數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 作者以Matlab的圖形用戶(hù)界面和圖像處理工具箱為平臺(tái)，設(shè)計(jì)數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由窗口、選單、按鈕和文字說(shuō)明等構(gòu)成，簡(jiǎn)捷、直觀、清晰地體現(xiàn)出系統(tǒng)的功能和特征，適合數(shù)字圖像處理課程教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 可視化 Matlab 圖形用戶(hù)接口

1.引言

數(shù)字圖像處理課程是我系電子信息工程、廣播電視工程和光學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像概念、關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識(shí)和數(shù)字圖像處理在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)手段枯燥無(wú)味，無(wú)法直觀地向?qū)W習(xí)者展示圖像處理效果，但是如果使用可視化系統(tǒng)配合PPT課件，就會(huì)使教學(xué)過(guò)程由古板變生動(dòng)，抽象變具體，深?yuàn)W變淺顯，沉悶變愉悅，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能加深學(xué)生理解。隨著時(shí)代的發(fā)展，信息的多樣化，可視化的制作日顯新穎。

數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)使用Matlab，主要在于Matlab的圖形用戶(hù)界面賦予制作者極大的想象空間，這使得可視化系統(tǒng)靈活多變，交互性極強(qiáng)。運(yùn)用Matlab制作數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)不僅能夠完成數(shù)字圖像處理的大部分內(nèi)容，還能將圖像信息向?qū)W習(xí)者傳達(dá)多層次的信息。使用可視化系統(tǒng)能把被處理后的圖像直觀、形象和逼真地展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)數(shù)字圖像處理重點(diǎn)在于對(duì)圖像的具體操作，運(yùn)用Matlab制作的可視化系統(tǒng)，文字簡(jiǎn)練，可視化系統(tǒng)畫(huà)面簡(jiǎn)潔，能夠吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，將數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)引入數(shù)字圖像處理課程教學(xué)有其優(yōu)越性。

2.數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)特色

數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)嚴(yán)格按照教學(xué)內(nèi)容要求編制，包括大量的演示子模塊，每個(gè)演示子模塊均嚴(yán)格按照章節(jié)內(nèi)容編制，方便學(xué)生參照教材案例靈活改變有關(guān)參數(shù)，觀察產(chǎn)生的效果。同時(shí)，學(xué)習(xí)者還可參考可視化系統(tǒng)提供的部分代碼參與編程來(lái)加深對(duì)數(shù)字圖像處理實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。本可視化系統(tǒng)界面形象生動(dòng)，使用方便，交互性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

2.2功能設(shè)計(jì)

本可視化系統(tǒng)包括圖像基本操作、亮度變換與空間濾波、頻域處理、圖像復(fù)原、彩色圖像處理、圖像壓縮和形態(tài)學(xué)圖像處理七個(gè)子模塊構(gòu)成，其整體設(shè)計(jì)界面如下圖所示。

2.2.1圖像基本操作子模塊。通過(guò)該子模塊的演示讓學(xué)習(xí)者初步了解灰度圖像、索引圖像或彩色圖像的讀取及各類(lèi)圖像之間的相互轉(zhuǎn)換；圖像的簡(jiǎn)單幾何變換，如鏡像、任意倍率縮放、任意角度旋轉(zhuǎn)等；圖像的jpg格式的保存等基本操作。

2.2.2亮度變換與空間濾波子模塊。通過(guò)對(duì)讀入的多幅圖像進(jìn)行的加、減、乘和除等操作了解圖像作為矩陣進(jìn)行基本操作和執(zhí)行的前提條件。再對(duì)讀入的任意一幅圖像進(jìn)行亮度變換、直方圖均衡化、直方圖匹配、線(xiàn)性空間濾波和非線(xiàn)性空間濾波等處理。

