基于MATLAB的數(shù)字圖像增強(qiáng)軟件平臺設(shè)計

趙曉鵬　夏平

摘要：數(shù)字圖像處理中所涉及的內(nèi)容廣泛且理論較深奧，學(xué)生難以理解并掌握其中的核心方法，為此，開發(fā)的數(shù)字圖像增強(qiáng)軟件平臺有助于增強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握。首先，搭建軟件平臺框架時對圖像增強(qiáng)內(nèi)容進(jìn)行整合為空域線性、空域非線性、頻域濾波三大類別，歸納并實現(xiàn)每一類別的經(jīng)典算法；最后，在MATLAB環(huán)境中構(gòu)建GUI平臺，嵌入實現(xiàn)的圖像增強(qiáng)算法。實驗結(jié)果表明，本軟件平臺仿真實現(xiàn)的圖像增強(qiáng)算法，結(jié)果清晰、正確，界面友好，輔助數(shù)字圖像處理相關(guān)內(nèi)容教學(xué)，對增強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)理論知識和算法的理解、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣性有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像增強(qiáng)；MATLAB；空域濾波；頻域濾波

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0165-03

“數(shù)字圖像處理”是電子信息工程、通信工程等專業(yè)的專業(yè)必修課程，數(shù)字圖像處理技術(shù)涵蓋的知識面寬泛，包含了圖像采集、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像銳化等多個內(nèi)容，每部分內(nèi)容也都多種處理算法，所涉及的知識點多、難度大，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解難度均比較大。與此同時，老師在授課過程中也會因此遇到教學(xué)質(zhì)量不高等問題。為解決“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中的這類問題，不少高校教師及其團(tuán)隊設(shè)計出該課程的教學(xué)輔助軟件作為相關(guān)的解決方案，數(shù)字圖像處理諸多教學(xué)輔助平臺將整個圖像處理內(nèi)容聚集于一體，因而每一模塊只能選取1-2個算法加以實現(xiàn)，所以，每一部分所涉及算法偏少，對于其他算法學(xué)生還是難于理解。

本文集中于數(shù)字圖像增強(qiáng)部分，平臺詳細(xì)規(guī)劃、設(shè)計圖像增強(qiáng)所涉及的相關(guān)算法，構(gòu)建基于MATLAB GUI的軟件平臺，針對性的解決圖像增強(qiáng)部分理論與算法的理解和掌握。

1.GUI軟件平臺設(shè)計

1.1總體架構(gòu)

軟件平臺界面的設(shè)計需要根據(jù)軟件的最終需求來確定，由于本軟件的目標(biāo)是將圖像增強(qiáng)的各種經(jīng)典算法集成在一個軟件平臺上，因此，軟件的總體架構(gòu)從圖像噪聲加入、空域濾波、頻域濾波以及仿真結(jié)果顯示等四個方面構(gòu)建。如圖1所示。

平臺中空域濾波和頻域濾波各濾波方案均需要有濾波器參數(shù)的輸入，人為可調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，還需要設(shè)計相關(guān)濾波器參數(shù)的輸入模塊。

1.2界面設(shè)計

1.2.1軟件平臺主界面設(shè)計

使用鼠標(biāo)將設(shè)計界面左側(cè)GUI對象選擇區(qū)的各個對象，按照需求拖到GUI布局區(qū)，放在合適的位置，并調(diào)整至合適的大小。完成軟件的主界面布局，按照需求，本軟件的主界面布局如圖2所示。

圖中的共有四個被紅線圍住的方框，分別為：

1）原始圖像：顯示輸入的原始圖像以及添加噪聲后的圖像；

2）濾波圖像：顯示加噪圖像經(jīng)過濾波處理后的圖像；

3）對原始圖像添加噪聲：在此窗口內(nèi)輸入原始圖像，并且選擇相應(yīng)的噪聲類型，添加在原始圖像上；

4）濾波：所有的濾波操作均放在該方框內(nèi)，在此處進(jìn)行左右的濾波操作。

1.2.2軟件平臺次界面設(shè)計

濾波功能板塊共有三類濾波方式，分別為空間域線性濾波、空間域非線性濾波、頻域濾波。每一類濾波方式所需要的參數(shù)分別設(shè)計成一個參數(shù)輸入界面，作為人機(jī)交互的界面。頻域濾波模塊所涉及的濾波方式與空間域線性濾波方式類似，因此，將兩種類別的參數(shù)輸入次界面采用同一個次界面；基于此，共設(shè)計三個參數(shù)輸入的次界面。如圖3所示。

由于每一種濾波模塊中均有多種濾波器可供選擇，且濾波器參數(shù)各不相同，因此，需要在每一個參數(shù)輸入的次界面上，添加一個按鈕“提示所需輸入的參數(shù)”，以便當(dāng)使用者不清楚應(yīng)該輸入哪些參數(shù)的時候，點擊該按鈕獲得提示信息。當(dāng)用戶輸入?yún)?shù)，點擊“確定”按鈕，回到軟件平臺的主界面。

1.3功能實現(xiàn)

軟件中最主要的模塊有“對原始圖像添加噪聲”和“濾波”兩大模塊。

1.3.1“原始圖像加噪”模塊

1.3.2“濾波”模塊

按照濾波方式不同，共分為“空間域濾波”和“頻域濾波”兩大類，每一大類濾波方式又細(xì)分為若干算法。

2.實驗結(jié)果與分析

本文以輸入cameraman.tif灰度圖像為例，向原始圖像添加密度為0.2的椒鹽噪聲，分別在空域、頻域中對加噪圖像進(jìn)行濾波處理，效果如圖4所示。

圖4（c）所示的結(jié)果可以看出，中值濾波對于椒鹽噪聲具有較好的濾除效果，圖中椒鹽噪聲點大幅度降低，濾波后圖像效果較好。

圖4（d）所示為使用截止頻率為60的理想低通濾波器濾波后的圖像，顯示的圖像模糊；主要由于采用理想低通濾波器在濾去噪聲同時，濾除了圖像中部分高頻信息。

3.結(jié)論

本軟件平臺共集成了23種濾波器，其中，空間線性濾波5種，非線性濾波10種，空域濾波頻域處理5種，低通頻域濾波3種，涵蓋了圖像增強(qiáng)中大部分經(jīng)典算法，這些算法為“數(shù)字圖像處理”教學(xué)中重點內(nèi)容。因此，該軟件平臺中所涉及的相關(guān)算法，有助于加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握。

同時，本軟件的濾波器均可調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)，因此，學(xué)生通過改變參數(shù)的輸入值，與教材講解的理論知識作對比驗證，體會相關(guān)算法的參數(shù)對濾波效果的影響。

本軟件是利用MATLAB2016a環(huán)境下的可視化圖形用戶界面開發(fā)完成的，充分利用圖像處理工具包以及GUI編程特點，使得界面簡單流暢，操作界面友好。