“数字图像处理”实验教学设计

江巨浪，黄　忠，纪娟娟

(安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)



“数字图像处理”实验教学设计

江巨浪，黄忠，纪娟娟

(安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)

摘要：数字图像处理课程概念抽象、实践性强，设置实验教学环节十分必要。采用Matlab作为编程语言，针对不同实验学时数设计了实验项目组合方案。对每个实验项目进行分层管理，设计了基本实验任务与扩展实验任务的具体方案。近年来的教学实践结果表明，这种实验教学设计方法能够取得良好效果。

关键词：数字图像处理；实验教学；教学设计；分层管理

数字图像处理作为电子信息类专业的一门重要课程，具有概念抽象、实践性强的特点，该课程的基本理论与方法很难通过单纯的理论教学让学生深入理解与掌握[1-2]。数字图像处理课程的实验教学一般是用计算机语言编写相应程序代码，按照要求对指定图像进行处理。一方面，正确地编写程序需要理解图像处理的原理方法；另一方面，程序调试过程与运行结果的可视化能够进一步加深对理论知识的理解，同时培养学生对专业知识的应用能力。文献[3-4]提出基于Matlab/Simulink与FPGA的实验教学设计方案，文献[5]提出了将实验项目分为三种难度等级的教学设计方法。笔者结合近年来面对多种专业的多种学时数情况的实验教学经验，以实验教学课堂为背景，以实验项目完成度为依据，提出对实验项目内容进行分层管理的实验教学设计方法。

1编程工具选择与实验模块设计

1.1编程工具选择

对于电子信息类本科专业，通常在开设数字图像处理课程之前已经开设过编程语言课程，主要有C语言与Matlab语言。在编程语言选择上，采用Matlab语言相对于C语言更加有利于该课程实验教学的开展[3,5]，主要体现在以下几方面：

(1)图像的数学描述为矩阵，Matlab语言对矩阵运算的强大功能有利于提高编程效率，从而在有限的实验教学课时内能完成更多的实验项目。

(2)图像处理实验必须要进行图像的读取、保存、显示等操作。Matlab自带的图像处理工具箱封装了很多能够完成这些操作的图像处理函数命令，学生直接使用即可。如果采用C语言编程，需要上百行代码才能实现。另外，对于实验项目中的大部分任务，都能从图像工具箱中找到对应的Matlab函数来实现。因此，学生可以将自己编写的图像处理函数与工具箱函数的运行结果进行比对，对程序准确性进行验证。

1.2实验模块设计

参照数字图像处理课程的实验教学大纲要求，依据图像处理理论与方法的重要性与典型性原则，设计了8种实验项目：1)图像的灰度变换；2)图像的直方图均衡化；3)图像的几何变换；4)图像的噪声抑制；5)图像锐化；6)图像分割；7)二值图像处理；8)彩色图像处理。

随着图像处理技术的不断发展，高校设置该课程的理工科专业越来越多。以我校为例，设置该课程的专业涵盖有电子信息类专业、计算机信息类专业、光电信息类专业、电气与自动化类专业。根据人才培养方案的目标，不同专业安排的实验教学课时也有所不同。以笔者所在学校为例，该课程的实验课时主要有9学时、12学时、18学时与24学时四种情况。为了兼顾基本知识面与重要知识点，我们将图像的灰度变换与几何变换作为优先安排的必修内容，其他图像处理方法根据总课时数进行有选择的自由组合。不同学时数的实验项目组合方案如表1所示。

表1　不同学时数的实验项目组合方案

2实验项目的分层管理

由于不同学生在编程能力与理论知识理解程度方面存在差异，所以，编程调试过程的时间长短存在较大差异。将每个实验项目分解为基本任务与扩展任务进行分层管理是十分必要的。在教师指导前提下，基本任务的实验内容是绝大多数学生均有能力完成的，扩展任务的实验内容主要是为在实验课堂上已经完成基础任务的学生提供必要的实验素材，这也是维持实验课堂教学秩序的最有效措施。在部分学生未能在实验课堂完成扩展任务的情况下，学生可以将程序代码保存，在课外时间继续完成实验任务，并将实验结果通过网络平台提交给指导教师。学生完成每个实验项目的成绩可以依据基本任务与扩展任务的编程效率与实验结果进行综合评判。针对表1中的每一个实验项目，对实验任务进行了分层管理，提出如下的具体方案。

项目1图像的灰度变换

基本任务给定对比度线性展宽算法的函数定义行：function outImg = GrayTrans(inImg, fa, fb, fc, fd)，其中inImg为输入图像，outIm为输出图像，a,b,c,d为灰度变换的参数。编写函数文件代码，并调用该函数增强图像。

扩展任务给定灰级窗函数定义行：function outImg = GrayWindow(inImg, fa, fb)，fa，fb为灰级窗的灰度级范围。编写函数文件代码,调用该函数增强医学图像的不同组织区域。

项目2灰度图像的直方图均衡化

基本任务给定图像直方图均衡化算法的函数定义行：function outImg = HistEq(inImg)，编写函数文件代码，调用该函数增强图像。

扩展任务给定直方图匹配的函数定义行：function outImg = HistPatch(inImg, h)，h为指定直方图矢量。编写函数文件代码，调用该函数增强图像。

项目3图像的几何变换

要求完成基本任务(1)与(2)。

基本任务(1)给定图像平移的函数定义行，编写函数文件代码并调用该函数平移图像：function outImg = ImgMove(inImg, Tx, Ty)，Tx与Ty分别为图像平移的行数与列数。

