Matlab 在數(shù)字圖像處理教學(xué)中的應(yīng)用方法研究

史 慧

（安徽醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥 230032）

一、引言

在高等教育中，數(shù)字圖像處理專業(yè)的教學(xué)因其學(xué)科涉及范圍廣、難度大的特點，需要學(xué)生具備一定的基礎(chǔ)知識，對數(shù)學(xué)、數(shù)字信號處理、計算機等理論擁有一定理解能力。數(shù)字圖像處理專業(yè)是一門操作性強的學(xué)科，在算法的演繹和公式推導(dǎo)中所涉及的知識比較抽象，學(xué)生理解難度較高。同時受到學(xué)生人數(shù)、學(xué)生素質(zhì)的影響，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已經(jīng)無法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，也不符合當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)的實際情況。因此，教師在進行數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容的講解時，要積極探索符合學(xué)生實際的教學(xué)方法，將培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力作為教學(xué)的出發(fā)點，通過優(yōu)化教學(xué)方法，利用先進的科技手段降低教學(xué)難度，提高教學(xué)效率，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中享受學(xué)習(xí)的樂趣，從而更加全面地掌握數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論知識，為社會培育出更多具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的人才。

二、Matlab 概述

Matlab 是一款用于科學(xué)計算、可視化操作和交互式程序設(shè)計的計算機語言環(huán)境，其全稱為Matrix&Laboratory。Matlab是在計算數(shù)學(xué)數(shù)值方面具有特殊功能的應(yīng)用軟件。它將數(shù)值分析、仿真模擬、矩陣計算等功能進行了集成，通過一個可視化的環(huán)境進行操作，為數(shù)學(xué)計算、科研、工程設(shè)計等工作提供了重要幫助，在協(xié)助人們進行數(shù)據(jù)計算方面提供了一個全面的解決方案。并且Matlab 通過自身設(shè)計，擺脫了傳統(tǒng)非交互式的程序設(shè)計語言編輯模式，是計算類軟件中功能最先進的一種。

Matlab 自其被廣泛應(yīng)用以來，它的矩陣計算、函數(shù)繪制、創(chuàng)建用戶界面、兼容和連接其他編程語言程序等功能被人們所熟知。在歐美發(fā)達國家的科研、教育等領(lǐng)域，Matlab 已經(jīng)成為應(yīng)用線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字化技術(shù)處理、時間序列分析等教學(xué)課程的基礎(chǔ)科研、教學(xué)工具。

Matlab Guide 是Matlab 為了實現(xiàn)其基本功能而設(shè)計的一個演示程序，通過該程序的幫助，能夠讓用戶處理圖形的難度大大降低，提高使用效率。演示程序的主要構(gòu)成為窗口、菜單、光標(biāo)、文字說明等，經(jīng)由這些元素構(gòu)成的用戶操作和使用界面能夠幫助用戶簡化操作流程。例如，用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤進行圖像界面操作，選取相應(yīng)的按鈕就能激活圖像界面的功能，而后讓計算機按照用戶的操作指令進行繪圖、數(shù)據(jù)處理等操作。一般而言，在用戶使用軟件進行圖像處理、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)分析的過程中，由于其計算流程簡單，因而不會直接采用Guide輔助其進行計算。但是，用戶除了要利用軟件進行簡單計算操作，還需要向其他人提供應(yīng)用程序，并按照軟件的內(nèi)容展示計算過程、操作方法、技術(shù)流程，這就需要通過設(shè)計一個簡單的輔助工具達到展示的效果。利用Guide 軟件生成圖像用戶并按照相關(guān)的函數(shù)、計算公式編寫應(yīng)用程序，以提供給其他人使用和操作，需要設(shè)計者在遵循簡單、一致、通常三個原則的前提下，編寫和創(chuàng)建相應(yīng)的功能界面與程序，繪制相關(guān)的制作草圖，并根據(jù)實際使用者的情況進行修改，最后對程序進行制作，形成一個靜態(tài)界面，經(jīng)由檢查后投入使用。

