MATLAB在數(shù)字圖像處理教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：在科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，可以應(yīng)用于數(shù)字圖像處理課程教學(xué)之中的圖像處理軟件有多種，但相對(duì)來(lái)說MATLAB軟件最為適合，能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生找到興趣點(diǎn)，挖掘潛力，有效學(xué)習(xí)，最終提高自身數(shù)字圖像處理水平。基于此，本文將通過概述MATLAB軟件及數(shù)字圖像處理，進(jìn)而探討如何在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中有效應(yīng)用MATLAB軟件。

關(guān)鍵詞：MATLAB；數(shù)字圖像處理教學(xué)；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TN957.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2017）03-0089-02

Application of MATLAB in the Teaching of Digital Image Processing

YU Yi

（Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi 417000，China）

Abstract： In the rapid development of science and technology today， can be applied to digital image processing and image processing software into the teaching have many kinds， but relatively speaking， MATLAB software is the most suitable， can guide the student to carry on the simulation practice teaching， let the students find the point of interest， tap potential， effective learning， and ultimately improve their level of digital image processing. Based on this， this article will summarize the MATLAB software and digital image processing， and then discuss how to effectively use MATLAB software in the course of digital image processing.

Keywords： MATLAB； digital image processing teaching； application analysis

目前很多高校都開設(shè)了數(shù)字圖像處理課程，意在讓學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)，希望學(xué)生能夠在電子信息、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域有很好的作為，滿足人才應(yīng)用需求?？紤]到數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的關(guān)鍵是實(shí)踐，所選擇適合的、有效的圖像處理軟件來(lái)組織學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，有利于提高課程教學(xué)的有效性。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)將目光落在MATLAB軟件上，利用此軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理仿真教學(xué)，讓學(xué)生利用MATLAB圖像處理工具箱中的各種函數(shù)來(lái)進(jìn)行圖像灰度化處理、圖像濾波、圖像增強(qiáng)等，提高自身數(shù)字圖像處理水平。

1 MATLAB軟件和數(shù)字圖像處理的概述

1.1 數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理又稱計(jì)算機(jī)圖像處理，是指圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程。這使得它成為計(jì)算機(jī)學(xué)科、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)，通過對(duì)其予以深入的研究與開發(fā)，可以使數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、生物等領(lǐng)域之中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域更好更快的發(fā)展。正是因?yàn)槿绱耍瑸榱伺囵B(yǎng)更多優(yōu)秀的人才來(lái)投入到數(shù)字圖像處理研究和應(yīng)用中來(lái)，目前諸多高校已經(jīng)開設(shè)了數(shù)字圖像處理專業(yè)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字圖像處理課程教學(xué)，以便學(xué)生在教學(xué)之中掌握基本知識(shí)、基本原理、經(jīng)典算法等，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行圖像處理編程、仿真實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)踐等方面的能力，讓學(xué)生逐漸成為優(yōu)秀的、專業(yè)的數(shù)字圖像處理人才[1]。

1.2 MATLAB軟件

MATLAB語(yǔ)言是一種具有高效性、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的編程語(yǔ)言。而MATLAB軟件是有美國(guó)Math works公司開發(fā)的商業(yè)數(shù)字軟件，具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和操作功能，能夠在數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、算法開發(fā)、數(shù)值計(jì)算等場(chǎng)合之中有效應(yīng)用，尤其是數(shù)字圖像處理的仿真實(shí)驗(yàn)。為了使MATLAB軟件具有較高的應(yīng)用效果，美國(guó)Math works公司還提供了與之配套的圖像處理工具箱，也就是利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算能力，為用戶提供的參照標(biāo)準(zhǔn)算法和圖形工具，以此來(lái)使圖像處理操作更加靈活、高效，大大節(jié)省編寫底層算法代碼的時(shí)間，并且有效避免程序設(shè)計(jì)中重復(fù)勞動(dòng)，最終達(dá)到事半功倍的效果。從近些年MATLAB軟件應(yīng)用情況來(lái)看，確定更多時(shí)候MATLAB作為工程類軟件在電子工程、自動(dòng)控制等實(shí)際工程之中有效應(yīng)用。當(dāng)然，根據(jù)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)需要，有效利用MATLAB軟件也是非常適合的，利用提高此專業(yè)教學(xué)的有效性[2]。

