C#與MATLAB混編方法在圖像處理中的應(yīng)用研究

盧　興，　陳曉勇

(1.東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌　330013；2.流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌　330013)

1984年，美國(guó) MathWorks 公司首次推出MATLAB軟件，MATLAB擁有國(guó)際公認(rèn)的最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算和仿真分析能力，其科學(xué)計(jì)算與可視化功能強(qiáng)大，它提供了一個(gè)功能完善的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理集成環(huán)境(李雯，2016)。MATLAB是一個(gè)高度集成的模塊化系統(tǒng)，集科學(xué)計(jì)算 、圖象處理等于一體，使用解釋性語言，具有極高的編程效率(Shen et al.,2005)。MATLAB雖然有眾多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也不少：其提供的M語言需要逐行解釋執(zhí)行，效率較低，界面開發(fā)能力差，十分依賴MATLAB運(yùn)行環(huán)境(朱艷平，2016)。

C#(C sharp)是微軟于2000年推出的一種以面向?qū)ο鬄榫幊汤砟畹母呒?jí)編程語言。C#與C/C++語言相比，C#編程更加簡(jiǎn)易、安全，而且是以面向?qū)ο鬄榫幊趟枷氲莫?dú)特編程語言。因?yàn)檫@種繼承關(guān)系,C#與C/C++具有極大的相似性，熟悉類似語言的開發(fā)者可以很快的轉(zhuǎn)向C#( Roberto et al.,2003)。

C#擁有優(yōu)良的用戶應(yīng)用界面設(shè)計(jì)與開發(fā)能力，具備許多種類的界面高級(jí)設(shè)置。而MATLAB則擁有優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力。MATLAB中的函數(shù)儲(chǔ)存在.m腳本文件中，并對(duì)用戶完全開放，用戶可以隨時(shí)修改文件中的內(nèi)容。利用MATLAB中提供的函數(shù)和算法實(shí)現(xiàn)某些功能的編寫，而主體軟件和界面用C#.NET進(jìn)行開發(fā)(王文斌等，2015)。充分結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以更加高效地設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，用途廣泛，前景廣闊。

1　C#與MATLAB混合編程

1.1　混合編程的基本思想

混合編程即在一個(gè)軟件的開發(fā)過程中，將不同方面，不同階段的編程、算法或數(shù)據(jù)處理分別由相應(yīng)方面能力更強(qiáng)的軟件去執(zhí)行，最后完成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，開發(fā)成效率更高的軟件。

在混合編程研究方面，許多專業(yè)人員取得了良好的研究成果。張燕等(2008)利用M函數(shù)文件編譯成C共享庫(kù)的方法實(shí)現(xiàn)了C#與MATLAB混編；Bistak(2013)利用C#與MATLAB/Simulink混合編程開發(fā)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)在磁懸浮與液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用；許茂增等(2015)運(yùn)用C#與MATLAB混合編程設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了物流需求預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并在實(shí)例中表現(xiàn)出該系統(tǒng)良好的適用性與高預(yù)測(cè)精度。

1.2　C#與MATLAB混合編程的方法

(1)C#直接調(diào)用MATLAB程序文件。MATLAB以自身為引擎，提供了一系列可供其他程序調(diào)用的函數(shù)，其他編程軟件可以通過這些函數(shù)來調(diào)用MATLAB程序。該引擎提供的3個(gè)常用接口為：Execute、PutFullMatrix、GetFullMatrix。其功能分別是：執(zhí)行腳本命令、從MATLAB Server中添加矩陣和讀取矩陣(曹洪濤等，2015)。

(2)C#調(diào)用MATLAB編譯器生成的C語言共享庫(kù)。MATLAB編譯器模塊能夠生成多種共享庫(kù)，其中便包括C語言共享庫(kù)。C語言共享庫(kù)是可與外界程序鏈接的函數(shù)接口庫(kù)。

(3)使用MATLAB DeployTool生成.Net組件或.com組件。COM(組件對(duì)象模型，Componet Object Model)是以組件為發(fā)布單元的對(duì)象模型，該模型有利于各個(gè)軟件組件之間采用統(tǒng)一的格式相互通訊，使得不同語言程序之間可以相互調(diào)用(朱峰等，2011)。由MATLAB編譯器生成的.Net獨(dú)立組件是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dll文件，可以脫離MATLAB環(huán)境與其他任何支持集成開發(fā)的程序相結(jié)合，并在沒有安裝MATLAB的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行。