三、數(shù)字圖像處理介紹

數(shù)字圖像處理課程作為一門專業(yè)學(xué)科形成于20 世紀中期，是教授圖像處理方法的一門專業(yè)學(xué)科。圖像處理的主要目的就是改善圖像的成像質(zhì)量，讓人們能夠清晰地看到圖像的內(nèi)容，滿足人們的視覺需求。在圖像處理的過程中，由于輸入的圖像質(zhì)量較低，清晰度較差，需要人工處理后改善其圖像質(zhì)量并輸出。在圖像處理中常用的有圖像增強、壓縮、復(fù)原、編碼等手段。數(shù)字圖像處理則是通過計算機完成圖像的處理工作，利用計算機的軟件對圖像進行加工和分析，從而提高圖像的視覺效果，對圖像的亮度、色彩、成分增強進行處理，或者對圖像中包含的特殊信息、特征進行提取和增強，將這些被提取的信息進行預(yù)處理，從而滿足人們對圖像的需求。圖像數(shù)據(jù)處理的過程中，其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、編碼、壓縮也方便了圖像傳輸和存儲。目前數(shù)字圖像處理課程的發(fā)展尚處于初級階段，需要相關(guān)教師對其教學(xué)方式不斷探索。

四、數(shù)字圖像處理教學(xué)面臨的問題及解決思路

（一）教學(xué)難度高

數(shù)字圖像處理屬于一門較為綜合的課程，教師需要在教學(xué)中加強對數(shù)學(xué)公式計算與理論推導(dǎo)的重視。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，教師會在教學(xué)中使用計算機，并借助多媒體為學(xué)生播放課件，但他們無法快速理解和掌握公式推導(dǎo)的過程。而單純利用板書教學(xué)又比較枯燥，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣無法得到提升。所以，無論從哪個角度來看，都難以高效開展數(shù)字圖像處理教學(xué)，再加上課程本身的特點又一定程度上增加了教學(xué)難度，學(xué)生很難在短時間內(nèi)掌握相關(guān)技能。

（二）課程內(nèi)容難度大

由于數(shù)字圖像處理自身課程的起點較高，課程教學(xué)的內(nèi)容對學(xué)生而言具有很高的難度。由于當(dāng)前數(shù)字圖像處理課程設(shè)計的課程要求較高，并且數(shù)學(xué)、計算機知識所涉及的知識范圍廣，二者融合的程度需要進一步提升，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)這些課程時，學(xué)生的畏難情緒嚴重。在數(shù)學(xué)知識體系中，由于其計算所需的知識范圍涵蓋了矩陣變換、連續(xù)傅里葉變換、線性代數(shù)等多種知識，課程教學(xué)中，學(xué)生需要進行大量的數(shù)據(jù)計算與公式推導(dǎo)，教學(xué)進度緩慢。同時，這些需要計算的數(shù)學(xué)知識對一些學(xué)生而言十分抽象，學(xué)習(xí)起來十分吃力，這就使得傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)需要進行教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容的變革。如果教師依舊按照傳統(tǒng)的公式教學(xué)和理論方法，忽視對公式、理論的推導(dǎo)演示，圖像處理的過程對學(xué)生而言就比較抽象，學(xué)生理解不足，從而降低學(xué)習(xí)興趣。

（三）學(xué)科交叉，知識范圍廣

數(shù)字圖像處理作為一門以計算機為操作基礎(chǔ)的學(xué)科，其不僅涉及信息技術(shù)、數(shù)字信號處理、高級編程語言、高等數(shù)學(xué)、人工智能、數(shù)學(xué)分析、微電子等領(lǐng)域，其內(nèi)容還覆蓋了光學(xué)、信號學(xué)等不同領(lǐng)域。這些不同領(lǐng)域?qū)W科之間的相互滲透與交叉，讓數(shù)字圖像處理專業(yè)的理論知識理解起來更加吃力，需要學(xué)生提前對相關(guān)的基礎(chǔ)理論進行學(xué)習(xí)和掌握。同時，也正是由于其不同學(xué)科相互交叉滲透、知識覆蓋范圍廣的特點，學(xué)生對知識的掌握和理解不到位，讓教學(xué)難度大大增加。

（四）學(xué)生增加，整體素質(zhì)下降

隨著近年來高校不斷擴招，數(shù)字圖像處理專業(yè)的班級容量不斷增加。學(xué)生數(shù)量的增加為課程教學(xué)帶來了不小的影響。學(xué)生整體質(zhì)量下滑是一個長期的趨勢，學(xué)生水平參差不齊，很多學(xué)生的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)不好，對一些公式、數(shù)據(jù)計算理解能力不夠，自身的素質(zhì)無法滿足課程教學(xué)的需要。并且，由于數(shù)字圖像處理的各學(xué)科交叉融合特點，一部分學(xué)生的高等數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)部分沒有學(xué)好，就會導(dǎo)致跟不上教學(xué)進度，無法理解后面的教學(xué)內(nèi)容?；蛘咴谟嬎銠C語言程序編寫中的基礎(chǔ)沒有學(xué)好，不會自己進行操作和圖像處理，只能再去問教師或同學(xué)，耽誤了寶貴的課堂學(xué)習(xí)時間。而教師在面對越來越多的學(xué)生時自身的精力不足，無法關(guān)注到每一個學(xué)生，大大降低了師生互動的效果，不利于教師對學(xué)生的了解和學(xué)習(xí)情況掌握，為課程教學(xué)帶來了不利影響。

