基于GUI的“数字图像处理”教学平台的开发与研究

王荣

摘要：利用可视化的图像用户界面进行编程，设计了数字图像处理的教学平台，包括课堂教学的示例环节和实验教学环节，可以仿真实现多种抽象的算法，并对比不同种算法的优劣性。实验测试结果表明，数字图像处理的教学平台具有较好的交互性和可扩展性，直观性强、操作简单，既能丰富课堂教学内容，加深学生对图像处理不同算法的理解，又能增强学生学习的兴趣，从而改善课堂教学效果，提高教学质量。

关键词：图形用户界面；图像点运算；加噪与滤波；退化与复原；图像分割

中图分类号：TN911.73 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0154-03

Matlab中GUI是一种人与计算机进行通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些运行任务[1-3]，用MATLAB的图形用户界面（GUI）来制作数字图像处理系统，提供了一个人机交互的工具[2-3]。数字图像处理是电子信息类的一门专业主干课，其算法实现抽象，课堂教学需用大量的示例进行演示，为了能更好的提升教学效果，使学生能直观、容易接受，快速理解各种算法之间的优劣，需要设计一款可视化的、直观、友好的教学平台，因此，基于GUI的数字图像处理教学平台就迫切需要进行研究开发，并应用于课堂和实验教学中。

1 “数字图像处理”教学平台的设计思路

根据系统界面的设计原则和要求，合理设计主控界面以及子控界面，实现主控界面与子控界面的回调和切换，在子界面中添加相应的课堂教学内容和实验内容进行测试，具体的系统平台设计的思路如图1所示。首先合理的设计GUI主界面和子界面的布局，在子界面中添加相应的控件按钮，实现课堂教学部分的示例演示内容和实验教学内容，再编写回调函数，实现主界面与子界面之间的回调，实现教学演示界面、实验教学内容以及主控界面之间的自由切换。

设计主界面的数字图像处理的教学平台，其中包含多个教学内容的示例和多个实验子界面模块，如图2所示。本次课堂教学部分包括图像的基本运算和图像的分割，其中图像的基本运算包括点运算和代数逻辑运算，图像的分割包括边缘检测和阈值分割等，还可以根据实际的教学情况合理的添加更多的教学内容；实验教学部分教学平台的设计以4个实验内容的加载为例，实验一是数字图像加噪与滤波处理，实验二是数字图像处理的多种变换，包括图像求反、灰度变换、直方图等，实验三是运动的数字图像的处理，包括运动模糊、图像钝化等，实验四是图像的色彩变化，包括R、G、B三种分量的提取、灰度图像的伪图像以及彩色图像的取反等。通过对主控界面和子系统界面进行不断的优化和改进，设计了直观友好的数字图像处理的实验教学平台。

2 “数字图像处理”教学平台的开发实现

2.1 教学平台的界面设计过程实现

数字图像处理教学仿真平台中关于图像处理基本实验部分，实现主界面与子控界面的切换，实验教学中以其中四个实验为例，设计的系统界面如图3所示，包括：实验一的数字图像的加噪与滤波处理，实验二的数字图像的变换处理，实验三的数字图像的运动处理，实验四的数字图像的色彩变换等内容。

2.2 图像基本运算界面设计

图像的基本运算包括点运算和代数与逻辑运算。点运算实际上就是对图像的每个像素点的灰度值按照一定的映射关系进行运算，得到一幅新图像的过程。点运算从数学上可以分为线性点运算和非线性点运算。代数运算是指对两幅或者两幅以上输入图像进行点对点的加、减、乘、除运算而得到的目标图像的运算。如图4所示，加载了4幅原始的图像，对其进行点运算和代数运算，在GUI界面中进行可视化的实现。

2.3 图像分割界面设计

图像分割中主要加载的教学内容包括：边缘检测和阈值分割。其中边缘检测里基于一阶导数的边缘检测算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Kirsch算；阈值分割中的人工选择法、Otsu算子求阈值、迭代法求阈值等。图像识别的基础是图像分割，其作用是把反映物体真实情况的、占据不同区域的、具有不同特性的目标区分开来，以便计算各个目标的数字特征。如图5所示，对三幅图像进行边缘检测，其中应用Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子和log算子等；阈值分割中应用全局阈值中的人工选择法、最大类间差阈值选择法。

3 教学平台内容测试

3.1 图像加噪与滤波内容测试

對原始的硬币图像加入分别加入高斯噪声、椒盐噪声和随机噪声，并对其进行中值滤波。如图6所示为硬币实验的各种噪声的添加与滤波处理。中值滤波是一种可以有效抑制噪声的非线性平滑滤波器，它将数字图像中一个邻域中各点值以中值代换，主要是让周围的像素灰度差值比较大的像素改成符合实际的像素值，从而可以去除孤立的噪声点，通过实验可知，中值滤波对于滤除图像的椒盐噪声效果较好。图7是加噪声、滤波与像素平滑的图像对比。

3.2 图像模糊与恢复内容测试

图像的获取（数字化过程）、处理与传输过程中，每一个环节都有可能引起图像质量的下降，这种图像质量下降使得图像模糊，为了得到较好的图像质量，以满足人类视觉系统的要求，需要对退化的图像进行恢复。如图8所示为原始的棋盘图像，对棋盘进行运动模糊、圆盘状模糊图像、钝化模糊图像；图9所示对车轮图像进行运动模糊，采用真实的PSF复原图像、采用1.5倍于真实模糊距离的PSF复原图像、采用1.5倍于运动模糊距离的PSF复原图像的效果对比图。

4 结语

本文设计了一个数字图像处理的教学平台，主要包括三个部分，数字图像的基本运算包括点运算和代数与逻辑运算、数字图像的基本实验教学内容（以四个实验为例）、图像分割包括边缘检测和阈值分割。调试数字图像处理的实验教学平台的内容，检测平台的设计结果，通过实验一对图像进行加噪和滤波，并能比较多种滤波效果；实验四对棋盘图像和车轮图像进行不同的模糊处理，并使用不同的技术进行复原。调试结果显示教学主平台界面和子界面之间可以相互回调和切换，每一个子界面都可以实现相应的实验内容，能直观、方便的展示教学的结果，因此具有较好的实践性，而且其必将在数字图像处理教学中起到较好的辅助作用。endprint

参考文献

[1]陈刚，于丹，吴迪.MATLAB基础与实例进阶[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]张德丰.數字图像处理：MATLAB版[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[3]张鸣.基于Matlab GUI的通信原理演示系统设计[J].实验技术与管理，2013，30（09）：111-127.

Abstract：The teaching platform of digital image processing is designed by using the visual image user interface programming， It includes the classroom teaching example link and the experiment teaching link，simulating a variety of abstract algorithms， and comparing the pros and cons of different algorithms. The experimental results indicate that the teaching platform is interaction， scalability， intuitive and easy to operate. It can not only enrich the content of classroom teaching， deepen students' understanding of the different algorithms of image processing， but also can enhance the interest of students， to improve classroom teaching effect and the teaching quality.

Key Words：Graphical User interface； Image point operation； Noise and filtering；Degradation and restoration； Image segmentationendprint