1、2009年第 9期 福 建 電 腦基于 MATLAB 的數字圖像處理教學軟件包的設計袁怡圃 1, 劉懷如 2(1、 泉州師范學院理工學院 福建 泉州 3620002、 泉州師范學院資源與環境科學學院 福建 泉州 362000【 摘 要 】:介紹基于 MATLAB 開發的數字圖像處理教學軟件包的設計及實現 . 該軟件包在教學使用中取得不錯的效 果 .【 關鍵詞 】:MATLAB ; 數字圖像處理 ; 計算機輔助教學0、 引言" 數字圖像處理 " 是電子信息類本科專業的專業課 , 主要講 授利用計算機處理圖像的原理和方法 . 由于圖像處理的算法和 實踐都需要在計算機或其他終端上

2、實現 , 所以單純的理論講解 無法取得良好的教學效果 . 將 MATLAB 軟件引入數字信號處理 課堂教學中 , 通過演示課件 , 將抽象的理論轉化為可視化的圖 形 , 可以讓學生直觀地理解和領會教材中抽象的內容 , 提高學習 的積極性和興趣 .1、 MATLAB 軟件的功能和特點MATLAB 軟件是美國 Mathworks 公司推出的一套科學計算 軟件 , 它將數值計算 、 可視化 、 程序編寫集成于一個方便的 、 用戶 界面友好的操作環境中 .下面介紹 MATLAB 軟件相關的幾個功能和特點 . 簡單易用的編程語言和環境 ;MATLAB 語言語法規則簡單易學 , 用戶不用花太多時間即 可掌

3、握其編程技巧 . MATLAB 指 令 格 式 與 教 科 書 中 的 數 學 表 達 式非常相近 , 用 MATLAB 編寫程序猶如在便箋上列寫公式和求 解 . 便捷的圖形繪制功能 .MATLAB 提供了豐富的數據可視化函數 , 包括二維 、 三維數 據繪圖 、 極坐標圖等 . 方便的圖形用戶接口 ;圖形用戶接口是用戶與計算機程序之間的交互方式 . 通過 圖形用戶接口 , 最終用戶不需要了解程序的內部運行方式 , 便可 方便的運行程序 . 圖形用戶接口特別適合于演示課件的制作 . 圖像處理工具箱 ;MATLAB 的圖像處理工具箱支持各種圖像處理 , 包括圖像 空間變換 、 形態學處理 、 鄰

4、域與塊處理 、 線性濾波與濾波器設計 、 圖像變換 、 圖像分析與增強等 .2、 軟件包的設計2.1功能介紹本軟件包的定位是教學輔助軟件 , 軟件功能與教學內容緊 密結合 , 涉及的范圍有灰度變換 、 圖像平滑 、 圖像銳化以及頻域 濾波 . 各部分的功能介紹如下 :圖 1圖像分段線性灰度變換灰度變換模塊通過調整圖像的灰度范圍 , 從而提高圖像的 灰度對比度 . 該模塊實現了線性變換 、 分段線性變換和對數變換 3種灰度變換 . 用戶可通過圖形界面選擇依次選擇輸入圖像 、 灰 度變換方式及其輸入相應的參數 , 運行后可得到灰度變換曲線 和變換后的圖像 , 如圖 1所示 .圖像平滑模塊通過各種平

5、滑技術減少圖像噪聲 . 考慮到圖 像噪聲的多樣性 , 因此該模塊提供了 4種圖像噪聲 :高斯噪聲 、 椒鹽噪聲 、 泊松噪聲和乘性噪聲 . 用戶通過圖形界面依次選擇輸 入圖像 、 圖像噪聲和圖像平滑方式 , 運行后可得到原始圖像 、 加 噪圖像和平滑處理后的圖像 . 該模塊中提供了低通濾波 、 中值濾 波 、 均值濾波和維納濾波 4種平滑處理方法 , 如圖 2所示 . 圖 2圖像平滑 (椒鹽噪聲 , 中值濾波 圖 像 銳 化 模 塊 通 過 各 種 方 法 使 圖 像 的 邊 緣 和 輪 廓 變 得 清 晰 , 從而使其細節清晰 . 該模塊實現了以下幾種圖像銳化算 法 :梯度法 、 sobel

6、 算子 、 laplacian 算子 、 prewitt 算子和高通濾波 . 用戶 操作時 , 依次選擇輸入圖像 、 銳化方式及其相關輸入參數 , 運行 后可得到原始圖像與銳化后的圖像 , 如圖 3所示 .圖 3圖像銳化 (sobel 算子 圖像頻域濾波模塊通過設計高通與低通濾波器實現圖像的 銳化與平滑 . 該模塊提供了 4種高通 /低通濾波器 , 分別是理想 型 、 巴特沃斯型 、 指數型和梯形型 . 當用戶選擇好輸入圖像 、 高通 /低通濾波器類型及其相應的輸入參數 , 運行后可得到原始圖像 、 1302009年第 9期 福 建 電 腦(上接第 159頁 !型 , 數據符號可以近似熵率進行

7、編碼 , 提高編碼效率 。 具體過程 如下 :(1 二 進 制 化 :由 于 CABAC 是 對 二 進 制 數 據 進 行 編 碼 , 對 非二進制數必須先進行二進制化轉換 。 對于已經二進制化的符 號的每一個比特 , 重復下面的 (2、(3、(4 步驟 。(2 選擇上下文模型 :上下文模型是對已經二進制化符號的 一個或多個比特數的概率模型 。 基于最近編碼過的數據符號的 統計規律 , 從可用的模型中選擇上下文模型 。 上下文模型存儲了 每個比特數是 0還是 1的概率 。(3 算法編碼 :算法編碼器根據選擇的概率模型進行編碼 。 對于每一個比特數 , 只有可取 0或 1兩種情況 。(4 概率