2 MATLAB在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代化的今天，能夠應(yīng)用到數(shù)字圖像處理技術(shù)課程教學(xué)之中的圖像處理軟件有多種，如VC++、VB等。但通過對(duì)比分析，確定MATLAB軟件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更大，如編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單、算法仿真等，加之MATLAB集成的圖像處理工具箱更為圖像處理提供了有力的技術(shù)支持。其實(shí)，圖像處理是對(duì)圖像進(jìn)行一系列的操作，通過觀察圖像的變化來(lái)理解圖像處理的基本技術(shù)，進(jìn)而將抽象的公式和運(yùn)算結(jié)果聯(lián)系在一起。在理論教學(xué)之中有效的運(yùn)用MATLAB是非常適合的，能夠?qū)⒊橄蟮母拍罹唧w化，從而使學(xué)生更容易理解圖像處理，更有效的學(xué)習(xí)圖像處理技術(shù)。而相關(guān)調(diào)查顯示，一些學(xué)校中基于MATLAB的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)，側(cè)重于教授學(xué)生如何利用MATLAB集成的圖像處理工具箱來(lái)進(jìn)行圖像處理，忽略了學(xué)生編程能力的培養(yǎng)，長(zhǎng)此以往將使學(xué)生過分依賴MATLAB的圖像處理工具箱，這并不科學(xué)的教法。對(duì)此，筆者參考相關(guān)資料及自身工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出一些應(yīng)用建議。

2.1 慎重選取教學(xué)內(nèi)容

從以往數(shù)字圖像處理課程教學(xué)實(shí)際情況來(lái)看，確定數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)是實(shí)踐，所以在開展基于MATLAB的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)之際，應(yīng)當(dāng)科學(xué)、合理的選取教學(xué)內(nèi)容，保證理論與實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生在教學(xué)之中能夠找到自己的興趣點(diǎn)，以便學(xué)生能夠投入其中，深入挖掘自己的潛能，最終提高自身數(shù)字圖像處理水平。為此，在具體展開教學(xué)內(nèi)容選擇中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)課程內(nèi)容及學(xué)生的實(shí)際情況，選用適合學(xué)生的、可以開展仿真試驗(yàn)的教學(xué)單元，如圖像濾波處理、圖像幾何處理、圖像調(diào)整描述等，以便在后續(xù)的教學(xué)之中引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB圖像處理工具箱內(nèi)的函數(shù)算法來(lái)計(jì)算、編程、處理圖像[4]。

2.2 合理安排教學(xué)難度

為了提高數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的有效性，還要注意控制教學(xué)難度。也就是在規(guī)劃與設(shè)計(jì)基于MATLAB的數(shù)字圖形處理課程教學(xué)活動(dòng)之際，遵循重點(diǎn)基礎(chǔ)、測(cè)中應(yīng)用、反映前沿、循序漸進(jìn)的原則，根據(jù)學(xué)生的層次來(lái)合理安排不同層次的教學(xué)內(nèi)容，以便在教學(xué)活動(dòng)開展中學(xué)生可以根據(jù)自身的實(shí)際情況，選擇適合自身的教學(xué)內(nèi)容，利用MATLAB軟件及其工具箱嘗試編程和圖像處理。從筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，可以將教學(xué)難度分為三個(gè)等級(jí)，即基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)、利用MATLAB編程對(duì)典型算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、綜合實(shí)驗(yàn)。其中，基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)主要是營(yíng)造MATLAB編程環(huán)境，教授和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)MATLAB，直至熟練調(diào)用MATLAB圖像處理工具箱，真正理解圖像處理。利用MATLAB編程對(duì)典型算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，則是以提高學(xué)生編程能力為目的，仿真圖像處理和分析環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生在不調(diào)用MATLAB圖像處理工具箱內(nèi)函數(shù)的基礎(chǔ)上自行編程，處理圖像，進(jìn)而有效分析圖像。綜合實(shí)驗(yàn)，則是仿真完整的圖像處理項(xiàng)目，要求學(xué)生進(jìn)行圖像灰度化、圖像濾波、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像分析和識(shí)別等一系列圖像處理，以此來(lái)培養(yǎng)和提高學(xué)生數(shù)字圖像處理水平[5]。