（五）教學(xué)課時少，課程內(nèi)容多

數(shù)字圖像處理的教學(xué)課時隨著高校擴招工作不斷壓縮，教學(xué)活動開展時，教師不僅要在學(xué)期開始為學(xué)生復(fù)習(xí)高等數(shù)學(xué)的相關(guān)知識內(nèi)容，介紹數(shù)字圖像處理的理論，同時還要進行編寫程序和解釋，另外還要注意課堂教學(xué)的實踐性。為了滿足教學(xué)計劃，將課程內(nèi)容完全講完，完成教學(xué)目標(biāo)，教師不得已只能加快教學(xué)進度，在一節(jié)課中不斷加入更多的內(nèi)容，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)能力跟不上教學(xué)進度，導(dǎo)致課程質(zhì)量下滑。

五、Matlab 解決數(shù)字圖像處理教學(xué)問題的思路

針對數(shù)字圖像處理教學(xué)的問題，需要教師和學(xué)生共同探索符合自身實際的教學(xué)方法。面對數(shù)字圖像處理這一理論與實踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的專業(yè)課程，教師可以利用計算機軟件，幫助學(xué)生解決計算問題，理解公式推導(dǎo)過程。例如，利用Matlab 軟件對公式進行簡化處理。利用Matlab本身自帶的數(shù)值計算和分析功能，學(xué)生在對微積分運算、微分方程求解時都可以通過簡單的建模、編程來完成。并且，通過Matlab 的幫助，教師可以將抽象數(shù)學(xué)計算結(jié)果具體化，方便學(xué)生理解和掌握。在此過程中，教師可以對計算結(jié)果進行可視化處理，利用Matlab 制作出GUIDE 圖形用戶界面程序，將課程教學(xué)當(dāng)中需要進行計算的公式進行計算，并展示其計算過程，將復(fù)雜的編程過程簡單化。

在課堂教學(xué)中，由于學(xué)生編寫程序的能力不足，無法對出錯程序進行處理，則需要教師在授課前對相關(guān)的圖形用戶界面進行設(shè)計和編寫，方便學(xué)生自主編寫程序，簡化學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。同時在授課的過程中，教師通過提前編寫的程序解放了自身的時間，能夠及時對學(xué)生的疑難問題進行解答。如果有些問題在課堂解答時間不夠，教師還可以將數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容中難度較高、抽象程度較深的概念和公式編寫成一個教學(xué)課件的操作平臺，讓學(xué)生一鍵點擊就能夠反復(fù)觀看和學(xué)習(xí)，減輕教師的教學(xué)壓力。先讓學(xué)生理解數(shù)字圖像的基本概念，如像素、灰度值、分辨率等；介紹數(shù)字圖像處理的基本原理，如圖像增強、濾波、二值化、分割、邊緣檢測等技術(shù)；教授Matlab 的基本語法和函數(shù)，如讀取和保存圖像、顯示圖像、處理圖像、圖像變換等?？傊?，Matlab 是數(shù)字圖像處理的核心工具之一，教師教授數(shù)字圖像處理時需要深入理解其原理和使用方法，并通過實例加深學(xué)生對數(shù)字圖像處理的理解。

六、創(chuàng)建Matlab Guide 的案例介紹

Matlab Guide 軟件為用戶提供了豐富的開發(fā)工具，通過對組件布局編輯器、排列工具、屬性編輯器、對象瀏覽器、菜單編輯器這些組件進行布局，方便修改和調(diào)整圖像界面的各種元素。

（一）基本功能

通過上文介紹，需要對用戶界面進行制作，其主要具備的功能有以下幾種：1.通過用戶界面制作，實現(xiàn)一級菜單start 和save按鈕能夠更好地對需要處理的圖像進行讀取和保存；2.通過設(shè)計與制作新的功能按鈕，實現(xiàn)對圖像灰度進行調(diào)整和變化，并且能夠通過用戶的實時操作實現(xiàn)對圖像變化后的效果對比與處理；3.通過用戶界面的功能設(shè)置，對圖像的直方圖進行均衡化處理，并能夠及時顯示處理效果；4.對二維傅里葉進行變換；5.用平滑濾波器和均值濾波器過濾高斯噪聲和椒鹽噪聲；6.對圖像進行縮放、角度旋轉(zhuǎn)。

