魏毅，林麗惠

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建武夷山354300）

基于MATLAB與C/C++混合編程的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

魏毅，林麗惠

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建武夷山354300）

針對(duì)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)難度大的問(wèn)題，提出一種基于MATLAB與C/C++語(yǔ)言混合編程的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法用MATLAB編寫圖形用戶界面、主流圖像格式的讀寫函數(shù)、統(tǒng)計(jì)圖表的生成函數(shù)，用C/C++語(yǔ)言編寫數(shù)字圖像處理的核心算法，并用MATLAB的編譯器將C/C++程序轉(zhuǎn)換為MATLAB環(huán)境中的可執(zhí)行程序。這種以MATLAB為主框架、C/C++為子框架的架構(gòu)能充分發(fā)揮MATLAB和C/C++語(yǔ)言在數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)的可實(shí)踐性，降低非核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)踐難度，有效提高學(xué)生在數(shù)字圖像處理方面的技能。

數(shù)字圖像處理；MATLAB與C/C++混合編程技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

數(shù)字圖像處理是計(jì)算機(jī)工程、電子工程、自動(dòng)化等學(xué)科的一門重要專業(yè)課程。數(shù)字圖像處理涉及大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生而言，很難通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的學(xué)習(xí)來(lái)直觀地理解數(shù)字圖像處理算法的核心思想。因此，學(xué)生動(dòng)手編寫數(shù)字圖像處理算法的代碼對(duì)于提升他們對(duì)算法的理解就尤為必要。

目前有兩種數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。1）基于MATLAB數(shù)字圖像處理工具箱的模式。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，主要用于數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析與可視化、算法原型開(kāi)發(fā)等。它具有簡(jiǎn)潔的腳本語(yǔ)言、良好的圖形化界面、強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)圖表制作與顯示功能，初學(xué)者易于上手學(xué)習(xí)。MTALAB數(shù)字圖像處理工具箱實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)的數(shù)字圖像處理算法，已在很多教學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用[1-4]。該模式優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生能使用工具箱的API（application programming interface）快速看到圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)效果，但缺點(diǎn)在于MATLAB采用解釋型的腳本語(yǔ)言，其程序的執(zhí)行速度相較于編譯型語(yǔ)言，如C語(yǔ)言，要較慢很多，此外，它的可移植性也不佳，因此不適合在實(shí)際的工程項(xiàng)目中應(yīng)用。2）基于C/C++語(yǔ)言的模式。該模式使用C/C++語(yǔ)言編寫圖像處理算法[5-6]，或使用第三方庫(kù)，如OpenCV[7]。該模式的優(yōu)點(diǎn)在于能通過(guò)編寫數(shù)字圖像處理算法的底層代碼來(lái)了解算法的思想，并且基于C/C++語(yǔ)言編寫的代碼具有很高的執(zhí)行效率和較好的跨平臺(tái)性，適用于實(shí)際工程項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。該模式的缺點(diǎn)在于需要編寫大量的代碼來(lái)處理多種主流圖片格式的輸入/輸出，掌握MFC（microsoft foundation class）或者QT等用戶界面的開(kāi)發(fā)工具來(lái)生成用戶友好的界面以及各類統(tǒng)計(jì)圖表的展示。這些非數(shù)字圖像處理核心的代碼編寫任務(wù)是繁重的，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言更是如此。

基于MATLAB與C/C++混合編程的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決上述問(wèn)題的一種有效方法。該方法用MATLAB編寫圖像用戶界面、主流圖像格式的讀寫、統(tǒng)計(jì)分析圖表的生成，用C/C++言語(yǔ)編寫圖像處理的核心算法，充分發(fā)揮MATLAB和C/C++語(yǔ)言在數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)。這種以MATLAB為主框架、C/C++為子框架的程序架構(gòu)提升了實(shí)驗(yàn)的可動(dòng)手性，降低了實(shí)驗(yàn)中非核心內(nèi)容的實(shí)踐難度。事實(shí)上，基于MATLAB與C/C++混合編程的模式是解決工程與研究問(wèn)題的一種有效方法，已在機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真[8]、電力系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算[9]、圖像處理[10]等方面得到廣泛應(yīng)用。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐基于MATLAB與C/C++混合編程的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)，將使其掌握這種在工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的先進(jìn)技術(shù)。

1 MATLAB與C/C++混合編程方法

MATLAB與C/C++混合編程分為兩類：MATLAB調(diào)用C/C++和C/C++調(diào)用MATLAB。主要關(guān)注MATLAB調(diào)用C/C++的方法，C/C++調(diào)用MATLAB的方法本文不涉及，相關(guān)內(nèi)容可參閱文獻(xiàn)[11]。在MATLAB環(huán)境下調(diào)用C/C++程序需要借助MATLAB編譯器將C/C++程序編譯為MEX（MATLAB Executable）文件，然后在MATLAB命令提示符下鍵入MEX文件的文件名就完成了對(duì)C/C++程序的間接調(diào)用。圖1以example.c的C/C++程序?yàn)槔?，說(shuō)明整個(gè)流程。

