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1、基于Matlab GUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
摘要：數(shù)字圖像處理涉及面廣，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，而現(xiàn)有的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合初學(xué)者學(xué)習(xí)，缺少緊扣教材的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生很難深入理解數(shù)字圖像處理的技術(shù)原理。在此采用Matlab的圖形用戶界面環(huán)境〔GUI〕設(shè)計(jì)，研制開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其涵蓋了數(shù)字圖像處理中的幾何變換、圖像增強(qiáng)、圖像平滑、邊緣與分割、假彩色編碼等內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面友好，具有較強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)展性，可以幫助學(xué)生更切實(shí)地掌握有關(guān)數(shù)字圖像處理的內(nèi)容。關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；Matlab；GUI；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中圖分類號(hào)：TN919?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：100
2、4?373X〔2021〕18?0006?03DesigndigitalimageprocessingexperimentalplatformbasedonMatlabGUIZHANGXin，WUYu，PINGZi?liang，DINGQi?lan，JINXiao?xi〔CenturyCollege，BeijingUniversityofPostsandTelecommunications，Beijing102101，China〕Abstract：Accordingtothecharacteristicsofdigitalimageprocessing，thearchitectureofexis
3、tingdigitalimageprocessingexperimentalplatformistoocomplextobeappropriateforabecedariantolearn.Forlackoftheexperimentalplatformwhichisclosetoteachingmaterial，studentsunderstandthetheoryofdigitalimageprocessinghardly.Acorrespondingexperimentalplatformwasdesignedanddevelopedbygraphicuserinterface〔GUI〕
4、ofMatlab.Itincludesimagegeometrictransformation，enhancement，smoothing，edge，segmentationandfalsecolorencodingintheprocessofdigitalimageprocessing.Thisexperimentalplatformhasfriendlyinterface，highportabilityandscalability，andcanhelpstudentsunderstandthecontentofthedigitalimageprocessingprofoundly.Keyw
5、ords：digitalimageprocessing；Matlab；GUI；experimentalplatform0引言?數(shù)字圖像處理?是電子信息類專業(yè)非常重要的專業(yè)課【1】。目前對(duì)該門(mén)課程的安排，各院校一般都是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合【2】，學(xué)生通過(guò)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，提高動(dòng)手編程能力，增進(jìn)對(duì)數(shù)字圖像處理流程的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)數(shù)字圖像處理理論知識(shí)的理解。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，各高校通常采用Matlab，VC++軟件等進(jìn)行編程，由于缺少緊扣教材的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生很難深入理解數(shù)字圖像處理的技術(shù)原理【3】。基于上述分析，為便于學(xué)生系統(tǒng)、全面的掌握該門(mén)課程的根本原理和經(jīng)典算法，本文利用Matlab軟件創(chuàng)立數(shù)字圖像處理實(shí)
6、驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的用戶圖形界面〔GUI〕，開(kāi)發(fā)了一個(gè)針對(duì)教學(xué)的可視化、系統(tǒng)化“數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)〞軟件，為學(xué)生提供一個(gè)數(shù)字圖像處理技術(shù)的算法演示及模擬開(kāi)發(fā)的GUI平臺(tái)，幫助學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的根本原理和內(nèi)容，熟悉并消化圖像處理的技術(shù)方法，了解圖像處理的較新研究領(lǐng)域。利用軟件Matlab平臺(tái)建設(shè)了一個(gè)集良好的可視化、開(kāi)放性、交互性于一體的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)本文利用Matlab的GUI來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)交互的圖形用戶界面【4】，設(shè)有圖像顯示坐標(biāo)軸、下拉菜單、按鈕等功能來(lái)完成不同功能模塊的實(shí)現(xiàn)和函數(shù)的調(diào)用。1.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院?數(shù)字圖像處理?這門(mén)課
7、程的內(nèi)容為根本點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)安排，按照?qǐng)D像處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的整體框架【5】。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體框圖如圖1所示。圖1基于MatlabGUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面采用MatlabGUI菜單項(xiàng)設(shè)計(jì)，在主界面中點(diǎn)擊任一子模塊，就可翻開(kāi)相應(yīng)子模塊界面，具體界面實(shí)現(xiàn)如圖2所示。圖2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面設(shè)計(jì)圖該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括圖像處理中的幾何變換、圖像增強(qiáng)、圖像平滑、邊緣與分割、假彩色編碼等模塊內(nèi)容，其中，幾何變換模塊主要包含了圖像平移、圖像鏡像、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像錯(cuò)切、比例縮放、復(fù)合變換等功能；圖像增強(qiáng)由線性變換、行對(duì)數(shù)變換、直方圖均衡化、直方圖規(guī)定化、索引
