摘 要:數(shù)字圖像處理教學(xué)是一門多學(xué)科相互交織的課程,它涉及的教學(xué)領(lǐng)域廣泛,在學(xué)習(xí)過程中有很多抽象的理論內(nèi)容不容易理解,所以采用實驗教學(xué)法能夠快速地讓學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理學(xué)習(xí)的內(nèi)容和難點,幫助學(xué)生克服困難,提高學(xué)習(xí)興趣,也能夠在實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)作能力,以解決在教學(xué)過程中所存在的問題。本文就對數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究,通過實驗教學(xué)的方法來調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理的積極性,加強他們的實踐應(yīng)用能力,提高學(xué)生對軟件開發(fā)的水平。
關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像處理;實驗教學(xué);課程設(shè)計
中圖分類號:G64? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1673-9132(2019)19-0007-02
DOI:10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2019.19.003
數(shù)字圖像處理也稱之為計算機(jī)的圖像處理,它是對計算機(jī)中的圖像從信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程,是一門集計算機(jī)科學(xué),信息理論,信息處理學(xué)科為一體的綜合課程。在教學(xué)過程中,教師以實驗教學(xué)的方式來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)圖像處理的課程,讓學(xué)生了解其概念、原理和算法,并通過上機(jī)實驗來培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用軟件的能力,實現(xiàn)數(shù)字圖像處理的基本動手操作能力,為工程應(yīng)用和軟件開發(fā)打好基礎(chǔ)。
數(shù)字圖像處理是一門典型的交叉性學(xué)科,它的理論性和實踐性非常強,各種數(shù)字處理的方法都要以數(shù)學(xué)理論為支撐,需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對圖像有不同的處理和理解,以提高在實際問題分析中的解決能力。數(shù)字圖像處理是數(shù)學(xué)系和信息與計算機(jī)系的一門選修課程,主要選用的教材是《數(shù)字圖像處理及MATLAB實現(xiàn)》的教材及內(nèi)容,就包括數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)運算、變換圖像、增強、復(fù)原、壓縮、編碼分割、色彩處理等理論知識,并且對軟件編程的一些常用圖像處理方法有詳細(xì)的概述。圖像處理過程首先就是要選取圖像源文件,然后對圖像進(jìn)行相應(yīng)處理,最后將處理結(jié)果保存到圖像文件中?,F(xiàn)有的數(shù)字圖像處理教材缺乏對常用圖像文件格式的介紹,所以教師在實驗教學(xué)過程中有必要增加這部分知識。在數(shù)字圖像的教材中常用圖像文件格式為BMP和JPG系格式。但是在講解過程中,教師也要對其他的文件格式給予詳細(xì)的了解和講述,幫助學(xué)生理解圖像的本質(zhì),特別是在用Visual C++語言編程中可以實現(xiàn)對各種圖形的處理。
以數(shù)字圖像中各部分的操作為實驗教學(xué)內(nèi)容,探討在Lab View虛擬平臺上嵌入MATLAB腳本編程的實驗設(shè)計方法與過程。
(一)空域圖像平滑
以椒鹽噪聲抑制為例,它是數(shù)字圖像制造的一個基本的實驗課程內(nèi)容。這種類型的噪聲通常是由圖像傳輸處理中所產(chǎn)生的黑白相間的亮點和暗點,噪聲又稱為雙極脈沖噪聲,對圖像的視覺效果有明顯的破壞能力。為了抑制這種現(xiàn)象,一般在圖像處理過程中,采用的濾波模板一般都是3×3的,并運用中值濾波算法對其進(jìn)行抑制,并且在處理時保留圖像邊緣的像素不變,運用這種方法能夠很好地抑制椒鹽噪聲,并改善圖像的視覺質(zhì)量,所以為了讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)時更好地理解這種處理方式,我們需要將圖片輸入、輸出和算法處理分別在Lab View平臺和MATLAB平臺中進(jìn)行模擬仿真練習(xí)(見附圖1和附圖2)。
將這種平臺模式相互結(jié)合,對數(shù)字圖像進(jìn)行處理,就能夠最大限度地將他們的優(yōu)勢發(fā)揮出來,讓圖像在處理過程中既高效,又直觀。在教學(xué)過程中,教師再結(jié)合相關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗對類似的內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃和安排,就可以更好地將實際應(yīng)用與理論算法進(jìn)行結(jié)合,加深學(xué)生對數(shù)字圖像處理教學(xué)內(nèi)容的深刻理解。
(二)圖像像素點的操作
在教學(xué)時,教師可以利用幾幅灰度存有明顯差異的圖像給學(xué)生作為像素點操作的案例,要求學(xué)生在學(xué)習(xí)時掌握圖像的線性變化,利用直方圖的特征和圖像點的運算,通過對線性的變化來調(diào)節(jié)明暗度,增強圖片的明暗對比,利用曲線模式、直方圖對圖像的灰度差異進(jìn)行分析來獲取不同區(qū)域內(nèi)圖像的灰度值,并對圖像的不同灰度進(jìn)行分別處理。例如,學(xué)生可以在圖像像素點操作中對圖像進(jìn)行明暗度的增強,退化處理等,以加強對操作技能的熟練度。