圖1 MATLAB環(huán)境下調(diào)用C/C++程序的流程Figure 1 The flow of calling a C/C++program in MATLAB

C/C++程序需要包括兩個(gè)指定的部分：頭文件信息，#include“mex.h”；入口函數(shù)：mexFunction。mex-Function函數(shù)的作用與C/C++中main函數(shù)的功能類似，它是MATLAB與C/C++語(yǔ)言之間的接口。例如，在文件example.c中寫入圖2中的C/C++代碼，然后在MATLAB中執(zhí)行命令mex example.c，則在與文件example.c相同的目錄下就生成了example.mexw64文件，這是編譯成功的MEX文件。

圖2 example.c文件Figure 2 The file of example.c

mexFunction函數(shù)中的參數(shù)含義有如下4點(diǎn)。1）int nlhs：輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)；2）mxArray*plhs[]：輸出參數(shù)的mxArray數(shù)組；3）int nrhs：輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)；4）mxArray*prhs[]：輸入?yún)?shù)的mxArray數(shù)組。假設(shè)在MATLAB環(huán)境中調(diào)用example函數(shù)：[Out1,Out2]=example(In1,In2,In3)。則example函數(shù)輸入?yún)?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：prhs[0]←In1，prhs[1]←In2，prhs[2]←In3；example函數(shù)輸出參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：plhs[0]→Out1，plhs[1]→Out2；nlhs是2，nrhs是3。用C/C++編寫代碼的關(guān)鍵之處在于mexFunction函數(shù)中MATLAB與C/C++之間的數(shù)據(jù)交換。MATLAB規(guī)定所有數(shù)據(jù)類型均可用mxArray描述，并且mexFunction函數(shù)的所有輸入輸出參數(shù)均采用mxArray來(lái)定義。MATLAB提供多個(gè)以mex為前綴的API將mxArray類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為C/C++可直接使用的基本數(shù)據(jù)類型，如int、char、double等[11]。MATLAB調(diào)用C/C++的規(guī)范簡(jiǎn)單易懂，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)幾個(gè)實(shí)例之后就可掌握。

2 數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)置

目前開(kāi)設(shè)數(shù)字圖像處理課程的理工科專業(yè)越來(lái)越多，涵蓋了計(jì)算機(jī)工程、電子工程、自動(dòng)化、數(shù)字媒體等。根據(jù)人才培養(yǎng)方案的目標(biāo)，不同專業(yè)安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)通常在10～24課時(shí)之間。為兼顧基本知識(shí)面與擴(kuò)展知識(shí)點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成8個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元的課時(shí)為2～4個(gè)。8個(gè)實(shí)驗(yàn)單元中的6個(gè)單元構(gòu)成實(shí)驗(yàn)的基本模塊，2個(gè)單元構(gòu)成實(shí)驗(yàn)的進(jìn)階模塊，教師可根據(jù)學(xué)生專業(yè)需求安排具體的實(shí)驗(yàn)單元（圖3）。

圖3 數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容Figure 3 The content of digital image processing experiments

8個(gè)單元涵蓋的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1）圖像點(diǎn)運(yùn)算模塊，線性變換、閾值變換、窗口變換和灰度拉伸等；

2）圖像幾何變換模塊，圖像平移、圖像縮放、圖像鏡像變換和圖像旋轉(zhuǎn)等；

3）圖像頻域變換模塊，傅里葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換、哈達(dá)瑪變換和小波變換等；

4）圖像編碼模塊，哈夫曼編碼、香農(nóng)編碼、行程編碼、算術(shù)編碼和JPEG編碼等；

5）圖像恢復(fù)模塊，逆濾波、Wiener濾波、約束最小二乘濾波和盲解卷積等；

6）圖像增強(qiáng)模塊，空間濾波、圖像平滑、圖像銳化、頻域?yàn)V波和偽彩色增強(qiáng)等；

7）圖像分割模塊，基于閾值的分割、基于邊緣的分割和基于區(qū)域的分割等；

8）圖像特征提取模塊，圖像幾何特征描述、圖像形狀特征描述和圖像區(qū)域特征描述等。

考慮到不同專業(yè)的實(shí)踐要求，實(shí)驗(yàn)可按圖4所示的雙軌制方法進(jìn)行。例如，對(duì)于計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生，采用MATLAB與C/C++混合編程的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與直接調(diào)用MATLAB數(shù)字圖像處理工具箱中API的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以加深對(duì)算法原理的理解。對(duì)于數(shù)字媒體專業(yè)的學(xué)生，只需調(diào)用MATLAB數(shù)字圖像處理工具箱中的API進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以使他們對(duì)算法原理和處理結(jié)果有直觀理解，而不過(guò)多強(qiáng)調(diào)編程技巧。