8、/二值圖像等5個(gè)功能塊組成；圖像平滑主要包括模擬噪聲生成、鄰域平均、中值濾波、巴特沃斯低通濾波、指數(shù)型低通濾波、梯形低通濾波、Sobel算子濾波、空域高通濾波等功能模塊；邊緣與分割分為圖像分割、Hough變換、邊緣檢測(cè)等3個(gè)模塊；假彩色編碼包括RGB空間偽彩色編碼、灰度彩色變換法編碼和頻率偽彩色編碼等三個(gè)功能模塊。1.2功能設(shè)計(jì)圖像的幾何變換是指圖像處理中對(duì)圖像平移、旋轉(zhuǎn)、放大和縮小【6】這些簡(jiǎn)單變換以及變換中灰度內(nèi)插處理等。圖3所示為在圖像幾何變換模塊中，對(duì)選定圖像進(jìn)行復(fù)合變換的效果圖。該復(fù)合變換式將原有圖像向下平移50像素，向右平移50像素，并用白色填充空白局部，再對(duì)其做垂直鏡像，然后旋轉(zhuǎn)
9、30。該變換的主要代碼如下：B〔50+1：H〔1〕，50+1：H〔2〕，1：H〔3〕〕=I〔1：H〔1〕?50，1：H〔2〕?50，1：H〔3〕〕；C〔1：H〔1〕，1：H〔2〕，1：H〔3〕〕=B〔H〔1〕：?1：1，1：H〔2〕，1：H〔3〕〕；D=imrotate〔C，30，′nearest′〕；圖3幾何變換中的復(fù)合變換效果圖圖4所示為圖像增強(qiáng)功能模塊中的灰度圖像線性變換子模塊處理界面，該模塊不僅可以處理灰度圖像，還可處理彩色圖像。在選擇該算法時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)先判斷輸圖像是否為灰度圖像，假設(shè)是，那么直接處理圖像，假設(shè)不是，那么會(huì)先彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再做后續(xù)處理。其m文件局部代碼如下：
10、axes〔handles.axes_dst〕；d=length〔size〔img_src〕〕；ifd==3image=rgb2gray〔img_src〕；elseifd==2image=img_src；endJ=imadjust〔image，[0.150.5]，[01]〕；imshow〔J〕；title〔′線性變換后的灰度圖′〕；axes〔handles.axes_srcl〕；imhist〔image〕；title〔′原灰度直方圖′〕；axes〔handles.axes_dstl〕；imhist〔J〕；title〔′線性變換后的灰度直方圖′〕；setappdata〔handles.figure
11、_zengqiang，′bChanged′，true〕；set〔handles.srcl_save，′Enable′，′on′〕；set〔handles.dstl_save，′Enable′，′on′〕；圖5所示為圖像邊緣檢測(cè)模塊界面，該界面可同時(shí)顯示三種不同算子實(shí)現(xiàn)圖像邊緣檢測(cè)的效果圖及原圖，以便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中進(jìn)行直觀比照。其主要代碼如下：BW1=edge〔image，′sobel′，0.1〕；BW2=edge〔image，′roberts′，0.1〕；BW4=edge〔image，′log′，0.01〕；圖4灰度圖像線性變換子模塊處理界面圖5圖像邊緣檢測(cè)模塊界面2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)基于Ma
12、tlabGUI數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：〔1〕內(nèi)容豐富，涵蓋圖像處理領(lǐng)域的大局部?jī)?nèi)容，具有很強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)展性，可在教學(xué)的過(guò)程中有目的性的進(jìn)行更改，增刪不同的功能模塊，以便到達(dá)更好的教學(xué)效果?！?〕界面友好，方便操作【7】，可在同一界面同時(shí)顯示處理前和處理后的圖像。對(duì)于某些需要確定參數(shù)的算法，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置了不同的初始參數(shù)值，學(xué)生也可以自己動(dòng)手調(diào)節(jié)參數(shù)值。針對(duì)同一數(shù)字圖像處理算法，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課可同時(shí)展示三種不同參數(shù)的處理效果，通過(guò)比較不同參數(shù)條件下的圖像處理效果，使學(xué)生理解有關(guān)參數(shù)變化對(duì)處理結(jié)果的影響?！?〕教師在教學(xué)過(guò)程中，可以方便地演示圖像處理的某一內(nèi)容的處理結(jié)果，在進(jìn)行理論
13、教學(xué)的同時(shí)使學(xué)生知道該處理對(duì)圖像的影響，從而加深學(xué)生對(duì)該理論和內(nèi)容的理解?！?〕通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真試驗(yàn)可選出最正確的處理方法、步驟和參數(shù)設(shè)置，然后再編寫(xiě)程序，從而有針對(duì)性的對(duì)算法加以改進(jìn)，減少了學(xué)生對(duì)同一圖像處理過(guò)程的不同處理方法的重復(fù)編程時(shí)間，便于學(xué)生對(duì)有關(guān)算法進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)新。3結(jié)語(yǔ)針對(duì)北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院?數(shù)字圖像處理?實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于MatlabGUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用戶界面友好，交互性強(qiáng)，可拓展性好。根據(jù)我院信息類不同專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，在教學(xué)的過(guò)程中，可自行修改模塊設(shè)置，增刪特色模塊，使學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論有比較深刻的理解，從而提升?數(shù)字圖像處理?課程的實(shí)踐教學(xué)效果。參考文獻(xiàn)【1】張穎穎，黃義定，王紅娟.關(guān)于“數(shù)字圖像處理〞實(shí)驗(yàn)的任務(wù)模塊化教學(xué)模式的探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2021〔6〕：52?54.【2】安平，王朔中.建立在Matlab平臺(tái)上的數(shù)字圖像處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2021〔1〕：61?62.【3】王帆，劉慧.基于MatlabGUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2021〔7〕：124?125.【4】陳壵光.精通MatlabGUI設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2021.
基于Matlab GUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