3 MATLAB在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用案例

基于以上內(nèi)容的分析，在此筆者以利用數(shù)碼相機(jī)能夠采集一副包含裂縫的混凝土路面的圖像的處理為例來(lái)說明MATLAB的教學(xué)應(yīng)用。

3.1 圖像的直方圖均衡化

對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，有利于改善圖像的對(duì)比度，以便呈現(xiàn)路面裂縫情況。為了做到這一點(diǎn)，首先是講數(shù)碼照相機(jī)拍出的彩色圖像處理成為灰度圖，也就是稱之為圖像的灰度化處理。具體的做法是利用MATLAB圖像處理工具箱提供的函數(shù)rgb2gray來(lái)處理彩色圖像，最終獲得灰度圖。之后觀察灰度圖，發(fā)現(xiàn)因光照問題的影響導(dǎo)致圖像辨識(shí)度降低，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行直方圖均衡化處理。也就是將灰度圖的灰度概率輸入到MATLAB軟件中，進(jìn)而明確圖像灰度概率分布情況，以此為依據(jù)來(lái)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展圖像的動(dòng)態(tài)范圍，提高圖像的對(duì)比度。需要說明的是這一過程中需要用到MATLAB圖像處理工具箱提供的histequ和imhist函數(shù)，前者用于直方圖均衡化處理，后者用于顯示直方圖。

3.2 圖像濾波

圖像采集和傳輸?shù)倪^程中容易受到噪音的影響，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，并且降低圖像檢測(cè)和分析效果，此時(shí)就需要利用MATLAB軟件來(lái)進(jìn)行圖像過濾處理?；趯?duì)圖像實(shí)際情況的了解，確定利用中值濾波方法最為適合，可以有效去除孤點(diǎn)噪聲，并且保持圖像的邊緣特性。當(dāng)然，要想做到這一點(diǎn)，需要利用MATLAB圖像處理工具箱中的medfilt2函數(shù)對(duì)滑動(dòng)窗口內(nèi)的奇數(shù)點(diǎn)灰度值進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)過濾圖像，消除噪聲。

3.3 圖像分割

簡(jiǎn)單來(lái)說，圖像分割就是將圖像分割成若干個(gè)特定的、獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域，同時(shí)提出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。隨著近些年對(duì)MATLAB軟件研究的深入，數(shù)字形態(tài)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)等理論被應(yīng)用到圖像分割之中，提高了圖像分割水平，并且也使圖像分割方法增多，如閾值分割法、區(qū)域分割法、區(qū)域生長(zhǎng)法等。

基于對(duì)本次混凝土路面圖像的了解及以上處理情況，確定區(qū)域長(zhǎng)生法的選用最為適合。利用區(qū)域長(zhǎng)生法來(lái)進(jìn)行圖像分割，可以先進(jìn)行仿真試驗(yàn)，之利用regiongrow的M函數(shù)來(lái)計(jì)算與分割，進(jìn)而將圖像中的裂縫部分分割出來(lái)，并且保證分割效果良好，對(duì)后續(xù)有效的展開混凝土路面裂縫檢測(cè)與分析有很大幫助。

4 結(jié) 論

作為一項(xiàng)有效的圖像處理技術(shù)，MATLAB有效應(yīng)用于數(shù)字圖像處理課程教學(xué)之中，能夠彌補(bǔ)其他圖像處理軟件的不足，教授和鍛煉學(xué)生圖像處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，如圖像灰度化、圖像濾波、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像分析和識(shí)別等，以便學(xué)生數(shù)字圖像處理水平得以提高。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：禹翼（1984.05—），女，漢族，湖南婁底人，湖南人文科技學(xué)院，本科，助教。研究方向：圖像處理。