基本任务(2)给定图像镜像算法的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数翻转图像：function outImg = Imgflip(inImg, flipType)，flipType为字符串变量，取值为’horizontal’对应于水平翻转，取值为’vertical’对应于垂直翻转。

扩展任务要求完成任务扩展(1)或(2)。

扩展任务(1)给定图像任意角度旋转的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数旋转图像：function outImg = ImgRotate(inImg, angle)，angle为逆时针旋转角度。

扩展任务(2)给定基于双线性插值的图像缩放算法的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对图像进行缩放处理：function outImg =ReSize(inImg, Tx,Ty)，Tx与Ty分别为横向与纵向的缩放倍数。

项目4图像去噪

基本任务给定图像去噪算法的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对图像进行去噪处理：function outImg = ImDenoise(inImg, deNoiseStyle)，deNoiseStyle为字符型变量，取值为’medan’，函数执行中值滤波；取值为’average’则执行均值滤波。

扩展任务给定用于保持图像边界的去噪函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对图像进行去噪处理：function outImg = EdgePreserveDenoise(inImg, deNoiseStyle)，deNoiseStyle取为’medan’函数执行中值滤波，取为’average’则执行均值滤波。编写函数文件的代码并调用该函数进行图像的去噪处理。

项目5图像锐化

基本任务 Sobel微分算子锐化图像的函数定义行如下，编写该函数文件代码并调用函数对图像边界进行突出显示：function outImg = SobelSharpen(inImg) 。

扩展任务 采用Laplasian二阶微分算子对图像进行背景保持锐化处理的定义行如下，编写该函数文件代码并调用函数对图像边界进行锐化处理：function outImg = LaplasianSharpen(inImg) 。

项目6图像分割

基本任务 基于直方图峰值特性进行图像分割的函数定义行如下，编写该函数文件代码并调用函数对图像进行二值化处理：function outImg = HistImgSegment(inImg) 。

扩展任务 采用均匀性度量法分割图像的函数定义行如下，编写该函数文件代码并调用函数对图像进行二值化处理：function outImg = UniformImgSegment(inImg) 。

编写函数文件代码并调用该函数对给定图像进行二值化处理。

项目7二值图像处理

要求完成基本任务(1)或(2)。

基本任务(1)给定二值图像腐蚀处理的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对二值图像连续进行数次腐蚀处理：function outImg=ImgErose (inImg, Template)，Template为运算模板。

基本任务(2)给定二值图像膨胀处理的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对二值图像连续进行数次膨胀处理：function outImg=ImgDilate (inImg, Template)。

扩展任务要求完成扩展任务(1)或(2)。

扩展任务(1)给定二值图像开运算的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对二值图像连续进行开运算处理：function outImg = ImgOpen (inImg, Template)。

扩展任务(2)给定二值图像闭运算的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对二值图像连续进行闭运算处理：function outImg=ImgClose (inImg, Template)。

项目8彩色图像处理

基本任务给定对图像进行色彩平衡处理的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数对彩色图像色彩平衡处理：function outImg = Colorbalance (inImg)。

扩展任务给定基于HIS颜色模型对彩色图像进行直方图均衡处理的函数定义行，编写该函数文件代码并调用函数增强图像：function outImg = HSIColorbalance(inImg)。

3结束语

数字图像处理课程教学面临着信息技术快速发展带来的迫切需求。本文选择Matlab语言作为实验课程编程工具，将实验项目进行分层管理，较好地适应了该课程实践性强、学生实践能力参差不齐的实际现状。近年来的教学实践结果表明，这种实验教学设计方法体现了 “厚基础、宽口径、强技能”的应用型本科人才的培养目标。

参考文献:

[1] 冈萨雷斯. 数字图像处理[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

[2] 盛羽，张青龙，陈松乔，等. 面向最终用户编程的图像处理虚拟实验平台[J]. 系统仿真学报, 2011, 23(7): 1381-1386.

[3] 车辚辚，孔英会，赵振兵. 基于Matlab/Simulink的数字图像处理实验教学研究[J]. 实验室科学, 2012, 15(3): 126-129.

[4] 何 楚，冯倩，杨 芳，等. 数字图像处理课程实验教学过程设计[J]. 计算机教育, 2011(18): 74-77.

[5] 彭晓明. 基于MATLAB的数字图像处理课程的教学实验设计[J]. 高等教育研究, 2009,26(1): 60-62.

Experimental Teaching Design for Digital Image Processing Course

JIANG Ju-lang, HUANG Zhong, JI Juan-juan

(School of physics and electrical engineering, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246133)

Abstract:The digital image processing is a course with abstract concept as well as strong practicality, and it is necessary to allocate experiment course. Matlab is used as the programming language, and combination of experimental projects is designed according to the different experimental hours. Each experimental project is carried out through hierarchical management, where the specific schemes is designed with the basic experimental tasks and extended experimental tasks. The results of teaching practice in recent years show that, the designed experimental teaching method can achieve good results.

Key words:digital image processing, experimental teaching, teaching design, hierarchical management

文章编号：1007-4260(2015)03-0114-03

中图分类号：G642

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.03.030

作者简介：江巨浪，男，安徽潜山人，博士，安庆师范学院物理与电气工程学院教授，研究方向为计算机图形学与图像处理，从事数字图像处理教学。

基金项目：安徽省高等学校省级教学研究项目(2012jyxm363)。

收稿日期：2015-01-09

网络出版时间：2015-8-25 15:40网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20150825.1540.030.html