圖4 數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)的雙軌制方法Figure 4 The double-track method for digital image processing experiment

3 實(shí)驗(yàn)案例

以數(shù)字圖像處理中的線性變換算法為例，按照MATLAB規(guī)范，用C/C++編寫數(shù)字圖像的線性變換程序（圖5），然后將該程序與MATLAB數(shù)字圖像處理工具箱的API函數(shù)imadjust進(jìn)行對(duì)比，觀察它們對(duì)同一組輸入?yún)?shù)的輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）創(chuàng)建名為testMEX.c的文件，然后在其中寫入下述步驟2、3的代碼；

2）用C/C++編寫數(shù)字圖像處理函數(shù)imadjustbyC，其函數(shù)形式參考API函數(shù)imadjust(I,[low_in;hign_in],[low_out;high_out])，寫為void imadjustbyC(double*img,int len,double low_in,double hig_in,double low_out,double hig_out)。參數(shù)double*img指向存放圖像數(shù)據(jù)的首地址，int len是圖像數(shù)據(jù)包含的像素個(gè)數(shù)，double low_in、double hig_in、double low_out、double hig_out與imadjust中的含義一致；

3）按照MATLAB規(guī)范，編寫固定頭格式的函數(shù)void mexFunction(int nlhs,mxArray*plhs[],int nrhs,constmxArray*prhs[])。該函數(shù)把輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為C/C++可識(shí)別的格式，然后再調(diào)用imadjustbyC函數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換格式后的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理結(jié)果按MATLAB規(guī)范返回。這其中用到的函數(shù)mxGetM、mxGetN、mxGetPr、mxCreateDoubleMatrix均是MATLAB提供的API，細(xì)節(jié)可參閱MATLAB的外部程序接口手冊(cè)[12]；

4）在MATLAB中輸入命令mex testMEX.c，編譯成功后，生成了可在MATLAB環(huán)境中直接調(diào)用的模塊testMEX.mexw64；

5）調(diào)用testMEX.mexw64和imadjust對(duì)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)中的一幅標(biāo)準(zhǔn)圖片（圖6a）進(jìn)行處理，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。調(diào)用語(yǔ)句如下：

＞＞A=imread('cameraman.tif');

＞＞B=uint8(testMEX(double(A),0.5,0.9,0,1));

＞＞D=imadjust(A,[0.5 0.9],[0 1]);

圖6b和圖6c給出了兩種方法的處理結(jié)果。為比較這兩個(gè)結(jié)果是否一致，首先將矩陣B和D相減，然后輸出其中絕對(duì)值最大的元素。命令語(yǔ)句如下：

電力系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算研究[J]．大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39(1)：103-106.

[10]范芳蕾，李亮玉，周鑫，等．基于VC++與Matlab混合編程的焊接熔池圖像處理[J]．天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(4)：51-53.

[11]劉維．精通Matlab與C/C++混合程序設(shè)計(jì)[M]四版．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2015.

[12]The MathWorks,Inc．MATLAB External Interfaces Reference(R2017a)[EB/OL].(2017-03-01)[2017-03-30]．https://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/apiext.pdf.

（責(zé)任編輯：葉麗娜）

Research on Experimental Teaching of Digital Image Processing Based on M ixed Programm ing Technology of MATLAB and C/C++

WEIYi,LIN Lihui
(School ofMathematics and Computer,WuyiUniversity,Wuyishan,Fujian 354300)

An experimental teachingmethod based onmixed programming technology of MATLAB and C/C++is proposed to solve the difficulty of practice teaching on digital image processing.In thismethod,the graphical user interface,the input/output functions formainstream images’formats and the functions for creating statistical charts are coded by MATLAB.The key algorithms are coded by C/C++and these C/C++programs are compiled into executable files by MATLAB Compiler.This framework in which MATLAB ismaster and C/C++is slave canmake better use of themeritofMATLAB and C/C++in practice of digital image processing,enhance the practicalness of experiments,reduce the difficulty of practice of non-key parts in experiments and improve students’skill of digital image processing effectively.

digital image processing;mixed programming technology ofMATLAB and C/C++;experimental teaching

G642.0

：A

：1674－2109(2017)06－0092－05

2017-03-31

武夷學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（YJ201607）。

魏毅（1978-），男，漢族，講師，主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)的研究。