陳木生，林順達(dá)

(泉州師范學(xué)院　a.物理與信息工程學(xué)院；b.信息功能材料福建省高校重點實驗室，福建　泉州　362000)

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數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)研究與實踐

陳木生，林順達(dá)

(泉州師范學(xué)院a.物理與信息工程學(xué)院；b.信息功能材料福建省高校重點實驗室，福建泉州362000)

為提高教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效率，對數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)的內(nèi)容和形式進(jìn)行了改革。根據(jù)培養(yǎng)應(yīng)用型人才和數(shù)字圖像處理課程的特點，提出一種基于Matlab的實驗教學(xué)模式，重點討論了實驗教學(xué)中基本實驗項目和開放性實驗項目的設(shè)置。實踐證明，該方法有助于提高學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力、設(shè)計編程能力和實踐動手能力。

數(shù)字圖像處理；實驗教學(xué)；實驗項目；創(chuàng)新

FunctionalMaterialforFujianHigherEducation,QuanzhouNormalUniversity，Quanzhou362000,China)

數(shù)字圖像處理是一門發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，在工業(yè)生產(chǎn)、軍事技術(shù)、遙感航天、醫(yī)療衛(wèi)生、自動控制等方面發(fā)揮著越來越大的作用[1]。目前，數(shù)字圖像處理是電子信息科技、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用數(shù)學(xué)等專業(yè)研究的熱點之一[2]。數(shù)字圖像處理課程是信息處理方向的專業(yè)課，要求學(xué)生能夠掌握數(shù)字圖像處理的基本理論、方法，掌握一定的編程實踐技能，能夠利用計算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理，如圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像重建和恢復(fù)以及圖像識別等[3-4]。

隨著電子技術(shù)和計算機(jī)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像處理的新理論、新方法、新應(yīng)用層出不斷，且大部分具有實際應(yīng)用意義。隨著不同高校辦學(xué)定位的轉(zhuǎn)變及社會對工程技術(shù)人才素質(zhì)要求的不斷提高，數(shù)字圖像處理的教學(xué)不管是在理論還是實踐，無論是在教學(xué)內(nèi)容還是教學(xué)理念上都要進(jìn)行改革和創(chuàng)新[5]。該課程既有很強(qiáng)的理論性，又具有很強(qiáng)的實踐性，很多學(xué)生被其廣泛的應(yīng)用所吸引，又因其復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)而望而卻步。特別是一般本科高校在高年級開設(shè)數(shù)字圖像處理課程，部分學(xué)生因忙于找工作、考研等，沒有將精力集中于學(xué)習(xí)。在這種情況下，只有將課程教學(xué)的重點從枯燥的理論教學(xué)轉(zhuǎn)化為與實際應(yīng)用更為緊密的實驗教學(xué)，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生既能較好地理解數(shù)字圖像處理課程，又能掌握一些基本的編程應(yīng)用，為工作或進(jìn)一步深造奠定較好的基礎(chǔ)[6]。

1　利用Matlab開展數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)

在數(shù)字圖像處理的實驗教學(xué)中，通常是結(jié)合相關(guān)的軟件開發(fā)工具進(jìn)行的，主要有VisualC++和Matlab。VisualC++具有運行速度快，可移植性好等優(yōu)點，特別適用于數(shù)據(jù)量較大的運算和開發(fā)；但由于其較為復(fù)雜、難學(xué)，一般本科高校的大部分高年級學(xué)生很難在較短的時間內(nèi)掌握，并應(yīng)用于數(shù)字圖像處理工程應(yīng)用中。Matlab是由MathWorks公司開發(fā)的一套高性能的用于數(shù)值計算和可視化圖形化處理的工程語言。它特別適用于矩陣運算、數(shù)值分析、小波分析等各個分支，擁有電子信息、通信技術(shù)、信號處理等專業(yè)方面的工具箱。學(xué)生能在較短時間內(nèi)學(xué)會運用Matlab編程語言進(jìn)行數(shù)字圖像處理，從而直觀地了解相關(guān)理論的知識和應(yīng)用[7-8]。以常見的二維離散小波變換為例，說明應(yīng)用Matlab進(jìn)行數(shù)字圖像處理實驗的優(yōu)點。

