杜云明 田思慶 王斌

摘? ?要：為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)《數(shù)字圖像處理》課程實(shí)驗(yàn)的可視化交互仿真，文章提出一種基于MATLAB GUI的數(shù)字圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。利用MATLAB GUI可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)交互界面，通過(guò)回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)算法仿真功能。平臺(tái)采用嵌套方式構(gòu)架實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，集基本原理實(shí)驗(yàn)和綜合操作實(shí)驗(yàn)于一體，具有演練結(jié)合、操作方便、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，有利于教師的輔助教學(xué)和學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化理解，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有幫助作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);MATLAB;圖形用戶界面

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2021）14-0041-04

《數(shù)字圖像處理》是高等院校電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)課程，其所涉及的原理和相關(guān)處理技術(shù)在模式識(shí)別、智能檢測(cè)與控制、信號(hào)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。因此在教學(xué)過(guò)程中，不僅要求學(xué)生要熟練掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、基本原理、經(jīng)典算法和處理技巧，更能夠融會(huì)貫通地實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)用，真正達(dá)到解決實(shí)際問(wèn)題的目的。然而傳統(tǒng)的“先理論、后實(shí)驗(yàn)”的二元分離教學(xué)模式，難以保證良好的教學(xué)效果。有限的學(xué)時(shí)設(shè)置也使學(xué)生無(wú)法全面、系統(tǒng)、深入地學(xué)習(xí)和掌握課程的基本原理和算法[2][3]。此外，缺少與教材緊扣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，更是制約了學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)的理解和應(yīng)用[4]。因此，開(kāi)發(fā)能夠輔助教學(xué)且可滿足實(shí)踐需求的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，已成為教學(xué)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

一、現(xiàn)有數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足

目前，各高校結(jié)合自身特點(diǎn)和需求，嘗試開(kāi)發(fā)出了不同的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。其中，劉書(shū)杰等利用Delphi軟件結(jié)合BussinessSkinForm界面控件，開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的圖像處理[5]。李榮根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，提出了在Java語(yǔ)言環(huán)境下，通過(guò)擴(kuò)展Image J插件的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理的方案[6]。林雪華借助VC++軟件開(kāi)發(fā)了界面化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理基本算法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[7]。上述三款實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別以不同的編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)，開(kāi)展了對(duì)數(shù)字圖像處理基本原理及算法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不僅要求學(xué)生深諳圖像處理的物理含義，更需具備深厚的編程基礎(chǔ)和技巧。這對(duì)初學(xué)者而言，無(wú)疑增加了參與的難度，同時(shí)也影響了課程本身學(xué)習(xí)的興趣。

為使學(xué)生有效參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，各種基于MATLAB GUI的圖像演示、仿真、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相繼問(wèn)世[8-12]。但從其內(nèi)容和操作方式來(lái)看，多以交互體驗(yàn)式的原理感性認(rèn)知為主，缺少編程實(shí)踐和知識(shí)整合運(yùn)用的綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。另外在操作過(guò)程中，學(xué)生無(wú)法了解實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的、實(shí)現(xiàn)的過(guò)程和具體步驟，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也缺少必要的分析，這無(wú)疑降低了實(shí)驗(yàn)的效果，不利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此，本文借助MATLAB的圖形界面開(kāi)發(fā)功能，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像處理基本原理和經(jīng)典算法的交互實(shí)驗(yàn)，也可實(shí)現(xiàn)以實(shí)際項(xiàng)目為依托的綜合實(shí)驗(yàn)和編程實(shí)踐。

