基于MATLAB的数字图像处理教学软件包的设计

1、2009年第 9期 福 建 电 脑基于 MATLAB 的数字图像处理教学软件包的设计袁怡圃 1, 刘怀如 2(1、 泉州师范学院理工学院 福建 泉州 3620002、 泉州师范学院资源与环境科学学院 福建 泉州 362000【 摘 要 】:介绍基于 MATLAB 开发的数字图像处理教学软件包的设计及实现 . 该软件包在教学使用中取得不错的效 果 .【 关键词 】:MATLAB ; 数字图像处理 ; 计算机辅助教学0、 引言" 数字图像处理 " 是电子信息类本科专业的专业课 , 主要讲 授利用计算机处理图像的原理和方法 . 由于图像处理的算法和 实践都需要在计算机或其他终端上

2、实现 , 所以单纯的理论讲解 无法取得良好的教学效果 . 将 MATLAB 软件引入数字信号处理 课堂教学中 , 通过演示课件 , 将抽象的理论转化为可视化的图 形 , 可以让学生直观地理解和领会教材中抽象的内容 , 提高学习 的积极性和兴趣 .1、 MATLAB 软件的功能和特点MATLAB 软件是美国 Mathworks 公司推出的一套科学计算 软件 , 它将数值计算 、 可视化 、 程序编写集成于一个方便的 、 用户 界面友好的操作环境中 .下面介绍 MATLAB 软件相关的几个功能和特点 . 简单易用的编程语言和环境 ;MATLAB 语言语法规则简单易学 , 用户不用花太多时间即 可掌

3、握其编程技巧 . MATLAB 指 令 格 式 与 教 科 书 中 的 数 学 表 达 式非常相近 , 用 MATLAB 编写程序犹如在便笺上列写公式和求 解 . 便捷的图形绘制功能 .MATLAB 提供了丰富的数据可视化函数 , 包括二维 、 三维数 据绘图 、 极坐标图等 . 方便的图形用户接口 ;图形用户接口是用户与计算机程序之间的交互方式 . 通过 图形用户接口 , 最终用户不需要了解程序的内部运行方式 , 便可 方便的运行程序 . 图形用户接口特别适合于演示课件的制作 . 图像处理工具箱 ;MATLAB 的图像处理工具箱支持各种图像处理 , 包括图像 空间变换 、 形态学处理 、 邻

4、域与块处理 、 线性滤波与滤波器设计 、 图像变换 、 图像分析与增强等 .2、 软件包的设计2.1功能介绍本软件包的定位是教学辅助软件 , 软件功能与教学内容紧 密结合 , 涉及的范围有灰度变换 、 图像平滑 、 图像锐化以及频域 滤波 . 各部分的功能介绍如下 :图 1图像分段线性灰度变换灰度变换模块通过调整图像的灰度范围 , 从而提高图像的 灰度对比度 . 该模块实现了线性变换 、 分段线性变换和对数变换 3种灰度变换 . 用户可通过图形界面选择依次选择输入图像 、 灰 度变换方式及其输入相应的参数 , 运行后可得到灰度变换曲线 和变换后的图像 , 如图 1所示 .图像平滑模块通过各种平

5、滑技术减少图像噪声 . 考虑到图 像噪声的多样性 , 因此该模块提供了 4种图像噪声 :高斯噪声 、 椒盐噪声 、 泊松噪声和乘性噪声 . 用户通过图形界面依次选择输 入图像 、 图像噪声和图像平滑方式 , 运行后可得到原始图像 、 加 噪图像和平滑处理后的图像 . 该模块中提供了低通滤波 、 中值滤 波 、 均值滤波和维纳滤波 4种平滑处理方法 , 如图 2所示 . 图 2图像平滑 (椒盐噪声 , 中值滤波 图 像 锐 化 模 块 通 过 各 种 方 法 使 图 像 的 边 缘 和 轮 廓 变 得 清 晰 , 从而使其细节清晰 . 该模块实现了以下几种图像锐化算 法 :梯度法 、 sobel

6、 算子 、 laplacian 算子 、 prewitt 算子和高通滤波 . 用户 操作时 , 依次选择输入图像 、 锐化方式及其相关输入参数 , 运行 后可得到原始图像与锐化后的图像 , 如图 3所示 .图 3图像锐化 (sobel 算子 图像频域滤波模块通过设计高通与低通滤波器实现图像的 锐化与平滑 . 该模块提供了 4种高通 /低通滤波器 , 分别是理想 型 、 巴特沃斯型 、 指数型和梯形型 . 当用户选择好输入图像 、 高通 /低通滤波器类型及其相应的输入参数 , 运行后可得到原始图像 、 1302009年第 9期 福 建 电 脑(上接第 159页 !型 , 数据符号可以近似熵率进行

7、编码 , 提高编码效率 。 具体过程 如下 :(1 二 进 制 化 :由 于 CABAC 是 对 二 进 制 数 据 进 行 编 码 , 对 非二进制数必须先进行二进制化转换 。 对于已经二进制化的符 号的每一个比特 , 重复下面的 (2、(3、(4 步骤 。(2 选择上下文模型 :上下文模型是对已经二进制化符号的 一个或多个比特数的概率模型 。 基于最近编码过的数据符号的 统计规律 , 从可用的模型中选择上下文模型 。 上下文模型存储了 每个比特数是 0还是 1的概率 。(3 算法编码 :算法编码器根据选择的概率模型进行编码 。 对于每一个比特数 , 只有可取 0或 1两种情况 。(4 概率