在以上三種方法中，第一種方法操作簡(jiǎn)單、易行，但是執(zhí)行效率太低，無法脫離MATLAB獨(dú)立運(yùn)行。利用MATLAB生成C語言共享庫(kù)的方法使速度明顯提升，但程序不穩(wěn)定，易出錯(cuò)。利用.com或.Net組件的方法生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dll文件可脫離MATLAB環(huán)境，較好的與其他程序結(jié)合，且生成和編譯過程較簡(jiǎn)單，效率頗高。綜上所述，實(shí)際應(yīng)用過程中采用C#調(diào)用.Net組件或.com組件的方法最為合適。

2　圖像處理

2.1　圖像處理技術(shù)

20世紀(jì)中期，人們對(duì)數(shù)字圖像處理的研究步入正軌。數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)是利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大能力處理數(shù)字圖像，從而增強(qiáng)數(shù)字圖像的識(shí)別度、信息量或?qū)ｎ}化等等的方法和技術(shù)。圖像處理的目的是恢復(fù)圖像的本來面目，改善人的視覺效果，突出圖像中目標(biāo)物的某些特征，提取目標(biāo)物的特征參數(shù)(李俊山等，2006)。常見的處理有圖像數(shù)字化、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像分析等(陳汗青等,2013)。

圖像可能由于各類原因?qū)е聢D像數(shù)據(jù)破壞，通常利用圖像增強(qiáng)來改善圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量。圖像增強(qiáng)是利用各種數(shù)學(xué)方法和變換手段來提高圖像的對(duì)比度和清晰度(劉治群等，2010)。濾波是圖像增強(qiáng)的常用方法，圖像濾波可以去除圖像中的噪聲或突出特征以恢復(fù)或提升圖像質(zhì)量。

圖像分割：即把圖像劃分為幾個(gè)特定部分，從中提取出對(duì)人類有用的對(duì)象。圖像分割是計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)的重要問題，它在圖像檢索、目標(biāo)識(shí)別和圖像分析等更高級(jí)的任務(wù)中充當(dāng)著基本的，也是關(guān)鍵的一步(何斌等，2001)。分割方法大致分為三種：基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法、基于邊緣的分割方法(殷國(guó)軍等，2009)。

2.2　MATLAB中的數(shù)字圖像處理

MATLAB提供的圖像處理工具箱(Image Processing Toolbox)，是利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，提供可參照的標(biāo)準(zhǔn)算法和圖形工具給用戶，并實(shí)現(xiàn)廣泛的圖像處理操作(楊保華等，2016)。MATLAB中的部分圖像處理函數(shù)如下：

rgb2gray()：該函數(shù)能實(shí)現(xiàn)圖像的灰度化，向該函數(shù)輸入圖像矩陣即可得相應(yīng)圖像的灰度圖。

imhist()：該函數(shù)可計(jì)算輸入圖像的灰度值信息，并顯示相應(yīng)直方圖。

histeq()：該函數(shù)可實(shí)現(xiàn)直方圖的均衡化處理。

imnoise()：該函數(shù)可向圖像中加入噪聲，輸入值可自定義噪聲類型與參數(shù)。

imfilter()：該函數(shù)能對(duì)多位圖像進(jìn)行濾波處理，輸入值中可自定義模版與參數(shù)。

medfilt2()：該函數(shù)用于圖像的中值濾波處理。輸入值中可自定義模版與參數(shù)。

fspecial()：該函數(shù)可創(chuàng)建自定義的濾波算子。輸入值中可自定義算子類型與參數(shù)。

edge()：該函數(shù)用于邊緣檢測(cè)。輸入值中包括6種算法類型：Sobel，Prewitt，Roberts，Laplacian，均值(zero-cross)，Canny。

3　C#與MATLAB混合編程在圖像處理中的應(yīng)用

3.1　混合編程程序功能結(jié)構(gòu)

在混合編程前，設(shè)計(jì)程序的界面與框架。程序中包含多種經(jīng)典圖像處理功能以及必要的基礎(chǔ)功能。程序的框架如圖1所示。

圖1　混合編程程序框架Fig.1　Mixed programming framework

3.2　C#與MATLAB混合編程過程與關(guān)鍵技術(shù)

(1)MATLAB函數(shù)編譯工作。C#與MATLAB混合編程需要用到MATLAB中的圖像處理函數(shù)，因此在混編之前，需要運(yùn)用MATLAB提供的編譯工具(DeployTool)將這類函數(shù)編譯成.NET組件。