二、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為基本原理實(shí)驗(yàn)和綜合操作實(shí)驗(yàn)兩大模塊。其中，基本原理實(shí)驗(yàn)包括圖像基本處理實(shí)驗(yàn)、圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)、圖像分割處理實(shí)驗(yàn)、圖像幾何變換實(shí)驗(yàn)、圖像頻域處理實(shí)驗(yàn)和圖像形態(tài)學(xué)處理實(shí)驗(yàn)[13]。綜合操作實(shí)驗(yàn)包括血液細(xì)胞計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)、車輛牌照識(shí)別實(shí)驗(yàn)、人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)、指紋識(shí)別實(shí)驗(yàn)、米粒分形檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安排，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用層次化設(shè)計(jì)思想，通過(guò)總分、嵌套方式完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的構(gòu)架[14]。利用MATLAB圖形界面開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)界面布局、控件添加、參數(shù)設(shè)置、回調(diào)函數(shù)編寫(xiě)、測(cè)試優(yōu)化等步驟，實(shí)現(xiàn)交互界面設(shè)計(jì)。利用界面訪問(wèn)機(jī)制、函數(shù)調(diào)用機(jī)制和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，完成具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容操作。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以交互界面方式展現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容與要求，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)邏輯和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，設(shè)計(jì)中采取主界面和子界面訪問(wèn)切換方式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)分層操作。其中，主界面為系統(tǒng)初始訪問(wèn)界面，子界面對(duì)應(yīng)為各個(gè)實(shí)驗(yàn)操作界面。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，子界面還可嵌套不同功能的下級(jí)子界面，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的細(xì)化。

1.主界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)主界面設(shè)計(jì)包括起始導(dǎo)入界面和實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑鎯刹糠諿15]，其界面外觀效果如圖2所示。在起始導(dǎo)入界面中，點(diǎn)擊“進(jìn)入平臺(tái)”按鈕，則會(huì)跳轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑妗Ｔ趯?shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑嬷?，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)名稱按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作子界面，點(diǎn)擊“退出實(shí)驗(yàn)”按鈕，則會(huì)關(guān)閉該界面并返回上一級(jí)起始界面。

起始導(dǎo)入界面設(shè)計(jì)及按鍵實(shí)現(xiàn)界面切換訪問(wèn)功能的主要代碼如下：

% 導(dǎo)入界面外觀效果的程序設(shè)計(jì)

function varargout = daorujiemian_OutputFcn（hObject， eventdata， handles）

varargout{1} = handles.output;

backgroundImage=importdata（'image_name.jpg'）;

axes（handles.axes1）;

image（backgroundImage）;

axis off;

% “進(jìn)入平臺(tái)”按鍵訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑娴某绦蛟O(shè)計(jì)

function jinrupingtai_Callback（hObject， eventdata， handles）

h=gcf;

shiyanmulujiemian; %目錄界面文件名稱

close（h）;

2.子界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）基本原理實(shí)驗(yàn)子界面

以圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)中的“鄰域平均法平滑處理”子實(shí)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明基本原理實(shí)驗(yàn)子界面及其嵌套功能實(shí)驗(yàn)子界面的設(shè)計(jì)過(guò)程。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑嬷?，點(diǎn)擊“圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)訪問(wèn)到如圖3所示的圖像增強(qiáng)處理實(shí)驗(yàn)子界面。在該界面中，將左側(cè)設(shè)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹區(qū)，旨在向?qū)W生介紹圖像增強(qiáng)處理所包含的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生對(duì)該部分有整體的了解和認(rèn)知，可在GUI編輯界面通過(guò)添加面板控件、靜態(tài)文本控件和軸控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。界面右側(cè)設(shè)為實(shí)驗(yàn)的具體功能操作區(qū)，按照?qǐng)D像增強(qiáng)處理所涉核心內(nèi)容和主要方法共設(shè)計(jì)了八個(gè)子實(shí)驗(yàn)，通過(guò)面板、按鈕、互斥選擇按鈕群等控件組合實(shí)現(xiàn)具體實(shí)驗(yàn)的操作。由于圖像灰度變換和圖像平滑實(shí)驗(yàn)包含有多種處理方法，操作時(shí)需通過(guò)上方的實(shí)驗(yàn)按鈕激活下面的實(shí)驗(yàn)方法按鈕群，而后點(diǎn)擊選擇具體方法、訪問(wèn)對(duì)應(yīng)子實(shí)驗(yàn)界面，完成具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

如上所述，當(dāng)激活并選擇鄰域平均法實(shí)現(xiàn)圖像平滑處理實(shí)驗(yàn)時(shí)，界面就會(huì)跳轉(zhuǎn)至如圖4所示的嵌套功能實(shí)驗(yàn)子界面。該界面劃分為實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)操作和圖像顯示三個(gè)區(qū)域。其中，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明區(qū)主要介紹具體實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和相關(guān)要求，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有全面、清晰的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)以控件組合方式引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析和編程學(xué)習(xí)與實(shí)踐。圖像顯示區(qū)則是將處理結(jié)果直觀顯示出來(lái)，便于對(duì)比分析。

