仿真应用于职教师资电子专业实验教学的创新实践

何伟刚　章帆　覃金飞　吴其琦

[摘 要] 為提高职教师资电子专业实验教学质量，针对实验教学方式中内容枯燥、难于理解、实验设备有限等弊端，提出了将计算机仿真技术应用于职教师资电子专业实践教学的各个环节中，并结合具体的图像信号处理实例，对受到噪声干扰的图像进行滤波去除噪音仿真实验。通过实践表明，适时运用仿真技术，既丰富了实验教学手段，使抽象的实验教学变得形象直观，又提高了职教专业学生实验教学的综合效果。

[关 键 词] 仿真技术；信号处理；实践教学；教育方式

[中图分类号] G715 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）27-0038-02

一、引言

职教师资电子专业不仅需要基础理论知识，也需要相应的电子实践经验，而且还要求利用知识解决实际问题，由于资金短缺，设备的升级比较缓慢，实验设备硬件具有局限性，而且该专业课程数学推导多、理论性强，实验计算工作量大，导致计算复杂，难以理解。

本文以职教师资电子专业图像信号处理实验课程为例，根据本课程教学过程中出现的问题，在阐述图像信号处理内容特点的基础上，与仿真模拟实践环节联系到一起，将理论教学与实践教学深度结合，采用MATLAB软件实现不同滤波法的去除噪音仿真实验。对比多种滤波方式，比较得出各种滤波方式在进行图像滤波去噪时的优势和劣势。让学生直面实验目标，并引导本科生进入实验项目中，激发学生的学习兴趣，提高学生的应用能力与科技创新能力。

二、实验原理

人们根据实际图像的特点、噪声的统计特征和频谱分布规律，发展了各式各样的去噪方法，主要有：（1）均值滤波；（2）维纳滤波；（3）高斯滤波器；（4）中值滤波；（5）自适应中值滤波。

均值滤波，其过程是使一个窗口在图像上滑动，窗口中心位置的值用窗内各点值的平均值来代替，即用几个像素的灰度平均值代替一个像素的灰度。

维纳滤波是一种经典的线性降噪滤波器，它是一种自适应滤波，是指使复原图像与原图像之间的均方误差最小的滤波器。对图像进行维纳滤波主要是为了消除图像中存在的噪声，该滤波器可根据局部图像的差异调整该滤波器的参数。

高斯滤波器是响应脉冲为高斯形状的滤波器，对于图像来说，高斯滤波器是利用高斯核的一个二维的卷积算子，这个过滤器的过滤结果就是每个像素的值变成窗内邻居像素的加权和。

中值滤波是首先确定一个以某个像素为中心点的领域，一般为方形领域，然后将领域中各像素的灰度值进行排序，取中间值作为中心像素灰度的新值，这里的领域通常被称为窗口；当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法可以很好地对图像进行平滑处理。

自适应中值滤波采用变换窗口大小的方法，在中值算法中加入一个判断操作，判断窗口内的像素中值及滤波处的像点灰度是否为脉冲噪声，并分别处理。学生在学习内容的同时，可以增强理解，提高学习兴趣。

三、仿真设计

在计算机图像处理中，在理论上是一个二维连续函数，首先是在空间和亮度上进行数字化处理，如，图像的采样和量化，得到一个离散的数字图像，形成m×n个样本，简单直观地描述数字图像矩阵。而MATLAB的强项是矩阵，MATLAB软件也有不同应用领域的图像处理工具箱。工具箱具有一系列图像处理操作的支持功能，图像处理可以通过滤波器设计完成。为了验证各种滤波的有效性，在MATLAB仿真实验环境下对原始的被噪音干扰图片进行分析处理。这里选用从煤矿井下视频图像上截取的5幅有噪音图像作为移动模板。以均值滤波、维纳滤波、高斯滤波、中值滤波、自适应中值滤波算法为例，结合MATLAB图像处理工具箱的函数，可以直观地观察不同滤波法对于火电厂图像的处理效果，为图像处理工作节省时间和精力，从而提高图像处理的工作效率。

由图1可以看出，原图像噪声引起的白点多，整体灰度对比度偏差，在经过均值滤波后，噪声引起图像上的白点减少，图像对比度有所提高。但同时图像的细节锐化程度相应降低，图像变得模糊起来，如图2。

由图3可以看出，原图像噪声引起的白点多，整体灰度偏暗，在经过维纳滤波处理以后图像整体亮度有所改善，噪声引起图像上的白点减少，对比后可看出维纳滤波器能有效去噪也能保留合适的对比度，如图4。

由图5可以看出，原图像噪声引起的白点多，对比度偏差，在经过高斯滤波处理以后能在一定程度上去噪，图像上的白点减少，图像对比度提高，如图6。

由图7可以看出，原图像噪声引起的白点多，整体灰度偏暗，在经过中值滤波处理以后噪声引起图像上的白点减少，图像整体亮度有所改善，如图8。中值滤波能滤除图像中相对较小的噪声，但因为该算法的窗口尺寸一经选定，即对所有像素均采用同一模板进行处理，所以无论窗口范围内噪声点或大或小，都会导致图像模糊。当图像噪声密度较大，有很多彼此靠近的噪声点时，标准的中值滤波效果较差。

由图9可以看出，原图像噪声引起图像上的白点多，整体对比度偏差，在经过自适应中值滤波以后图像对比度提高，图像上的白点减少，如图10。

比较以上采用不同滤波器进行滤波处理的结果可知，均值滤波器的特点是计算速度快，算法简单。但其缺点是会使得图像产生一定程度的模糊。对于图像模糊的问题，教师需要选择领域的方向、现状和大小，选择领域各点的权重系数及领域参加平均的点数等。维纳滤波方法的特点是能较好保留图像的边缘部分和其他高频部分，但是计算量较大。中值滤波的特点是，实时性好、可靠性高及算法简单，可以保护图像的边缘信息，同时又除去图像中的噪声，实用价值较高。自适应中值滤波器能够处理具有更大概率的冲激噪声，平滑非冲激噪声，在有效去除噪声的基础上又较好地还原了部分图像的细节，图像相对变得清晰些，图像对比度较好，这是一般的滤波器做不到的。为使火电厂监控图像质量得到提高，对比度更好，视觉效果更好，从而达到煤矿井下监控系统对图像质量的要求，教师要根据煤矿井下监控图像受到干扰的噪音特点，结合各种滤波器使用条件来对煤矿监控图像进行处理。

四、結论

基于职业教师电子专业课程知识结构形成的学科性强、抽象、难以理解的特点。利用信号处理技术仿真图像，可以使仿真技术开发利用具有典型意义。使用计算机仿真可以活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，有很好教学效果，学生对图像信号处理的相关理论能有更深的理解，能提高学生的模拟实践能力。同时，对学生掌握各种信息的采集、处理、传输等技术，熟练使用仿真分析工具有重要意义，也使常用的图像信号处理系统的开发工具，具有较强的工程设计、开发和应用能力。

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