1)在命令窗口中輸入wavemenu，在小波工具箱主菜單中選擇wavelet2-D，再導(dǎo)入分析圖像；

2)對小波分解參數(shù)進(jìn)行選擇，主要是小波基、分解層數(shù)，然后對圖像進(jìn)行小波分解分析，結(jié)果如圖1所示。

3)通過上面簡單的配置和分析，從圖1中學(xué)生能夠更好地理解小波分解的原理、分解層數(shù)及分解后低頻子帶、水平子圖像、垂直子圖像、對角子圖像的特點，同時也可利用小波變換完成圖像去噪、圖像壓縮等工作。

2　數(shù)字圖像處理教學(xué)實驗設(shè)置

一些數(shù)字圖像處理教材偏重于深入的理論講解，本文認(rèn)為對于新辦本科院校大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)存在困難，在教學(xué)中必須強(qiáng)化實驗教學(xué)，才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實踐動手能力；因而實驗設(shè)置主要分為一般性實驗和設(shè)計性實驗[9]。

2.1一般性實驗

2.1.1實驗一：圖像的像素點操作

給定幾幅灰度存在明顯差異的圖像，要求學(xué)生掌握圖像的線性變換、直方圖特性、圖像的點運算；能夠通過線性變換將灰度圖像調(diào)亮、調(diào)暗、對比度增強(qiáng)等；利用直方圖對灰度存在差異的圖像進(jìn)行分析，獲取不同灰度區(qū)域的閾值，對于圖像中不同灰度部分進(jìn)行增強(qiáng)和退化處理，提取出學(xué)生自己感興趣的部分。

2.1.2實驗二：空域圖像平滑

給定幾幅圖像，要求學(xué)生加入不同類型噪聲(高斯白噪聲、椒鹽噪聲)，再利用均值濾波器、中值濾波器對包含不同噪聲的圖像進(jìn)行濾波處理，讓學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，得出結(jié)論：均值濾波器去除高斯白噪聲具有較好的效果，中值濾波器特別適用于去除椒鹽噪聲。要求同學(xué)同時分析濾波器窗口大小對圖像去噪結(jié)果的影響，得出結(jié)論：窗口越大去除噪聲效果越好，但圖像越模糊。最后讓學(xué)生根據(jù)自己的想法構(gòu)建不同模板的平滑濾波器對圖像進(jìn)行處理，驗證不同模板平滑濾波器的特點，即所有元素的和為1。

2.1.3實驗三：空域圖像銳化

給定幾幅圖像，要求學(xué)生利用不同的邊緣提取算法提取出圖像的邊緣信息，并分析比較各自的優(yōu)缺點。要求學(xué)生自己設(shè)計不同的模板對圖像進(jìn)行銳化處理，得出銳化濾波器的特點是所有元素的和為0。最后讓學(xué)生分析圖像平滑和圖像銳化的區(qū)別，得出結(jié)論：圖像平滑相當(dāng)于低通濾波器，獲取圖像的輪廓信息；圖像銳化相當(dāng)于高通濾波器，獲取圖像的邊緣信息。

2.1.4實驗四：傅里葉變換及其應(yīng)用

要求學(xué)生對圖像進(jìn)行傅里葉變換和頻譜平移，并顯示和分析傅里葉變換系數(shù)，總結(jié)出頻譜分布特性，即中心點為直流分量，往四面八方頻率越來越高。在分析頻譜特點的基礎(chǔ)上，再要求學(xué)生自己根據(jù)課本中理論公式設(shè)計低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，分別對圖像進(jìn)行處理，即保留傅里葉變換系數(shù)中不同位置的系數(shù)。最后將實驗結(jié)果與實驗三相比較，加深學(xué)生對低通濾波器和高通濾波器作用效果的理解。

2.1.5實驗五：離散余弦變換及其應(yīng)用

要求學(xué)生對圖像進(jìn)行離散余弦變換，并顯示和分析變換系數(shù)，得出頻譜分布特點：左上角為直流分量，沿上、下、右方向頻率越來越高。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生根據(jù)課本中理論公式完成低通濾波器和高通濾波器，并對圖像進(jìn)行處理，進(jìn)一步加強(qiáng)離散余弦變換頻譜分布的特點。最后要求學(xué)生對原圖像分成8×8大小，再對每一塊進(jìn)行離散余弦變換和行程編碼，讓學(xué)生仿真實現(xiàn)最為常見的JPEG壓縮。