（二）設(shè)計步驟

首先在Matlab 軟件中進行操作，新建Guide 窗口，然后及時進行保存。其次，通過Menu Editor 創(chuàng)建一級菜單file，此時就可以在軟件窗口上實現(xiàn)打開、保存文件的功能。接下來的操作就是需要用戶分別建立2 個靜態(tài)文本和坐標(biāo)軸對象。標(biāo)注空間是靜態(tài)文本的核心功能，其分別能夠?qū)⑻幚砬昂蟮膱D像進行顯示，方便用戶對比。坐標(biāo)軸對象則只能夠顯示處理前后的圖像。完成此步驟后，操作新建7 個功能按鈕，用于圖像的旋轉(zhuǎn)和灰度變換，而后設(shè)置兩個文本框，用于編輯和輸入動態(tài)變換的角度及圖像進行縮放的系數(shù)。然后設(shè)置4 個單選按鈕，按鈕分成兩組，用于實現(xiàn)高斯噪聲和椒鹽噪聲之間的切換。設(shè)置完成以上操作后，按照操作需要，對代碼課回調(diào)函數(shù)進行編寫。在設(shè)計過程中需要關(guān)注的是，上述空間的相關(guān)屬性設(shè)置標(biāo)識問題。因為在控件標(biāo)識的過程中，Tag 能夠?qū)崿F(xiàn)對不同控件的識別，所以每一個空間在開發(fā)和創(chuàng)建過程中都會產(chǎn)生一個標(biāo)識，為了方便記憶、修改與編輯，需要將控件設(shè)置為新的標(biāo)識。

（三）教學(xué)實施

通過編寫Matlab Guide 圖像用戶軟件，實現(xiàn)了降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度的目標(biāo)。在學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的過程中，利用軟件減輕了學(xué)生和教師的工作量，幫助學(xué)生理解了一些抽象的概念。通過軟件的輔助，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提升，積極性得以發(fā)揮，在實踐操作階段，學(xué)生對軟件的應(yīng)用逐漸熟悉并能夠很好地用在學(xué)習(xí)任務(wù)當(dāng)中。

1.確定教學(xué)目標(biāo)：確定教學(xué)目標(biāo)是數(shù)字圖像處理教學(xué)計劃的重要一步，具體來講，可以根據(jù)不同層次的學(xué)生制定不同的教學(xué)目標(biāo)。首先理解數(shù)字圖像的基本概念：像素、分辨率、灰度值、圖像格式等。理解數(shù)字圖像處理的基本操作：灰度拉伸、直方圖均衡化、高斯濾波、中值濾波、二值化等。熟悉Matlab 工具箱中數(shù)字圖像處理相關(guān)的函數(shù)：如imread、imshow、imwrite 等，并掌握這些函數(shù)的使用方法。獨立處理數(shù)字圖像，實現(xiàn)簡單的數(shù)字圖像處理任務(wù)，例如對圖像進行平滑處理、二值化等。了解數(shù)字圖像處理的一些實際應(yīng)用，如人臉識別、目標(biāo)檢測、醫(yī)學(xué)圖像處理等，并初步掌握其基本的實現(xiàn)方法。根據(jù)以上目標(biāo)，設(shè)計數(shù)字圖像處理課程并開展各項教學(xué)活動，則能夠有效提高學(xué)生的數(shù)字圖像處理能力。

2.設(shè)計教學(xué)計劃：為了有效地教授數(shù)字圖像處理使用Matlab，可以考慮以下教學(xué)計劃：

第一周：Matlab 基礎(chǔ)語法和數(shù)字圖像處理簡介；Matlab 語言基礎(chǔ)語法以及常用的Matlab 函數(shù)；數(shù)字圖像處理的概念、任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域；數(shù)字圖像的灰度級數(shù)、亮度直方圖、對比度、伽馬校正。

第二周：數(shù)字圖像的預(yù)處理；數(shù)字圖像的邊緣檢測、二值化、直方圖均衡化、濾波方法、模板操作；采用OpenCV 庫進行圖像處理。

第三周：數(shù)字圖像的特征提取和分析；理解數(shù)字圖像特征提取和分類算法；圖像的特征提取、特征向量；數(shù)字圖像模式識別方法，包括模型分類和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類。

