基于MATLAB GUI的數(shù)字圖像處理輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

羅琴 李永全

摘要：依托MATLAB的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，調(diào)用工具箱已有的函數(shù)構(gòu)建一個實用便捷的數(shù)字圖像處理輔助教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)交互式控制。通過進行形象化演示，使學(xué)生直觀感受到算法實現(xiàn)的效果，有助于增強學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握。系統(tǒng)界面友好，具有較強的可移植性與擴展性。

關(guān)鍵詞：MATLAB；數(shù)字圖像處理；GUI；空域濾波

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）08-0114-03

1引言

數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，包括計算機科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、通信領(lǐng)域、工業(yè)和工程、軍事和文化藝術(shù)等領(lǐng)域。處于人工智能的時代，“數(shù)字圖像處理”作為電子信息工程、通信工程等專業(yè)的專業(yè)必修課程尤為重要，包含了圖像增強、圖像變換、圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)等多個內(nèi)容，各部分內(nèi)容算法處理繁多且較為復(fù)雜，學(xué)生較難理解。借助MATLAB強大的運算和圖形展示功能設(shè)計并實現(xiàn)數(shù)字圖像處理輔助教學(xué)系統(tǒng)，其較強的實踐性使圖像處理更加簡單和直觀，有助于學(xué)生系統(tǒng)全面的掌握經(jīng)典原理和基本算法。

2數(shù)字圖像處理輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)的整體框架

以數(shù)字圖像處理課程的章節(jié)內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)的特點設(shè)計系統(tǒng)的整體框架如圖1，其功能包括八大模塊：文件管理、圖像編輯、常用處理、圖像變換、圖像增強、圖像類型轉(zhuǎn)換、圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)。

2.2 GUI界面設(shè)計流程及布局

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為MATLAB R2014b，通過GUI向?qū)?gòu)建圖像界面時，GUI設(shè)計同時保存兩個文件：包含控件圖形對象的Fig文件，如圖形窗口、文本、菜單、坐標、控件等，包含回調(diào)函數(shù)的M文件。依照GUI界面設(shè)計流程圖，如圖2，首先在MAT-LAB界面啟動guide，對圖形界面進行總體布局。其次添加控件對象，菜單對象和坐標軸對象，此處需拖動控件添加兩個坐標軸對象，3個靜態(tài)文本標簽，修改對象屬性，調(diào)整對象位置，如圖3。接著對MenuEditor菜單欄添加三級菜單項，如圖4，設(shè)置并修改對象屬性。最后點擊Callback項返回M文件并編寫回調(diào)函數(shù)，進行程序調(diào)試后運行后生成圖形界面。

2.2.1系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點

每個圖形對象都有唯一一個句柄，只有獲取其句柄，才可對該圖形對象進行控制，設(shè)置或修改對象的有關(guān)屬性。回調(diào)函數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸主要借助句柄handles進行訪問。Handles既可以儲存GUI對象信息，又可以儲存一般變量。實現(xiàn)不同回調(diào)函數(shù)間圖像數(shù)據(jù)傳送的函數(shù)用法為：

handles.新變量名=變量值；%新建變量

guidata（hObject，handles）；%更新句柄信息

2.2.2系統(tǒng)界面設(shè)計

系統(tǒng)界面如圖5，主要分為顯示區(qū)域與操作區(qū)域。顯示區(qū)域：定義兩個圖形區(qū)域。左邊區(qū)域顯示載人的原圖像，載入原圖像類型包括tif、jpg、bmp、png和**五種格式；右邊區(qū)域為通過處理后的圖像。操作區(qū)域：選擇菜單欄功能模塊實現(xiàn)對數(shù)字圖像的各種處理。

3空域濾波模塊的設(shè)計及實現(xiàn)

由于篇幅限制，本系統(tǒng)僅以空域濾波的設(shè)計和實現(xiàn)來呈現(xiàn)模塊設(shè)計的具體過程。

3.1空域濾波

空域濾波簡化形式如公式（1）所示

w是濾波器系數(shù)，z是與該系數(shù)對應(yīng)的圖像灰度值，mn為濾波器中包含的像素點總數(shù)?？沼驗V波即在圖像空間中借助模板對圖像領(lǐng)域進行操作，處理圖像的每個像素值，主要分為線性濾波和非線性濾波。數(shù)字圖像中存在部分的噪聲可通過空域濾波的方法除去，該實驗平臺中空域濾波包括中值濾波、均值濾波、自適應(yīng)濾波，程序編寫時均采用3*3的濾波模板。

3.1.1中值濾波的設(shè)計

中值濾波是一種非線性平滑濾波，基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替.中值濾波表達形式如公式（2）所示。