(三)圖像的銳化
教學(xué)過程中,教師還可以選擇幾幅圖像來作為銳化操作的案例,要求能夠利用這幾幅圖像來提取其中的邊緣信息,并分析圖像銳化的優(yōu)點和缺點。要求學(xué)生能夠利用不同的模板對圖像進(jìn)行不同的銳化操作,并總結(jié)出規(guī)律,如:銳化濾波器的特點是所有的元素和都是零。通過空域圖像銳化的實驗教學(xué)讓學(xué)生能夠了解圖像銳化與平滑之間存在的差異,并通過實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生明白低通濾波器所獲取的圖像輪廓信息就相當(dāng)于對圖像進(jìn)行平滑,而圖像的銳化就相當(dāng)于高通的濾波器能夠?qū)D像邊緣信息進(jìn)行獲取。
(四)傅里葉的變化使用
在教學(xué)實驗過程中,對數(shù)字圖像處理中的傅里葉變換及應(yīng)用的實驗教學(xué)能夠讓學(xué)生通過對頻譜平移,傅里葉變換來得出傅里葉變換在圖像調(diào)整中的系數(shù),能夠總結(jié)出頻譜分布的規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在圖像使用傅里葉變化時其中心點都是直流分量的,并向四面八方擴(kuò)散,頻率越來越高。通過了解傅里葉變換的使用后,學(xué)生可以根據(jù)理論知識來設(shè)計圖像,并對圖像進(jìn)行高通、低通濾波器的處理,從而保留不同位置傅里葉變換的系數(shù)。最后,將結(jié)果和實踐的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,來加深學(xué)生對濾波器使用效果的理解。
(五)離散余弦變換的應(yīng)用
學(xué)會離散余弦變換并顯示和分析變換的系數(shù),得出頻譜分布的特點也是數(shù)字圖像處理的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生對圖像進(jìn)行離散余弦變換的處理和應(yīng)用時會發(fā)現(xiàn)頻率會隨著數(shù)據(jù)的變化而越來越高,并且上角為直流分量,沿上下,右的方向不斷變化。另外,還要根據(jù)相應(yīng)的理論來完成低通濾波器和高通濾波器的設(shè)計,并對圖像進(jìn)行離散余弦變換處理。并且,在原圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行8×8大小的圖像轉(zhuǎn)換設(shè)計,對每一塊都要進(jìn)行編碼和離散余弦的應(yīng)用,從而在實際操作中來學(xué)習(xí)JPEG的壓縮模式。
(六)小波變換的應(yīng)用
數(shù)字圖像處理實驗進(jìn)行小波變換應(yīng)用教學(xué)時,就是對圖像進(jìn)行二維小波分解,利用教師給的圖形接口對圖像進(jìn)行處理,分解其中各小波系數(shù)的特點,總結(jié)出垂直高頻、水平高頻、低頻分量和對角高頻之間所代表的意義,并利用MATLAB編成模式對小波圖像進(jìn)行處理和壓縮。
(一)加強在理論教學(xué)中運用現(xiàn)代化教學(xué)手段
通過數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)的相應(yīng)特點,應(yīng)在教學(xué)過程中合理、恰當(dāng)?shù)剡\用現(xiàn)代化的教學(xué)方式,這種方法能夠加深、加快學(xué)生對數(shù)字圖像處理理論和方法的運用和理解。在教學(xué)中,對數(shù)字圖像處理進(jìn)行實驗教學(xué),其質(zhì)量的好壞都取決于學(xué)生對于課程理論知識的理解。當(dāng)學(xué)生對圖像處理算法的理論基礎(chǔ)有清晰了解時,通過模仿即實際處理前后的效果對比就能夠進(jìn)一步地對數(shù)字圖像處理的內(nèi)容進(jìn)行加深,從而做到實踐與理論的相互補充,達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)效果。
(二)合理利用虛擬平臺實踐
在數(shù)字圖像處理教學(xué)過程中,合理運用案例和情景模式教學(xué)能夠有效提高學(xué)生分析和解決數(shù)字圖像處理實際問題的能力。數(shù)字圖像處理的實驗教學(xué)方法能夠更好地加快學(xué)生對理論知識的理解。開設(shè)實驗課時,教師也要選擇好教學(xué)內(nèi)容,盡可能地選學(xué)生容易理解的,并通過Lab View平臺和MATLAB虛擬平臺,直觀地對數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理,展示教學(xué)的內(nèi)容重點,從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程的興趣。
總之,在近幾年的教學(xué)過程中,數(shù)字圖像處理的實驗教學(xué)研究設(shè)計與改革都取得了非常好的效果。本文結(jié)合Lab View虛擬平臺的情景教學(xué)模式和MATLAB的語言編程優(yōu)勢,提出了數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)的新方法。教師通過實驗教學(xué),能夠加深學(xué)生的實踐操作能力,使學(xué)生對數(shù)字圖像處理更有興趣,更加主動地了解科技創(chuàng)新,提高設(shè)計能力,為其進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。并且,能夠使數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)更好地服務(wù)于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
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[責(zé)任編輯 杜建立]
作者簡介: 杜號軍(1975.9— ),男,漢族,湖南臨湘人,副教授,研究方向:刑事圖像技術(shù)。