研究中所使用的MATLAB版本號(hào)為R2015b。編譯過程為：打開MATLAB，在主窗體Command Window中輸入Deploy指令，打開Deployment Project窗口，輸入自定義的文件名稱，存儲(chǔ)位置以及編譯類型，編譯類型選擇.Net Assembly。

在生成的.Net組件內(nèi)容構(gòu)筑中，加入自定義的類名并向類中添加要編譯的 MATLAB函數(shù).m文件。最后選擇Build完成.Net組件的生成。

(2)C#調(diào)用.Net組件。在混合編程項(xiàng)目的引用中添加.Net組件，MWArray.dll和CsharpMATLABMix.dll文件，并添加到相應(yīng)的命名空間，主要代碼如下：

using MathWorks.MATLAB.NET.Arrays;

using MathWorks.MATLAB.NET.Utility;

using CsharpMATLABMix;

(3)C#與MATLAB數(shù)據(jù)傳遞。因?yàn)镃#與MATLAB之間的語言思路與計(jì)算方式不同，數(shù)據(jù)間無法直接傳遞。因此，.Net組件中運(yùn)用MWArray類型作為中間類型，使得C#中數(shù)據(jù)的類型與MATLAB中數(shù)據(jù)的類型皆可轉(zhuǎn)換至MWArray類型，從而達(dá)到相互轉(zhuǎn)換的目的。.Net數(shù)據(jù)類型、MATLAB類型與MWArray類三者間的轉(zhuǎn)換表如下(表1)。

(4)C#圖像處理。C#編程過程中，需要用到C#的圖像處理方法。C#中常用的三種圖像處理方法分別是：像素法、內(nèi)存法與指針法。其中像素法最簡(jiǎn)單，核心思想是利用Bitmap類中的GetPixel與SetPixel方法獲取與設(shè)置圖像中一個(gè)指定的像素的顏色。使用像素法需要對(duì)每一個(gè)像素進(jìn)行提取和重新設(shè)置顏色，方法簡(jiǎn)單，操作方便，但效率太慢，導(dǎo)致性能大大降低，運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)，在實(shí)際項(xiàng)目中是不可取的。

表1　MATLAB類型、.Net類型與MWArray類轉(zhuǎn)換表

內(nèi)存法的核心思想是利用鎖定位圖的方式將圖像鎖定并復(fù)制于內(nèi)存中，然后對(duì)內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理。內(nèi)存法的圖像處理效率比像素法明顯有極大的提高，代碼難度較為一般，不難編寫。內(nèi)存法的關(guān)鍵代碼如下：

Bitmap bitImage = new Bitmap(image);

Rectangle rt = new Rectangle(0, 0, bitImage.Width, bitImage.Height);

//鎖定位圖并設(shè)置相關(guān)屬性

BitmapData bmpData = bitImage.LockBits (rt,ImageLockMode.ReadWrite,PixelFormat.Format24bppRgb);

指針法直接運(yùn)用指針的特殊性能來進(jìn)行圖像的處理，運(yùn)行速度比內(nèi)存法更快，但其不足是編碼較難，不易掌握，而且使用不安全代碼需要承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，一旦代碼有誤，可能引發(fā)安全性問題，造成更多損失。

通過以上分析，本文程序中主要運(yùn)用內(nèi)存法編寫圖像處理代碼，內(nèi)存法處理效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于像素法，處理速度上稍慢于指針法，但代碼安全度高，不易出現(xiàn)安全性錯(cuò)誤，是相對(duì)合理的一種方法。

(5)C#與MATLAB混編函數(shù)應(yīng)用。使用內(nèi)存法加載圖像數(shù)據(jù)后，將其加入編譯函數(shù)中處理，最后輸出處理完成的圖像數(shù)據(jù)。且在C#編寫中，函數(shù)的使用與MATLAB中對(duì)應(yīng)函數(shù)的使用是幾乎一致的。以函數(shù)filter2()為例：