中值濾波實現(xiàn)方法：

1）通過imread（）函數(shù)讀入原始彩色圖像，即在“文件”菜單下選擇“打開”圖片。

2）利用rgb2gray（）函數(shù)將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像，即在“圖像類型轉(zhuǎn)換”模塊選擇子菜單“RGB轉(zhuǎn)灰度圖”。

3）用imnosie（）在灰度圖像中加入噪聲，即在“編輯”模塊選擇“添加噪聲”。

4）利用medfilt2（）函數(shù)進行中值濾波，即在“圖像增強”模塊選擇空域濾波下的“中值濾波”對文件進行操作。

程序部分代碼如下：

3.1.2均值濾波的設(shè)計

均值濾波主要思想是鄰域平均法，即用求模板內(nèi)像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度。均值濾波的模板就是ones（n，n），模板內(nèi)所有元素均為1，它們的權(quán)重相同，其降噪平滑后的圖像表達式如公式（3）所示。

其中，s是點（x，y）領(lǐng)域內(nèi)的點集，M是點集s中的總數(shù)點。

均值濾波實現(xiàn)方法前三步與中值濾波相同，第四步為：

通過fspecial（）函數(shù)生成的w1是3*3的矩形平均濾波器；利用filter2（）函數(shù)使這個掩模的中心逐個滑過圖像的每個像素，即在“圖像增強”模塊選擇空域濾波下的“均值濾波”對文件進行操作。

均值濾波主要代碼如下：

3.2加噪后濾波效果比較

首先，在“圖像類型轉(zhuǎn)換”選擇子菜單“RGB轉(zhuǎn)灰度圖”實現(xiàn)彩圖轉(zhuǎn)灰度圖像，效果如圖6所示。具體實現(xiàn)函數(shù)為f=rgb2gray（i），其中i為RGB圖像，f為轉(zhuǎn)換后的灰度圖像。

接下來，“編輯”模塊下拉菜單選擇“添加噪聲”進行操作，具體用法為：f=imnoise（i，噪聲類型，噪聲參數(shù)）；其中i為灰度圖像，f為添加噪聲后的圖像。每種濾波器參數(shù)各不相同，添加噪聲操作區(qū)會提示“輸入噪聲參數(shù)”，根據(jù)需要進行方差數(shù)值設(shè)定。

3.2.1添加椒鹽噪聲后濾波結(jié)果

灰度圖像加入方差為0.02的椒鹽噪聲后的效果圖7。

從直觀的角度看，中值濾波對椒鹽噪聲的效果更優(yōu)，均值濾波和自適應(yīng)濾波對椒鹽噪聲幾乎沒有抑制作用。

3.2.2添加高斯噪聲后濾波結(jié)果

下面是灰度圖像加入方差為0.01的高斯噪聲后的空域濾波效果圖8。

從直觀的角度看，自適應(yīng)濾波對高斯噪聲的效果更優(yōu)，均值濾波次之，中值濾波則無明顯效果。

3.2.3添加乘性噪聲后濾波結(jié)果

下面是灰度圖像加入方差為0.04的乘性噪聲后的空域濾波效果圖9。

從直觀的角度看，自適應(yīng)濾波和均值對乘性噪聲的效果更優(yōu)，中值濾波則無明顯效果。

3.3濾波效果分析

濾波效果圖結(jié)合理論分析：中值濾波方法能較好的保護圖像邊緣細節(jié)，但會失掉圖像中的細線和小塊的目標區(qū)域，適于去除椒鹽噪聲。均值濾波方法使圖像邊緣變得模糊，適于去除高斯噪聲；自適應(yīng)濾波對高斯噪聲去噪效果較好但計算量大，中值濾波則無明顯效果。對于乘性噪聲，自適應(yīng)濾波方法具有較好的選擇性，可更好地保留圖像邊界和高頻成分。實際應(yīng)用中各種濾波均有其優(yōu)劣，適應(yīng)情況也有所不同，使用依具體情況而定。以空域濾波模為例演示了圖像處理輔助系統(tǒng)的設(shè)計過程，通過操作實現(xiàn)圖像濾波效果。該系統(tǒng)應(yīng)用在實際教學(xué)中，提升了學(xué)生對抽象概念和理論的理解，取得了顯著的教學(xué)效果。

4總結(jié)

基于MATLAB GUI界面開發(fā)的數(shù)字圖像處理輔助教學(xué)系統(tǒng)，以圖像空域濾波設(shè)計為例，通過模塊操作直觀地感受到各種算法實現(xiàn)效果。結(jié)合數(shù)字圖像處理課程的特點，系統(tǒng)設(shè)計的八大模塊涵蓋了教學(xué)中大部分的基本經(jīng)典算法。實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)的應(yīng)用顯著地提高了學(xué)生學(xué)習數(shù)字圖像處理的興趣，并為學(xué)生深入學(xué)習圖像處理提供了擴展的平臺。