智能數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏潤(rùn)國(guó) ，禹 舜 ，胡東升 ，張高林 ，趙文強(qiáng)

（1.西藏大學(xué)工學(xué)院電子信息系，西藏拉薩850000；2.西藏大學(xué)理學(xué)院數(shù)學(xué)系，西藏拉薩850000）

近些年來，隨著信息化社會(huì)的發(fā)展，人工智能和大數(shù)據(jù)日益成熟，這其中就不可避免地涉及到圖像領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。其中數(shù)字圖像處理作為圖像領(lǐng)域的入門基礎(chǔ)，對(duì)于入門的新人來說，數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論知識(shí)難以理解。尤其是圖像處理的算法理論性比較強(qiáng)，采用普通的編程軟件難以達(dá)到預(yù)期的效果。MATLAB作為一款工程型的軟件，具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力。本文設(shè)計(jì)了一款基于GUI（GraphicalUser Interface）用戶交互界面的數(shù)字圖形處理仿真系統(tǒng)。其簡(jiǎn)單易懂的界面以及符合理論的結(jié)果，對(duì)于剛剛?cè)腴T的新人來說，學(xué)習(xí)起來更得心應(yīng)手。該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性、用戶交互性。用戶可以形象直觀地感受到數(shù)字圖形處理算法得到的效果以及算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟，并且該系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展和改進(jìn)空間。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)初衷

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于了各個(gè)領(lǐng)域，如農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、軍事、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等等。用戶在使用該系統(tǒng)時(shí)，并不需要關(guān)心內(nèi)部所執(zhí)行的操作是如何運(yùn)行的，而是集中在所提供的界面上。根據(jù)界面所提供的功能就可以方便直觀的得到用戶想要的結(jié)果[2]。這一點(diǎn)充分發(fā)揮了GUI界面友好人機(jī)交互的優(yōu)點(diǎn)。這為數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí)提供了一個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)，尤其是對(duì)數(shù)字圖像處理的初學(xué)者，對(duì)于一些相關(guān)技術(shù)的理論和算法不能夠深入理解，本系統(tǒng)可以在數(shù)字圖像處理學(xué)習(xí)方面給予他們幫助。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架

文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是利用MATLAB來做的一個(gè)人機(jī)友好交互界面的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)功能模塊主要分為圖像的運(yùn)算、圖像的變換、圖像的增強(qiáng)、圖像的分析、邊緣提取和圖像分割、圖像的二值形態(tài)學(xué)操作等。對(duì)每個(gè)模塊再進(jìn)行進(jìn)一步的分類，編寫每個(gè)模塊下的函數(shù)。在自定義的界面，對(duì)每個(gè)模塊下的功能函數(shù)再進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的編寫，從而完成了該功能的設(shè)計(jì)。完成了每個(gè)功能函數(shù)的編寫之后，設(shè)計(jì)一個(gè)主界面，對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用，即可完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能模塊分布如下：

圖1 系統(tǒng)功能模塊分布

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

在搭建GUI交互界面時(shí)，在編輯界面進(jìn)行圖形對(duì)象的編輯操作時(shí)，MATLAB會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的fig文件。在完成界面的搭建時(shí)，MATLAB中產(chǎn)生的fig文件會(huì)生成一個(gè)和fig文件名相同的m文件，這個(gè)腳本文件用于圖形對(duì)象所對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)的調(diào)用和編寫[2]。

在GUI界面中，句柄圖形的應(yīng)用是重中之重。在MATLAB中，每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)圖形對(duì)象時(shí)，MATLAB內(nèi)部的系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給當(dāng)前創(chuàng)建的對(duì)象一個(gè)特定的標(biāo)示符，這是區(qū)別其他對(duì)象的一個(gè)標(biāo)志，這個(gè)標(biāo)示符稱為圖形對(duì)象的句柄。通過使用這個(gè)句柄來訪問對(duì)象的屬性，在編寫程序中調(diào)用圖形對(duì)象時(shí)，也是使用圖形對(duì)象的句柄，比如說對(duì)該句柄圖形所對(duì)應(yīng)的對(duì)象進(jìn)行控制，修改其中的屬性，調(diào)用其回調(diào)過程等[2]。