2.2.3頻域處理子模塊。通過(guò)對(duì)各類(lèi)圖像進(jìn)行傅里葉變換，再使用各類(lèi)頻域?yàn)V波器濾波演示圖像的頻譜，說(shuō)明圖像的頻域特性。通過(guò)觀察圖像紋理特性在頻譜中的反映，如：頻譜中若低頻分量豐富，高頻分量較小，表明圖像具有較平坦的紋理；若低頻較少，高頻豐富，則圖像的紋理較復(fù)雜。通過(guò)觀察圖像的相位譜、幅度譜及分別只用相位信息或幅度信息還原的圖像，認(rèn)識(shí)相位信息的重要性。通過(guò)觀察濾除部分高頻分量或低頻分量后恢復(fù)的圖像，進(jìn)一步理解高頻、低頻分量對(duì)一幅圖像的作用效果。

2.2.4圖像復(fù)原子模塊。圖像恢復(fù)是指在保真度原則下，盡量恢復(fù)退化圖像的本來(lái)面貌。本模塊演示了數(shù)種圖像恢復(fù)常用方法，包括直接逆濾波、維納濾波、約束的最小二乘濾波、使用L-R算法的迭代非線(xiàn)性復(fù)原和盲去卷積。對(duì)同一幅退化圖像分別采用以上方法，也可用同一種方法處理不同的退化圖像，比較復(fù)原結(jié)果，從而了解各方法的針對(duì)性及局限性。

2.2.5彩色圖像處理子模塊。通過(guò)對(duì)讀入的RGB彩色圖像到NTSC、YCbCr、HSV、CMYK和HIS等彩色空間的轉(zhuǎn)換，了解各種彩色空間的各個(gè)分量的實(shí)際意義。接著對(duì)轉(zhuǎn)換后的某個(gè)彩色分量的圖像進(jìn)行空間域或頻率域的操作，分析同樣的操作對(duì)灰度圖像和彩色圖像是否會(huì)產(chǎn)生同樣的效果。最后對(duì)讀入的任意灰度圖像進(jìn)行強(qiáng)度分層和灰度級(jí)到彩色變換兩種常用偽彩色圖像處理。

2.2.6圖像編碼子模塊。編碼的目的是進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮，消除冗余數(shù)據(jù)。該模塊主要模擬JPEG圖像的編碼過(guò)程：先采用行程編碼方法，將具有相同值的連續(xù)串用其串長(zhǎng)和一個(gè)代表值來(lái)代替，然后將圖像分成8*8的小塊，對(duì)小塊進(jìn)行DCT變換或小波變換并進(jìn)行量化，恢復(fù)時(shí)乘量化表并計(jì)算與原始圖像的均方誤差。通過(guò)該子模塊的模擬，學(xué)習(xí)者了解到編碼的整個(gè)過(guò)程，并修改亮度掩膜表來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，分析壓縮效果，進(jìn)一步掌握?qǐng)D像編碼的實(shí)際意義。同時(shí)，對(duì)常用的一些編碼算法，如香農(nóng)-范諾編碼、算術(shù)編碼、行程編碼和預(yù)測(cè)編碼進(jìn)行仿真，并對(duì)上述方法的編碼效果與JPEG編碼效果進(jìn)行分析對(duì)比。

2.2.7形態(tài)學(xué)圖像處理子模塊。該子模塊主要通過(guò)改變結(jié)構(gòu)元素的形狀和大小，分析基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算的處理函數(shù)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行膨脹、腐蝕、開(kāi)或閉運(yùn)算、形態(tài)濾波、提取邊緣或骨骼、細(xì)化和粗化等形態(tài)學(xué)運(yùn)算各種形態(tài)學(xué)運(yùn)算的運(yùn)算效果。

3.結(jié)語(yǔ)

使用Matlab開(kāi)發(fā)的數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)不僅可以讓學(xué)習(xí)者直觀地了解數(shù)字圖像處理的實(shí)質(zhì)，加深對(duì)數(shù)字圖像處理的理解，改善教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)，而且可以作為相應(yīng)內(nèi)容的補(bǔ)充，讓學(xué)習(xí)者能更好地學(xué)到數(shù)字圖像處理知識(shí)。因?yàn)樵贛atlab中數(shù)字圖像處理有著極大的便利性，所以運(yùn)用Matlab的GUI制作數(shù)字圖像處理可視化系統(tǒng)有著一定的優(yōu)越性。

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