在實(shí)驗(yàn)操作區(qū)中，各功能按鈕采用依次激活方式設(shè)置，其中“讀取圖像”按鈕功能可由imread（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，“添加噪聲”按鈕由imnoise（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。噪聲類型主要設(shè)定了椒鹽和高斯兩種常見(jiàn)噪聲，可通過(guò)單選方式進(jìn)行選取，噪聲相關(guān)參數(shù)選用了默認(rèn)值，實(shí)際編程中可以根據(jù)需要自行調(diào)整?！澳０暹x擇”按鈕功能主要由fspecial（ ）和imfilter（ ）兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際操作時(shí)提供了3×3、5×5、7×7三種不同大小的可選模板類型。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直觀查看到不同大小模板對(duì)相同噪聲和不同噪聲平滑處理效果的影響?！皩?shí)驗(yàn)分析”按鈕利用界面訪問(wèn)機(jī)制，以彈窗形式調(diào)用結(jié)果分析界面，該界面以文本方式闡述實(shí)驗(yàn)機(jī)理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、總結(jié)差異原因等，便于修正或鞏固學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的理性認(rèn)知。另外，為了加強(qiáng)學(xué)生編程技能的培養(yǎng)，還設(shè)置了“典型程序”功能按鍵，該按鈕利用open（ ）函數(shù)調(diào)用m程序文件。文件中給出原理編程代碼和函數(shù)編程代碼兩類典型程序，便于學(xué)生對(duì)原理的內(nèi)化理解和編程運(yùn)用。同時(shí)還設(shè)置了“編程實(shí)踐”功能按鈕，該按鈕利用edit（ ）函數(shù)創(chuàng)建腳本文件，學(xué)生可模仿程序示例開(kāi)展創(chuàng)造性的編程實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)到演練結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。部分?shí)驗(yàn)關(guān)鍵程序?qū)崿F(xiàn)代碼如下：

% 加噪按鈕控件激活噪聲類型面板控件

function Add_noise_Callback（hObject， eventdata， handles）

set（handles.Noise_type_uipanel，'visible'，'on'）;

% BOX模板構(gòu)建及鄰域平均平滑處理

B=fspecial（'average'，n*n）;

Denoise_image=imfilter（Noise_image，B）;

axes（handles.axes2）;

imshow（Denoise_image）;

% 彈窗界面調(diào)用

function Experimental_analysis_Callback（hObject， eventdata， handles）

h=gcf;

analysis interface;%彈窗界面文件名稱

% m文件調(diào)用

function Typical_procedure_Callback（hObject， eventdata， handles）

open（'procedure_example.m'）

（2）綜合操作實(shí)驗(yàn)子界面

綜合實(shí)驗(yàn)部分既包含原理綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)，又包含靜態(tài)圖像向動(dòng)態(tài)圖像拓展的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。下面以“人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)”為例，說(shuō)明綜合操作實(shí)驗(yàn)子界面的設(shè)計(jì)過(guò)程。該實(shí)驗(yàn)以視頻動(dòng)態(tài)圖像為操作對(duì)象，利用粒子濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉目標(biāo)的跟蹤，并進(jìn)行跟蹤有效性分析。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浗缑嬷?，點(diǎn)擊“人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)”按鈕，即可跳轉(zhuǎn)訪問(wèn)到如圖5所示的“人臉目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)”子界面。該界面仍然采用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果顯示三個(gè)區(qū)域布局。其中，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明區(qū)利用面板和靜態(tài)文本控件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求的說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)操作區(qū)利用按鍵、面板和編輯文本控件組合實(shí)現(xiàn)交互操作。結(jié)果顯示區(qū)則利用軸控件實(shí)現(xiàn)相關(guān)處理結(jié)果的顯示。