2 系統(tǒng)界面的實(shí)現(xiàn)

2.1 建立系統(tǒng)界面基本步驟

在MATLAB中新建一個(gè)GUI對(duì)象，選擇Blank GUI，進(jìn)入界面設(shè)計(jì)編輯器，如圖2所示。將新建的GUI保存為main_gui，保存后之后在當(dāng)前文件夾下會(huì)自動(dòng)生成main_gui.fig和main_gui.m兩個(gè)文件。其中main_gui.fig用來編輯界面，main_gui.m用來編輯界面中所對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。

圖2 界面設(shè)計(jì)編輯器界面

在界面設(shè)計(jì)編輯器中添加一個(gè)Static Text對(duì)象和4個(gè)Push Button對(duì)象，如圖所示。雙擊Static Text對(duì)象，進(jìn)入當(dāng)前對(duì)象的屬性檢查器，在String選項(xiàng)中，把Static Text改為數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，并適當(dāng)調(diào)整字體大小。對(duì)4個(gè)Push Button對(duì)象分別設(shè)置組件屬性，將其對(duì)象下對(duì)應(yīng)的String分別改為進(jìn)入、制作團(tuán)隊(duì)、修改建議、退出。同時(shí)對(duì)4個(gè)Push Button的Tag分別改為特定的標(biāo)示字符。編輯保存好之后，在main_gui.m文件中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)特定標(biāo)示字符的回調(diào)函數(shù)。例如名稱為制作團(tuán)隊(duì)的Push Button下Tag為team，則在main_gui.m中會(huì)出現(xiàn)function team_Call?back（hObject，eventdata，handles）回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中編寫對(duì)象的程序，則點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕后，會(huì)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的程序。本系統(tǒng)中，主要是利用上述原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像的處理。

2.2 文件模塊的實(shí)現(xiàn)

選擇文件模塊，可以選擇不同格式的文件進(jìn)行處理，在一定程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)的多元性和兼容性。具體代碼如下：

2.3 修改建議模塊的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)的主界面中有一個(gè)修改建議的按鈕，通過點(diǎn)擊按鈕，可以在連接上互聯(lián)網(wǎng)的情況下，及時(shí)向后臺(tái)反應(yīng)建議，其主要通過發(fā)送郵件的方式來通知后臺(tái)。在該按鈕下編輯回調(diào)函數(shù)，即可完成上述功能，主要函數(shù)如下。

在上述函數(shù)中，鍵入的主題和內(nèi)容后，編輯框會(huì)自動(dòng)讀取鍵入的內(nèi)容，并將其讀取為字符串格式。在點(diǎn)擊發(fā)送按鈕下，函數(shù)會(huì)把鍵入的主題和內(nèi)容中的字符串格式轉(zhuǎn)換為mat格式，便于郵件的發(fā)送。

堅(jiān)持共建共治，形成食品藥品安全社會(huì)管理大格局。加大對(duì)創(chuàng)建國(guó)家食品安全城市和建設(shè)“食品藥品安全內(nèi)蒙古”的宣傳，引導(dǎo)公眾廣泛參與。目前市民對(duì)創(chuàng)建國(guó)家食品安全城市的知曉率達(dá)90%以上，滿意度達(dá)70%以上。及時(shí)公開公示信息，信息公開率達(dá)100%。加大案件查辦力度，2014年以來，全市共出動(dòng)執(zhí)法人員10萬余次，移交公安部門立案1200余件并全部結(jié)案，依法關(guān)停企業(yè)和商戶85家。

在修改建議界面輸入主題和內(nèi)容，如圖3所示，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，即可完成建議發(fā)送功能，發(fā)送是以郵件的形式完成發(fā)送的。

圖3 修改建議界面

2.4 GUI界面之間的鏈接

GUI界面之間的鏈接采用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行鏈接。本文采用控件Push Button的方式進(jìn)行切換，在控件Push Button對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)下鍵入需要切換界面的m文件名即可完成界面的切換。