8、修正 :已選擇的上下文模型根據實際編碼數據進行 修正 , 若新編碼的比特數是 1, 則 1的概率就增高 。 當熵編碼模型的值為 0時 , 對經變換和量化后的殘差塊數據使 用基于上下文的自適應可變長編碼 , 即 CAVLC 方式編碼 。 以上 H.264編碼過程的程序嵌入到 SV-IP01處理器內 , 由 主控機在視窗操作系統 Windows2000下的監控軟件實施調度 , 整個編碼過程不占用主控機處理器的時間 , 只是在將數據送入 PCI 總線時向主控機發出中斷請求信號 , 主控機完成數據錄入 、 存儲和顯示輸出 。參考文獻 :1.ITU-T telecommunication standar

9、dization sector of ITU 2003.52.H.264/MPEG-4Part 10White Paper 3. 麻曉園等 . H.264視頻編碼標準及其在移動通信中的應用 。 現代電信 科技 2003(7濾波后圖像 、 濾波器的三維頻譜圖和濾波前后圖像頻譜曲線 (沿 水平方向頻譜截面 , 如圖 4所示 .圖 4圖像頻域高通濾波 (巴特沃斯型低通濾波器 2.2圖形用戶界面 (Graphical User Interface , GUI 設計在進行 GUI 設計之前 , 要先對每個模塊功能進行分析 , 確 定模塊的輸入輸出 ; 然后結合 MATLAB 的 GUI 設計環境 , 設

10、計 合理的圖形用戶界面 . 設計時需要考慮以下幾個因 素 :(1 交 互 式操作的便捷性 ;(2 結果的顯示能起到良好的展示效果 ;(3 功 能相似的模塊集中以方便結果的比較 .MATLAB 提供了兩種創建圖形用戶接口的方法 :通過 GUI 向導的方法和編程的方法 , 其中利用 GUI 向導創建的方法是比 較方便的 . 在 GUI 向導設計環境中 , MATLAB 提供了 13種 GUI 的控件 . 下面按照控件的用途對控件進行介紹 :(1 常 用 于 輸 入 的控件 :單選按鈕 、 按鈕組 、 彈出式菜單 、 列表框和復選框控件適 用于需要從多個選項進行選擇的情況 ; 編輯文本框適用于需要

11、進行文本或數值輸入的情況 ; 滑動桿適用于需要數值輸入的情 況 . (2 常用于輸出的控件 :坐標軸適用于可視化結果的輸出 ; 靜 態文本框適用于文本或數值結果的輸出 . (3 常用于執行命令的 控件 :切換按鈕和命令按鈕常用于執行命令 . 另外 , 面板控 件 常 用于美觀修飾 , ActiveX 控件則提供了其他豐富的功能但僅限于 windows 操作系統 .接下來以 " 圖像灰度變換模塊 " 為例 (圖 1, 介紹設計思路 . 如前文所述 , 該模塊將集成線性灰度變換 、 分段線性灰度變換和 對數灰度變換 3種變換方式 , 在設計的時候需要同時考慮這 3種方式的輸入

12、、 輸出以及不同方式切換時的相互影響 .在輸出方面 , 由于灰度變換模塊主要展現圖像灰度范圍的 變化對圖像視覺效果的影響 , 因此需要提供原始圖像與變換后 圖像的顯示 . 另外將變換函數的波形直觀顯示有助于用戶了解 灰度變換的關系 , 將原始圖像的灰度范圍顯示有助于用戶了解 原始圖像的灰度信息 .在輸入方面 , 根據變換關系函數確定輸入參數 . 線性灰度變 換 、 分段線性變換和對數變換的函數關系如式 (1 (3 所示 . (1(2(3式 (1 中原圖像 f(x,y的 灰 度 范 圍 為 a,b , 輸 出 圖 像 g(x,y的 灰度范圍為 c,d . 式 (2 中將灰度區間為 a,b 線性擴

13、展為 c,d , 灰度區間 0,a 和 b,e 受到相應的壓縮 . 式 (3 中參數 a 和 b 用于控 制曲線的位置和形狀 . 根據上述分析 , 在圖形用戶界面上需要提 供以下輸入 :輸入灰度范圍 (用于分段線性變換 、 輸出灰度范圍 (用于線性變換 /線性擴展范圍 (用于分段線性變換 和 用 于 對 數變換的參數 a,b . 為了提供便捷的輸入以及減少輸入的錯誤 , 參 數的輸入采用滑動桿控件 . 另外不同變換方式的切換采用按鈕 組結合單選按鈕控件來實現 。界面設計好后 , 還要綜合分析用戶使用的各種情況 , 確定各 個控件之間的關系 , 從而在相應控件的回調函數中加入對其他 控件的控制語句 . 例如在運行過程中 , 當用戶從一種變換方式切 換到另一種方式時 , 要激活相應的輸入控件 , 禁止無關的輸入控 件并且初始化相應的輸出 .3、 結束語MATLAB 軟件功能強大 , 編程較為方便 , 利用 MATLAB 開發 的圖像處理教學軟件包 , 可用于 圖像處理 課程的教學 . 通過課 堂演示 , 有助于學生對相關知識的掌握 , 在實際教學中取得不錯 的效果 .參考文獻 :1. 余 成 波 . 數 字 圖 像 處 理 及 MATLAB 實 現 M.