在實(shí)驗(yàn)操作區(qū)中，“讀取視頻”按鈕功能由VideoReader（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，完成視頻動(dòng)態(tài)圖像信息的獲取;“采集圖像”按鈕功能由read（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，完成視頻第一幀圖像的采集;“確定目標(biāo)”按鈕功能由imcrop（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，主要是在首幀圖像上完成以手動(dòng)方式交互確定人臉目標(biāo)區(qū)域，達(dá)到對(duì)跟蹤器初始化的目的。另外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，界面中還添加了“參數(shù)設(shè)置”操作按鈕，并設(shè)定了目標(biāo)模型和粒子數(shù)量?jī)深惪烧{(diào)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中仍采取由上層操作按鈕來(lái)激活下層參數(shù)類型控件，引導(dǎo)完成具體參數(shù)設(shè)置。其中，目標(biāo)模型可選用RGB和YUV兩種參數(shù)，旨在研究不同色彩空間下的目標(biāo)建模對(duì)環(huán)境抗干擾能力和跟蹤穩(wěn)定性的影響。粒子數(shù)量參數(shù)可自行設(shè)定，旨在研究不用數(shù)量樣本對(duì)跟蹤有效性的影響。

在具體參數(shù)設(shè)置時(shí)，利用str2num（ ）函數(shù)將輸入的字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值，實(shí)現(xiàn)前臺(tái)界面向后臺(tái)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。最終利用“跟蹤顯示”按鈕完成跟蹤結(jié)果的演示，該按鈕可通過(guò)調(diào)用implay（ ）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為研究所設(shè)計(jì)跟蹤方法的有效性，界面還添加了“相似度分析”按鈕，其主要功能是通過(guò)將每幀最終跟蹤區(qū)域與初始目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行相似度比較，分析判斷每幀跟蹤的準(zhǔn)確性。部分實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵程序代碼如下：

% 視頻圖像處理

Video=VideoReader（Filename）;% 獲取視頻信息

Image1=read（Video，1）;% 采集首幀圖像

Target=imcrop（Image1）;% 確定目標(biāo)區(qū)域

% 參數(shù)獲取及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

Parameter_character=get（hObject，'string'）;

Parameter_data=str2num（Parameter_character）;

% 目標(biāo)模型構(gòu)建

Target = rgb2hsv（Target）;

function Probmap = hist（Target，rmin，rmax，cmin，cmax）;% 提取目標(biāo)區(qū)域HSV色度信息，建立加權(quán)概率直方圖

% 相似度比較

W=sqrt（Probmapm*Probmap）;% 跟蹤區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域直方圖計(jì)算

S=sum（W）;% 相似度結(jié)果計(jì)算

四、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特點(diǎn)

1.邏輯清晰，結(jié)構(gòu)合理

平臺(tái)按照知識(shí)體系構(gòu)架實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用嵌套方式組織實(shí)驗(yàn)操作。通過(guò)先基礎(chǔ)、后綜合的實(shí)驗(yàn)安排，有效引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)。另外在具體實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果顯示的界面布局范式，有效模擬實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，使得實(shí)驗(yàn)思路更加清晰、實(shí)驗(yàn)?zāi)康母用鞔_、實(shí)驗(yàn)操作更加具體。

2.操作方便，易于擴(kuò)展

平臺(tái)提供的交互式實(shí)驗(yàn)仿真界面，便于學(xué)生通過(guò)方法選擇和參數(shù)調(diào)整，對(duì)比分析不同算法的處理結(jié)果以及參數(shù)變化對(duì)仿真結(jié)果的影響。同時(shí)，師生可結(jié)合自身的實(shí)際體驗(yàn)與學(xué)習(xí)需求，修改底層代碼程序或刪、補(bǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)個(gè)性化的優(yōu)化與完善。

3.演練結(jié)合，助力創(chuàng)新

針對(duì)各種圖像處理算法，平臺(tái)提供了典型的程序示例，多角度幫助學(xué)生加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)化運(yùn)用。同時(shí)還為學(xué)生提供了編程實(shí)踐入口，便于學(xué)生在對(duì)原理理解和內(nèi)化的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地加以編程實(shí)踐應(yīng)用，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

五、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字圖像處理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將抽象的圖像處理理論和算法具體化、可視化，使實(shí)驗(yàn)操作更具交互性，可有效激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的積極性和主動(dòng)性。該平臺(tái)應(yīng)用于《數(shù)字圖像處理》課程實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和內(nèi)化，能夠助力學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有利于改善課程教學(xué)效果。

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（編輯：李曉萍）