3 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 界面的實(shí)現(xiàn)

MATLAB與圖像處理技術(shù)聯(lián)系起來，已經(jīng)成為數(shù)字圖像處理的首要工具。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用到的工具就是MATLAB提供的GUI平臺(tái)，在該平臺(tái)上自定義所需功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可視化易于操作的界面，圖4為系統(tǒng)的主界面示意圖。系統(tǒng)主要分為圖像的運(yùn)算、圖像的變換、圖像的增強(qiáng)、邊緣提取和圖像分割、二值形態(tài)學(xué)操作、圖像分析6大模塊。

在每一個(gè)模塊下，又可分為不同的子模塊。圖像的運(yùn)算模塊又可分為圖像的代數(shù)運(yùn)算、圖像的幾何操作、圖像的領(lǐng)域和滑塊操作子模塊；圖像的變換模塊又可分為Radon變換、傅里葉變換、圖像壓縮、小波變換、離散余弦變換子模塊；圖像的增強(qiáng)模塊又可分為空域變換增強(qiáng)、空域?yàn)V波增強(qiáng)、頻域增強(qiáng)子模塊；邊緣提取和圖像分割模塊又可分為邊緣提取和四叉樹分解子模塊；二值形態(tài)學(xué)操作模塊又可分為二值圖像及其特征提取、二值形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算、基于對(duì)象的操作、形態(tài)學(xué)應(yīng)用子模塊；圖像分析模塊又可分為像素提取、圖像輪廓圖、強(qiáng)度描述圖、繪制直方圖子模塊。

系統(tǒng)中包含眾多數(shù)字圖像處理的模塊，針對(duì)數(shù)字圖像處理不同方面知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，都有相應(yīng)的模塊與之對(duì)應(yīng)，對(duì)于數(shù)字圖像處理的學(xué)習(xí)有很大的促進(jìn)作用。

圖4 系統(tǒng)主界面

3.2 LoG檢測(cè)算子

其中以LoG檢測(cè)算子為例。該算法首先對(duì)圖像做高斯濾波，然后再求其拉普拉斯二階導(dǎo)數(shù)。即圖像與高斯函數(shù)的拉普拉斯算子進(jìn)行濾波運(yùn)算。最后，通過檢測(cè)濾波結(jié)果的零交叉可以獲得圖像或物體的邊緣[5]?？紤]高斯函數(shù):

其中σ是標(biāo)準(zhǔn)差。這是平滑函數(shù)，如果和圖像卷積，將會(huì)使圖像變得模糊。模糊的程度由σ的值來決定。這個(gè)函數(shù)的拉普拉斯算法是：

出于明顯的原因，這個(gè)函數(shù)被稱為L(zhǎng)oG。因?yàn)榍蠖A導(dǎo)數(shù)是線性操作，所以用?2G(x,y)卷積這幅圖像與先用平滑函數(shù)對(duì)圖像卷積，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯計(jì)算的結(jié)果是一樣的，這是LoG檢測(cè)算子的關(guān)鍵概念[6]。圖5為L(zhǎng)oG算子檢測(cè)效果圖。

4 結(jié)論

在MATLAB中提供了豐富的圖像處理函數(shù)，同時(shí)利用GUI人機(jī)友好交互的特性，設(shè)計(jì)出了基于GUI用戶交互界面的數(shù)字圖形處理仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)可進(jìn)行算法的快速演示和圖像處理算法的在線仿真。其集成的圖形用戶界面包含了窗口菜單，對(duì)話框，按鈕和文本等各種控件，為用戶提供了極大的便利。該系統(tǒng)具有很大的完善空間，用戶可以及時(shí)反饋建議，來進(jìn)一步滿足用戶的需要。另外，該系統(tǒng)可以作為數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)系統(tǒng)，為初學(xué)者的學(xué)習(xí)提供幫助以及推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量和進(jìn)度。

圖5 LoG算子檢測(cè)效果圖