函數(shù)filter2()的調(diào)用格式如下：

Y=filter2(B,X),參數(shù)說明：filter2()使用矩陣B中的二維FIR濾波器對(duì)數(shù)據(jù)X進(jìn)行濾波，如果Y是通過二維互相關(guān)計(jì)算出來的，其大小與X一樣。

在C#中實(shí)際應(yīng)用代碼如下：

ImageSmoothingSharpening iss = new ImageSmoothingSharpening();

MWArray smoothingDate = iss.filter2(iss.fspecial("average", 3), mwDate);

其中，mwDate為待處理的圖像數(shù)據(jù)。函數(shù)fspecial()的作用是依據(jù)輸入?yún)?shù)輸出相應(yīng)模版，用于圖像的濾波處理。函數(shù)fspecial()的調(diào)用格式如下：

h=fspecial(type)

h=fspecial(type,para)

參數(shù)說明：type：指定算子的類型；para指定相應(yīng)的參數(shù)；h：返回的模版。

3.3　C#與MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)與分析

運(yùn)用C#與MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)的圖像處理程序中實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)功能，其中除了基本功能外，所有圖像處理功能都是基于C#與MATLAB混合編寫的。在函數(shù)的使用方面，C#與MATLAB的混合編程具有較高的兼容性，這使得編程人員可以更方便地使用混合編程中的函數(shù)。而基于C#與MATLAB混合編程的圖像處理效果也較為理想。在程序編寫過程中，使用東華理工大學(xué)南昌校區(qū)高分影像作為程序的實(shí)驗(yàn)圖像(圖2)。處理成果見圖3至圖5。

圖2　程序界面與原圖Fig.2　program interface master map

圖3　均值濾波處理后的圖像Fig.3　Image processed by mean filter

圖4　Sobel算子邊緣檢測(cè)圖Fig.4　Edge detection graph of Sobel operator

圖5　迭代分割效果圖Fig.5　Iterative segmentation effect diagram

3.4　C#編程、MATLAB編程與混編三種編程方法對(duì)比

本文針對(duì)580*800的8位圖像，分別使用C#語言、MATLAB語言與混合編程方法，在CPU為i3-2310，內(nèi)存為4G的PC機(jī)進(jìn)行線性濾波和迭代分割，其結(jié)果如表2、表3所示。

表2　三種編程方法實(shí)現(xiàn)圖像線性濾波

表3　三種編程方法實(shí)現(xiàn)圖像迭代分割

從以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以看出，MATLAB擁有良好的科學(xué)計(jì)算能力，能夠用較簡(jiǎn)短的代碼實(shí)現(xiàn)圖像處理方法，缺點(diǎn)是運(yùn)行較長(zhǎng)；C#語言編寫的方法運(yùn)行時(shí)間較快，且越好的代碼運(yùn)行速度越快，但代碼長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，需要更久的編寫時(shí)間；C#與MATLAB混編編寫的所有方法中，其代碼基本都保持在較短的長(zhǎng)度，比前兩者方法更加簡(jiǎn)化。在運(yùn)行速度方面， MATLAB運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，C#編寫方法速度通常最快，C#與MATLAB混編方法能夠保持較快速度，并且個(gè)別代碼運(yùn)行速度快于C#編寫方法。

由此分析可以得出，C#與MATLAB混編方法在代碼長(zhǎng)度上比MATLAB編寫方法和C#編寫方法都更加簡(jiǎn)化，能用較短代碼實(shí)現(xiàn)圖像處理方法?；炀幏椒ㄔ谶\(yùn)行時(shí)間上保持著較快速度，遠(yuǎn)快于MATLAB編寫方法。

4　結(jié)論

本文用C#與MATLAB混合編程的方法處理圖像，達(dá)到了令人滿意的結(jié)果。從上節(jié)分析中可以看出，混編方法極大的縮短了代碼長(zhǎng)度，減少了編程工作量，提高了軟件開發(fā)的效率?；旌暇幊谭椒ǔ浞掷昧薓ATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力與高效的圖像處理能力，高度結(jié)合C#優(yōu)秀的用戶界面開發(fā)能力與C#語言優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了MATLAB界面開發(fā)能力不足與C#代碼冗長(zhǎng)的缺點(diǎn)。以C#與MATLAB混合編程為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其他軟件的結(jié)合開發(fā)，如MATLAB與ArcEngine結(jié)合等?；炀幏椒閳D像處理提供了一種提高效率的思路，也為軟件開發(fā)提供了更多的可能。