2.1.6實驗六：小波變換及其應(yīng)用

要求學(xué)生利用圖形接口方式對圖像進(jìn)行二維小波分解，觀察分解后各個小波系數(shù)的特點，總結(jié)出低頻分量、水平高頻、垂直高頻、對角高頻所代表的信息；再要求學(xué)生利用Matlab中的命令行方式實現(xiàn)圖像的小波分解，并在此基礎(chǔ)上利用小波變換對圖像進(jìn)行壓縮處理。

2.2設(shè)計性實驗

內(nèi)容為空域數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加密技術(shù)的不足，為數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)和合法利用提供了新的解決思路，是研究的一個熱點，在日常生活中也有廣泛的應(yīng)用。該實驗主要是讓學(xué)生完成李旭東提出的抗幾何攻擊的空間域圖像數(shù)字水印算法[10]。通過實驗，要求學(xué)生掌握數(shù)字水印的基本概念、原理，掌握數(shù)字水印嵌入和提取過程。實驗特點是根據(jù)論文中的公式實現(xiàn)算法較為簡單，并且具有較好的不可見性和魯棒性。完成該實驗的成就感，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升算法設(shè)計思想和編程能力。

3　結(jié)束語

通過對數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)的設(shè)計和改革，在近幾年的教學(xué)中取得較好的效果。學(xué)生不僅能夠較好地理解復(fù)雜的理論知識，還能利用Matlab實現(xiàn)部分軟件開發(fā)，分析問題、算法實現(xiàn)、程序編寫等能力得到了提高；最為重要的是，通過實驗學(xué)生掌握了理論知識，學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，學(xué)習(xí)主動性和科技創(chuàng)新能力得到提高，為就業(yè)或進(jìn)一步深造奠定了較好的基礎(chǔ)。今后如有條件，應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生申報校級的學(xué)生開放實驗項目或大學(xué)生科研基金項目，通過這些項目的研究，使理論知識和實際應(yīng)用更為緊密地結(jié)合在一起。

[1]王江濤，陳得寶，楊一軍.面向?qū)嶋H應(yīng)用的數(shù)字圖像處理教學(xué)探討[J].淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，31(4)：87-90.

[2]范春年.“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)研究[J].中國電力教育，2010(27)：109-111.

[3]姜珊,雙凱.“數(shù)字圖像處理”課程的實驗教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索，2006，25(5)：644-646.

[4]吳全玉，劉曉杰，潘玲佼，等.“數(shù)字圖像處理”課程實驗教學(xué)研究與探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016，38(1)：12-17.

[5] 呂勇，牛春暉，劉力雙.基于實踐能力培養(yǎng)的《數(shù)字圖像處理》課教學(xué)改革研究[J].現(xiàn)代計算機(jī)(普及版)，2013(9)：60-62.

[6]楊保華，王菁，梁欣.Matlab在《數(shù)字圖像處理》教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2016(2)：171-172.

[7] 陳文馳.提高“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)質(zhì)量的探索[J].江南大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版)，2007，27(4)：34-36.

[8]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB6.5 輔助小波分析與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[9]宮娜娜，趙春雨.數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)的探索[J].電腦與信息技術(shù)，2010，20(5)：72-75.

[10]李旭東.抗幾何攻擊的空間域圖像數(shù)字水印算法[J].自動化學(xué)報，2008，34(7)：832-837.

Research and Practice in the Experimental Teaching of Digital Image Processing

CHEN Musheng，Lin Shunda

(a.CollegeofPhysicsandInformationEngineering；b.KeyLaboratoryofInformation

Accordingtothecharacteristicsofdigitalprocessingexperimentalplatformistoocomplextosuitforstudenttounderstandthetheoryofdigitalprocessing.Inviewofapplicationcollegesanddigitalimageprocessingandtheproblemsincurrentcourse,wepresentsomereformstomotivatestudentslearningenthusiasmandimproveteachingeffect.Itincludeschoosingprocessingsoftware,reformingteachingmodeandsettingpracticalteaching.Inexperimentteachingprocess,Matlabistakenasexperimentsoftware.Wealsosetsbasicandopenssubjectsinexperimentalproceduresrespectively.Practicehasprovedthatitisofgreathelptopromotingtheinterestingandtheabilityofinnovation,programmingandpracticing.

digitalimageprocessing;experimentteaching；experimentprocedures；innovation

2015-06-25；修改日期: 2016-04-14

福建省教育廳項目(JA13262)；泉州師范學(xué)院本科教學(xué)工程與教學(xué)改革項目(JAX14067)。

陳木生(1980-)，男，碩士，副教授，主要從事二維條碼、圖像處理等的研究工作。

TP911.72；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.037