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数字图像处理仿真实验平台的设计与实现

摘要：摘要：为系统实现《数字图像处理》课程实验的可视化交互仿真，文章提出一种基于MATLAB GUI的数字图像处理虚拟实验平台的设计方案。利用MATLAB GUI可视化开发环境设计实验交互界面，通过回调函数实现后台算法仿真功能。平台采用嵌套方式构架实验教学内容，集

　　摘要：为系统实现《数字图像处理》课程实验的可视化交互仿真，文章提出一种基于MATLAB GUI的数字图像处理虚拟实验平台的设计方案。利用MATLAB GUI可视化开发环境设计实验交互界面，通过回调函数实现后台算法仿真功能。平台采用嵌套方式构架实验教学内容，集基本原理实验和综合操作实验于一体，具有演练结合、操作方便、易于扩展等特点，有利于教师的辅助教学和学生对知识的内化理解，对学生的实践能力和创新能力培养具有帮助作用。

　　关键词：数字图像处理;虚拟仿真;实验平台;MATLAB;图形用户界面

图像处理论文

　　《数字图像处理》是高等院校电子信息类专业的核心专业课程，其所涉及的原理和相关处理技术在模式识别、智能检测与控制、信号传输等领域有着广泛的应用[1]。因此在教学过程中，不仅要求学生要熟练掌握数字图像处理的基本概念、基本原理、经典算法和处理技巧，更能够融会贯通地实现对知识的转化和运用，真正达到解决实际问题的目的。然而传统的“先理论、后实验”的二元分离教学模式，难以保证良好的教学效果。有限的学时设置也使学生无法全面、系统、深入地学习和掌握课程的基本原理和算法[2][3]。此外，缺少与教材紧扣的实验系统，更是制约了学生对数字图像处理技术的理解和应用[4]。因此，开发能够辅助教学且可满足实践需求的数字图像处理实验仿真平台，已成为教学亟待解决的关键问题。

　　一、现有数字图像处理实验平台的不足

　　目前，各高校结合自身特点和需求，尝试开发出了不同的数字图像处理实验教学平台。其中，刘书杰等利用Delphi软件结合BussinessSkinForm界面控件，开发的实验系统实现了基本的图像处理[5]。李荣根据专业特点，提出了在Java语言环境下，通过扩展Image J插件的功能来实现对图像处理的方案[6]。林雪华借助VC++软件开发了界面化的实验平台，实现对图像处理基本算法的验证实验[7]。上述三款实验平台分别以不同的编程语言为基础，开展了对数字图像处理基本原理及算法的验证性实验。实验过程中，不仅要求学生深谙图像处理的物理含义，更需具备深厚的编程基础和技巧。这对初学者而言，无疑增加了参与的难度，同时也影响了课程本身学习的兴趣。

　　为使学生有效参与实验教学，各种基于MATLAB GUI的图像演示、仿真、实验系统相继问世[8-12]。但从其内容和操作方式来看，多以交互体验式的原理感性认知为主，缺少编程实践和知识整合运用的综合性实验环节。另外在操作过程中，学生无法了解实验设置的目的、实现的过程和具体步骤，且实验结果也缺少必要的分析，这无疑降低了实验的效果，不利于学生创新实践能力的培养。为此，本文借助MATLAB的图形界面开发功能，设计了一款数字图像处理实验平台，既可实现对数字图像处理基本原理和经典算法的交互实验，也可实现以实际项目为依托的综合实验和编程实践。

　　二、实验平台设计思路

　　数字图像处理实验平台分为基本原理实验和综合操作实验两大模块。其中，基本原理实验包括图像基本处理实验、图像增强处理实验、图像分割处理实验、图像几何变换实验、图像频域处理实验和图像形态学处理实验[13]。综合操作实验包括血液细胞计数实验、车辆牌照识别实验、人脸目标跟踪实验、指纹识别实验、米粒分形检测实验。实验平台整体结构框图如图1所示。

　　根据系统结构安排，实验平台采用层次化设计思想，通过总分、嵌套方式完成实验内容的構架[14]。利用MATLAB图形界面开发环境，通过界面布局、控件添加、参数设置、回调函数编写、测试优化等步骤，实现交互界面设计。利用界面访问机制、函数调用机制和数据共享机制，完成具体实验内容操作。

　　三、实验平台设计与实现

　　实验平台以交互界面方式展现相关内容与要求，根据平台结构逻辑和实验内容安排，设计中采取主界面和子界面访问切换方式实现实验分层操作。其中，主界面为系统初始访问界面，子界面对应为各个实验操作界面。根据具体实验内容，子界面还可嵌套不同功能的下级子界面，以实现内容的细化。

　　1.主界面设计与实现

　　平台主界面设计包括起始导入界面和实验目录界面两部分[15]，其界面外观效果如图2所示。在起始导入界面中，点击“进入平台”按钮，则会跳转到实验目录界面。在实验目录界面中，点击实验名称按钮，即可进入相应的实验操作子界面，点击“退出实验”按钮，则会关闭该界面并返回上一级起始界面。

　　起始导入界面设计及按键实现界面切换访问功能的主要代码如下：

　　% 导入界面外观效果的程序设计

　　function varargout = daorujiemian_OutputFcn(hObject， eventdata， handles)

　　varargout{1} = handles.output;

　　backgroundImage=importdata('image_name.jpg');

　　axes(handles.axes1);

　　image(backgroundImage);