第四周：數(shù)字圖像處理實際應(yīng)用；深度學(xué)習(xí)在計算機視覺領(lǐng)域中的應(yīng)用；采用深度學(xué)習(xí)的框架進行圖像分類和目標(biāo)檢測；圖像超分辨率通道估計和復(fù)原。

第五周：數(shù)字圖像處理設(shè)計和案例分析；設(shè)計基于Matlab的數(shù)字圖像處理算法；討論數(shù)字圖像簽名和水印領(lǐng)域中圖像處理的案例分析。此外，實踐項目是加深數(shù)字圖像處理知識和技能的重要手段。教學(xué)計劃中可以安排課程的實踐項目。例如，實現(xiàn)圖像的處理和特征提取等，以及設(shè)計數(shù)字圖像處理應(yīng)用程序等。在課程結(jié)束時，可以組織學(xué)生展示他們的數(shù)字圖像處理作品。通過這些實踐項目，可以提高學(xué)生的數(shù)字圖像處理實踐能力，加強對Matlab 的理解和應(yīng)用，為今后的進一步學(xué)習(xí)和實踐奠定基礎(chǔ)。

3.講解數(shù)字圖像處理基本概念和技術(shù)：介紹數(shù)字圖像處理的基本原理。例如，圖像增強、濾波、二值化、分割、邊緣檢測等技術(shù)。結(jié)合實際的案例講解，通過代碼演示讓學(xué)生實踐。

4.練習(xí)實踐：提供實際數(shù)字圖像處理問題的實例，讓學(xué)生通過實踐加深對數(shù)字圖像處理的理解和應(yīng)用能力。教師可以引導(dǎo)他們使用Matlab 提供的數(shù)字圖像處理工具箱來處理圖片，如操作圖像縮放和旋轉(zhuǎn)；也可以讓他們自己編寫代碼完成任務(wù)，如編寫Matlab 代碼從本地文件夾中讀取圖像并顯示到Matlab GUI 上，或者使用Matlab 代碼提取圖像的特征，如顏色和紋理特征等，用于后續(xù)的圖像分類和識別。另外，學(xué)生在編寫Matlab 代碼時，可以掌握邊緣檢測算法，如Sobel 算子、Laplacian 算子和Canny 算法等，加強學(xué)生對該算法的掌握，引導(dǎo)他們適當(dāng)變化圖像條件完成圖像處理。

5.評估學(xué)生掌握情況：教師除了要完成教學(xué)任務(wù)外，還要通過評估活動了解學(xué)生對知識的掌握情況。一般情況下，教師會結(jié)合學(xué)生的考試結(jié)果進行直接評估。但近年來，隨著教育的不斷發(fā)展，單純的考試已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的教學(xué)評估需要。教師需從實踐測試的角度出發(fā)，了解學(xué)生的綜合能力發(fā)展情況。比如，教師可以從實踐角度出發(fā)，為他們布置實踐任務(wù)，并對任務(wù)結(jié)果進行評估，以此了解他們對數(shù)字圖像處理課程中理論知識和實踐技能的掌握情況；還可以從編程角度出發(fā)，檢驗他們對Matlab 代碼相關(guān)知識的了解。另外，還可以從綜合角度出發(fā)，為他們布置小組任務(wù)，讓學(xué)生共同完成某個任務(wù)，以此促使他們相互幫助，提高實際操作能力，加強他們對數(shù)字圖像處理知識的理解。最后，則需要教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和學(xué)習(xí)需求，在評估過程中加入更多的評價方法，保證評估活動的全面性，為學(xué)生提供及時反饋，鼓勵他們繼續(xù)努力，不斷學(xué)習(xí)進步。

七、結(jié)語

本文對數(shù)字圖像處理課程的相關(guān)內(nèi)容進行了闡述，論述了數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題，即教師依靠板書講解的形式過于單一，課程內(nèi)容難度高、教學(xué)難度大從而導(dǎo)致學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握和理解不夠充分等，這些問題嚴重影響了數(shù)字圖像處理教學(xué)課程的效果。通過對Matlab 的研究，本文設(shè)計制作了圖形用戶界面的例子，將其作為課程教學(xué)的輔助手段，真實展現(xiàn)了在軟件幫助下，利用人機互動界面可控化管理數(shù)字圖像處理分析過程，提升分析效果，直觀展示數(shù)據(jù)變化。同時，利用這一方法將數(shù)字圖像處理的教學(xué)方式進行了優(yōu)化，大大降低了學(xué)生理解難度，易于學(xué)生接受相關(guān)理論，提升教學(xué)效果。