8、修正 :已选择的上下文模型根据实际编码数据进行 修正 , 若新编码的比特数是 1, 则 1的概率就增高 。 当熵编码模型的值为 0时 , 对经变换和量化后的残差块数据使 用基于上下文的自适应可变长编码 , 即 CAVLC 方式编码 。 以上 H.264编码过程的程序嵌入到 SV-IP01处理器内 , 由 主控机在视窗操作系统 Windows2000下的监控软件实施调度 , 整个编码过程不占用主控机处理器的时间 , 只是在将数据送入 PCI 总线时向主控机发出中断请求信号 , 主控机完成数据录入 、 存储和显示输出 。参考文献 :1.ITU-T telecommunication standar

9、dization sector of ITU 2003.52.H.264/MPEG-4Part 10White Paper 3. 麻晓园等 . H.264视频编码标准及其在移动通信中的应用 。 现代电信 科技 2003(7滤波后图像 、 滤波器的三维频谱图和滤波前后图像频谱曲线 (沿 水平方向频谱截面 , 如图 4所示 .图 4图像频域高通滤波 (巴特沃斯型低通滤波器 2.2图形用户界面 (Graphical User Interface , GUI 设计在进行 GUI 设计之前 , 要先对每个模块功能进行分析 , 确 定模块的输入输出 ; 然后结合 MATLAB 的 GUI 设计环境 , 设

10、计 合理的图形用户界面 . 设计时需要考虑以下几个因 素 :(1 交 互 式操作的便捷性 ;(2 结果的显示能起到良好的展示效果 ;(3 功 能相似的模块集中以方便结果的比较 .MATLAB 提供了两种创建图形用户接口的方法 :通过 GUI 向导的方法和编程的方法 , 其中利用 GUI 向导创建的方法是比 较方便的 . 在 GUI 向导设计环境中 , MATLAB 提供了 13种 GUI 的控件 . 下面按照控件的用途对控件进行介绍 :(1 常 用 于 输 入 的控件 :单选按钮 、 按钮组 、 弹出式菜单 、 列表框和复选框控件适 用于需要从多个选项进行选择的情况 ; 编辑文本框适用于需要

11、进行文本或数值输入的情况 ; 滑动杆适用于需要数值输入的情 况 . (2 常用于输出的控件 :坐标轴适用于可视化结果的输出 ; 静 态文本框适用于文本或数值结果的输出 . (3 常用于执行命令的 控件 :切换按钮和命令按钮常用于执行命令 . 另外 , 面板控 件 常 用于美观修饰 , ActiveX 控件则提供了其他丰富的功能但仅限于 windows 操作系统 .接下来以 " 图像灰度变换模块 " 为例 (图 1, 介绍设计思路 . 如前文所述 , 该模块将集成线性灰度变换 、 分段线性灰度变换和 对数灰度变换 3种变换方式 , 在设计的时候需要同时考虑这 3种方式的输入

12、、 输出以及不同方式切换时的相互影响 .在输出方面 , 由于灰度变换模块主要展现图像灰度范围的 变化对图像视觉效果的影响 , 因此需要提供原始图像与变换后 图像的显示 . 另外将变换函数的波形直观显示有助于用户了解 灰度变换的关系 , 将原始图像的灰度范围显示有助于用户了解 原始图像的灰度信息 .在输入方面 , 根据变换关系函数确定输入参数 . 线性灰度变 换 、 分段线性变换和对数变换的函数关系如式 (1 (3 所示 . (1(2(3式 (1 中原图像 f(x,y的 灰 度 范 围 为 a,b , 输 出 图 像 g(x,y的 灰度范围为 c,d . 式 (2 中将灰度区间为 a,b 线性扩

13、展为 c,d , 灰度区间 0,a 和 b,e 受到相应的压缩 . 式 (3 中参数 a 和 b 用于控 制曲线的位置和形状 . 根据上述分析 , 在图形用户界面上需要提 供以下输入 :输入灰度范围 (用于分段线性变换 、 输出灰度范围 (用于线性变换 /线性扩展范围 (用于分段线性变换 和 用 于 对 数变换的参数 a,b . 为了提供便捷的输入以及减少输入的错误 , 参 数的输入采用滑动杆控件 . 另外不同变换方式的切换采用按钮 组结合单选按钮控件来实现 。界面设计好后 , 还要综合分析用户使用的各种情况 , 确定各 个控件之间的关系 , 从而在相应控件的回调函数中加入对其他 控件的控制语句 . 例如在运行过程中 , 当用户从一种变换方式切 换到另一种方式时 , 要激活相应的输入控件 , 禁止无关的输入控 件并且初始化相应的输出 .3、 结束语MATLAB 软件功能强大 , 编程较为方便 , 利用 MATLAB 开发 的图像处理教学软件包 , 可用于 图像处理 课程的教学 . 通过课 堂演示 , 有助于学生对相关知识的掌握 , 在实际教学中取得不错 的效果 .参考文献 :1. 余 成 波 . 数 字 图 像 处 理 及 MATLAB 实 现 M.