“數字圖像處理”實驗教學設計

江巨浪，黃　忠，紀娟娟

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

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“數字圖像處理”實驗教學設計

江巨浪，黃忠，紀娟娟

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

摘要：數字圖像處理課程概念抽象、實踐性強，設置實驗教學環節十分必要。采用Matlab作為編程語言，針對不同實驗學時數設計了實驗項目組合方案。對每個實驗項目進行分層管理，設計了基本實驗任務與擴展實驗任務的具體方案。近年來的教學實踐結果表明，這種實驗教學設計方法能夠取得良好效果。

關鍵詞：數字圖像處理；實驗教學；教學設計；分層管理

數字圖像處理作為電子信息類專業的一門重要課程，具有概念抽象、實踐性強的特點，該課程的基本理論與方法很難通過單純的理論教學讓學生深入理解與掌握[1-2]。數字圖像處理課程的實驗教學一般是用計算機語言編寫相應程序代碼，按照要求對指定圖像進行處理。一方面，正確地編寫程序需要理解圖像處理的原理方法；另一方面，程序調試過程與運行結果的可視化能夠進一步加深對理論知識的理解，同時培養學生對專業知識的應用能力。文獻[3-4]提出基于Matlab/Simulink與FPGA的實驗教學設計方案，文獻[5]提出了將實驗項目分為三種難度等級的教學設計方法。筆者結合近年來面對多種專業的多種學時數情況的實驗教學經驗，以實驗教學課堂為背景，以實驗項目完成度為依據，提出對實驗項目內容進行分層管理的實驗教學設計方法。

1編程工具選擇與實驗模塊設計

1.1編程工具選擇

對于電子信息類本科專業，通常在開設數字圖像處理課程之前已經開設過編程語言課程，主要有C語言與Matlab語言。在編程語言選擇上，采用Matlab語言相對于C語言更加有利于該課程實驗教學的開展[3,5]，主要體現在以下幾方面：

(1)圖像的數學描述為矩陣，Matlab語言對矩陣運算的強大功能有利于提高編程效率，從而在有限的實驗教學課時內能完成更多的實驗項目。

(2)圖像處理實驗必須要進行圖像的讀取、保存、顯示等操作。Matlab自帶的圖像處理工具箱封裝了很多能夠完成這些操作的圖像處理函數命令，學生直接使用即可。如果采用C語言編程，需要上百行代碼才能實現。另外，對于實驗項目中的大部分任務，都能從圖像工具箱中找到對應的Matlab函數來實現。因此，學生可以將自己編寫的圖像處理函數與工具箱函數的運行結果進行比對，對程序準確性進行驗證。

1.2實驗模塊設計

參照數字圖像處理課程的實驗教學大綱要求，依據圖像處理理論與方法的重要性與典型性原則，設計了8種實驗項目：1)圖像的灰度變換；2)圖像的直方圖均衡化；3)圖像的幾何變換；4)圖像的噪聲抑制；5)圖像銳化；6)圖像分割；7)二值圖像處理；8)彩色圖像處理。

隨著圖像處理技術的不斷發展，高校設置該課程的理工科專業越來越多。以我校為例，設置該課程的專業涵蓋有電子信息類專業、計算機信息類專業、光電信息類專業、電氣與自動化類專業。根據人才培養方案的目標，不同專業安排的實驗教學課時也有所不同。以筆者所在學校為例，該課程的實驗課時主要有9學時、12學時、18學時與24學時四種情況。為了兼顧基本知識面與重要知識點，我們將圖像的灰度變換與幾何變換作為優先安排的必修內容，其他圖像處理方法根據總課時數進行有選擇的自由組合。不同學時數的實驗項目組合方案如表1所示。

表1　不同學時數的實驗項目組合方案

2實驗項目的分層管理

由于不同學生在編程能力與理論知識理解程度方面存在差異，所以，編程調試過程的時間長短存在較大差異。將每個實驗項目分解為基本任務與擴展任務進行分層管理是十分必要的。在教師指導前提下，基本任務的實驗內容是絕大多數學生均有能力完成的，擴展任務的實驗內容主要是為在實驗課堂上已經完成基礎任務的學生提供必要的實驗素材，這也是維持實驗課堂教學秩序的最有效措施。在部分學生未能在實驗課堂完成擴展任務的情況下，學生可以將程序代碼保存，在課外時間繼續完成實驗任務，并將實驗結果通過網絡平臺提交給指導教師。學生完成每個實驗項目的成績可以依據基本任務與擴展任務的編程效率與實驗結果進行綜合評判。針對表1中的每一個實驗項目，對實驗任務進行了分層管理，提出如下的具體方案。

項目1圖像的灰度變換

基本任務給定對比度線性展寬算法的函數定義行：function outImg = GrayTrans(inImg, fa, fb, fc, fd)，其中inImg為輸入圖像，outIm為輸出圖像，a,b,c,d為灰度變換的參數。編寫函數文件代碼，并調用該函數增強圖像。

擴展任務給定灰級窗函數定義行：function outImg = GrayWindow(inImg, fa, fb)，fa，fb為灰級窗的灰度級范圍。編寫函數文件代碼,調用該函數增強醫學圖像的不同組織區域。

項目2灰度圖像的直方圖均衡化

基本任務給定圖像直方圖均衡化算法的函數定義行：function outImg = HistEq(inImg)，編寫函數文件代碼，調用該函數增強圖像。

擴展任務給定直方圖匹配的函數定義行：function outImg = HistPatch(inImg, h)，h為指定直方圖矢量。編寫函數文件代碼，調用該函數增強圖像。

