matlab 仿真来直观展示图像的明暗及对比度等。伪彩色可以从给黑白照片上色及黑白B 超和彩色B 超的异同引入。

图像的加、减、乘、除法是图像处理过程中的重要环节，是可以让大部分同学参与进来的趣味知识点之一，通过matlab 仿真能达到很理想的效果。图像的加法主要包括图像加数字和图像加图像，图像的加法有两个作用：一是对同一场景的多幅图像求平均值，可以降低加性噪声；二是把一幅图像叠加到另一幅图像上去，达到二次曝光的效果。图像间减法运算通常应用于提取图像的差异，以及在医学图像处理方面用来去除背景。在运动物检测中，通过前后两个图像的减法运算，可以获取运动物体移动轨迹。图像相乘、除运算通常用于提取或删除图像中某些内容，一幅图像乘以一个常数称为缩放，如果缩放因数大于1，那么将增强图像的亮度，如果使用的因数小于1，则会使图像变暗。

图2利用图像的减法来得到两幅图片的差异，也就是大家常玩的“大家来找茬”游戏。图2（a）和（b）为两幅需要寻找差异的图片，利用imsubtract 函数对两幅图片进行减法运算，就能得到两图的差异。仿真程序如下：两幅图片中相同位置如一致，相减之后该点值为0，在图片中为黑色，而有差异的地方便有颜色显示，从图2（c）可以看出图2（a）和（b）有7 处位置不一样。

I=imread（'2（a）.jpg'）；

J=imread （'2（b）.jpg'）；

Z=imsubtract（I，J）；

subplot（1，3，1）；imshow（I）

subplot（1，3，2）；imshow（J）

subplot（1，3，3）；imshow（Z）

图2 图像减法用于提取差异效果图

3 综合应用实例辅助教学

在数字图像处理课程教学中，最后需讲授综合应用实例，可以选择几个有代表性的实例展开，通过matlab 仿真向同学们展示整个过程，让大家对图像处理在我们身边的应用有直观认识。例如可以讲授指纹识别技术、车牌识别技术、火灾探测技术、数字水印技术等实例。以车牌识别技术为例，可以把整个仿真过程分成几个模块进行，分别是预处理、车牌定位、字符分割、车牌字符识别等。

结 束 语

本文从图像处理课程教学中的基本知识点、趣味知识点、综合仿真实例三个方面进行研究，将matlab 仿真软件用于课程的辅助教学，将理论知识直观化。Matlab 仿真辅助教学不仅能提高学生参与课堂的积极性，还能培养学生动手解决问题的能力。