項目3圖像的幾何變換

要求完成基本任務(1)與(2)。

基本任務(1)給定圖像平移的函數定義行，編寫函數文件代碼并調用該函數平移圖像：function outImg = ImgMove(inImg, Tx, Ty)，Tx與Ty分別為圖像平移的行數與列數。

基本任務(2)給定圖像鏡像算法的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數翻轉圖像：function outImg = Imgflip(inImg, flipType)，flipType為字符串變量，取值為’horizontal’對應于水平翻轉，取值為’vertical’對應于垂直翻轉。

擴展任務要求完成任務擴展(1)或(2)。

擴展任務(1)給定圖像任意角度旋轉的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數旋轉圖像：function outImg = ImgRotate(inImg, angle)，angle為逆時針旋轉角度。

擴展任務(2)給定基于雙線性插值的圖像縮放算法的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像進行縮放處理：function outImg =ReSize(inImg, Tx,Ty)，Tx與Ty分別為橫向與縱向的縮放倍數。

項目4圖像去噪

基本任務給定圖像去噪算法的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像進行去噪處理：function outImg = ImDenoise(inImg, deNoiseStyle)，deNoiseStyle為字符型變量，取值為’medan’，函數執行中值濾波；取值為’average’則執行均值濾波。

擴展任務給定用于保持圖像邊界的去噪函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像進行去噪處理：function outImg = EdgePreserveDenoise(inImg, deNoiseStyle)，deNoiseStyle取為’medan’函數執行中值濾波，取為’average’則執行均值濾波。編寫函數文件的代碼并調用該函數進行圖像的去噪處理。

項目5圖像銳化

基本任務 Sobel微分算子銳化圖像的函數定義行如下，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像邊界進行突出顯示：function outImg = SobelSharpen(inImg) 。

擴展任務 采用Laplasian二階微分算子對圖像進行背景保持銳化處理的定義行如下，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像邊界進行銳化處理：function outImg = LaplasianSharpen(inImg) 。

項目6圖像分割

基本任務 基于直方圖峰值特性進行圖像分割的函數定義行如下，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像進行二值化處理：function outImg = HistImgSegment(inImg) 。

擴展任務 采用均勻性度量法分割圖像的函數定義行如下，編寫該函數文件代碼并調用函數對圖像進行二值化處理：function outImg = UniformImgSegment(inImg) 。

編寫函數文件代碼并調用該函數對給定圖像進行二值化處理。

項目7二值圖像處理

要求完成基本任務(1)或(2)。

基本任務(1)給定二值圖像腐蝕處理的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對二值圖像連續進行數次腐蝕處理：function outImg=ImgErose (inImg, Template)，Template為運算模板。

基本任務(2)給定二值圖像膨脹處理的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對二值圖像連續進行數次膨脹處理：function outImg=ImgDilate (inImg, Template)。

擴展任務要求完成擴展任務(1)或(2)。

擴展任務(1)給定二值圖像開運算的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對二值圖像連續進行開運算處理：function outImg = ImgOpen (inImg, Template)。

擴展任務(2)給定二值圖像閉運算的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對二值圖像連續進行閉運算處理：function outImg=ImgClose (inImg, Template)。

項目8彩色圖像處理

基本任務給定對圖像進行色彩平衡處理的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數對彩色圖像色彩平衡處理：function outImg = Colorbalance (inImg)。

擴展任務給定基于HIS顏色模型對彩色圖像進行直方圖均衡處理的函數定義行，編寫該函數文件代碼并調用函數增強圖像：function outImg = HSIColorbalance(inImg)。

3結束語

數字圖像處理課程教學面臨著信息技術快速發展帶來的迫切需求。本文選擇Matlab語言作為實驗課程編程工具，將實驗項目進行分層管理，較好地適應了該課程實踐性強、學生實踐能力參差不齊的實際現狀。近年來的教學實踐結果表明，這種實驗教學設計方法體現了 “厚基礎、寬口徑、強技能”的應用型本科人才的培養目標。

參考文獻:

[1] 岡薩雷斯. 數字圖像處理[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007.

[2] 盛羽，張青龍，陳松喬，等. 面向最終用戶編程的圖像處理虛擬實驗平臺[J]. 系統仿真學報, 2011, 23(7): 1381-1386.

[3] 車轔轔，孔英會，趙振兵. 基于Matlab/Simulink的數字圖像處理實驗教學研究[J]. 實驗室科學, 2012, 15(3): 126-129.

[4] 何 楚，馮倩，楊 芳，等. 數字圖像處理課程實驗教學過程設計[J]. 計算機教育, 2011(18): 74-77.

[5] 彭曉明. 基于MATLAB的數字圖像處理課程的教學實驗設計[J]. 高等教育研究, 2009,26(1): 60-62.

Experimental Teaching Design for Digital Image Processing Course

JIANG Ju-lang, HUANG Zhong, JI Juan-juan

(School of physics and electrical engineering, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246133)

Abstract:The digital image processing is a course with abstract concept as well as strong practicality, and it is necessary to allocate experiment course. Matlab is used as the programming language, and combination of experimental projects is designed according to the different experimental hours. Each experimental project is carried out through hierarchical management, where the specific schemes is designed with the basic experimental tasks and extended experimental tasks. The results of teaching practice in recent years show that, the designed experimental teaching method can achieve good results.

Key words:digital image processing, experimental teaching, teaching design, hierarchical management

文章編號：1007-4260(2015)03-0114-03

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.030

作者簡介：江巨浪，男，安徽潛山人，博士，安慶師范學院物理與電氣工程學院教授，研究方向為計算機圖形學與圖像處理，從事數字圖像處理教學。

基金項目：安徽省高等學校省級教學研究項目(2012jyxm363)。

收稿日期：2015-01-09

網絡出版時間：2015-8-25 15:40網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.030.html