數(shù)字圖像處理理論教學(xué)中應(yīng)用ImageJ軟件進(jìn)行演示,計(jì)算機(jī)教學(xué)論文

數(shù)字圖像處理理論教學(xué)中應(yīng)用ImageJ軟件進(jìn)行演示,計(jì)算機(jī)教學(xué)論文數(shù)字圖像處理是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、加強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的經(jīng)過(guò)、理論方式方法和技術(shù)以及以之為研究對(duì)象的一門學(xué)科。自從20世紀(jì)60年代以來(lái)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代開(kāi)場(chǎng)我們國(guó)家部分高校開(kāi)場(chǎng)設(shè)置數(shù)字圖像處理課程，數(shù)字圖像處理已經(jīng)成為當(dāng)前高校信息類專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的一門課程。數(shù)字圖像處理課程要求學(xué)生具備較深的數(shù)學(xué)功底和數(shù)字信號(hào)處理方面的先修知識(shí)。而現(xiàn)實(shí)的教學(xué)情況是學(xué)生的數(shù)學(xué)功底普遍薄弱，學(xué)生面對(duì)抽象的數(shù)學(xué)公式具有嚴(yán)重的畏難情緒，老師難以激發(fā)并保持學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。針對(duì)這些現(xiàn)實(shí)的教學(xué)情況，一些老師已進(jìn)行了各種有益的探尋求索。本文立足于教學(xué)演示環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所使用的軟件進(jìn)行探尋求索，如今介紹如下。一、數(shù)字圖像處理課程教學(xué)所選用軟件的現(xiàn)在狀況分析數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的教學(xué)效果與課程所選用的教學(xué)資料和教學(xué)軟件密切相關(guān)，選擇適宜的教學(xué)資料和軟件與教學(xué)效果密不可分。當(dāng)前我們國(guó)家高校在數(shù)字圖像處理課程中所用的常用軟件可分為Matlab和VisualC++兩類。Matlab〔MatrixLaboratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室〕是美國(guó)MathWorks公司推出的一款商業(yè)軟件，它集矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、信號(hào)處理和圖形顯示等強(qiáng)大功能于一體，擁有界面簡(jiǎn)潔、友好的用戶環(huán)境。如今的Matlab已經(jīng)不僅僅僅是一個(gè)矩陣實(shí)驗(yàn)室，Matlab已經(jīng)成為國(guó)際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件，廣泛地應(yīng)用于高校和研究機(jī)構(gòu)。Matlab軟件提供了圖像處理工具箱，研究人員能夠在這里基礎(chǔ)上便捷、快速地進(jìn)行圖像處理算法原型的設(shè)計(jì)。使用Matlab軟件作為圖像處理課程教學(xué)軟件的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，Matlab軟件提供豐富的現(xiàn)成圖像處理函數(shù)供用戶調(diào)用，節(jié)省了用戶開(kāi)發(fā)底層函數(shù)的時(shí)間，提高了用戶的開(kāi)發(fā)效率。第二，當(dāng)前世界上100多個(gè)國(guó)家超過(guò)一百萬(wàn)工程師和科學(xué)家在使用Matlab軟件，軟件配套的學(xué)習(xí)資源豐富。使用Matlab軟件作為圖像處理課程教學(xué)軟件的缺點(diǎn)在于：第一，Matlab軟件的版權(quán)問(wèn)題。Matlab軟件的功能強(qiáng)大，但是其軟件的售價(jià)非常昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們國(guó)家當(dāng)前的高校的支付能力。除了Matlab軟件本身售價(jià)昂貴以外，Matlab配套的各種工具箱也是價(jià)格不菲。而就當(dāng)前我們國(guó)家高校的實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況顯然無(wú)法解決該軟件的版權(quán)問(wèn)題。選擇Matlab作為教學(xué)軟件往往也就意味著使用的是盜版軟件。這一點(diǎn)與高校的教育精神和國(guó)際版權(quán)保衛(wèi)精神相違犯。第二，Matlab軟件的運(yùn)行速度與其他軟件相比擬慢。在一些對(duì)軟件運(yùn)行速度有要求的場(chǎng)合，使用Matlab軟件就顯得力不從心。在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中常用的另一種軟件是VisualC++。使用VisualC++軟件作為圖像處理課程教學(xué)軟件的缺點(diǎn)在于：第一，VisualC++的版權(quán)問(wèn)題同樣無(wú)法解決。第二，與Matlab軟件相比，使用VisualC++軟件平臺(tái)上沒(méi)有像Matlab環(huán)境下有豐富的和成熟的圖像處理庫(kù)函數(shù)以供調(diào)用，所有的底層函數(shù)都要開(kāi)發(fā)者自個(gè)編寫，這勢(shì)必影響用戶的開(kāi)發(fā)效率。而使用VisualC++軟件的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得速度的提升。從上面分析能夠看出當(dāng)前我們國(guó)家數(shù)字圖像處理課程使用的教學(xué)軟件Matlab和VisualC++都有較多缺乏之處，而引入ImageJ軟件能夠較好的解決這些問(wèn)題。二、ImageJ軟件概述ImageJ是一個(gè)功能強(qiáng)大的、可擴(kuò)展編程的開(kāi)源圖像軟件系統(tǒng)，該軟件最初是由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院〔NIH〕的WayneRasband完全用Java語(yǔ)言所寫成。ImageJ最初只是希望作為NIH-Image軟件的替代品，未曾料想ImageJ軟件會(huì)被諸多學(xué)科越來(lái)越多的人使用，尤其是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人士。當(dāng)前ImageJ在全球范圍內(nèi)被很多實(shí)驗(yàn)室用于正式的研究和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。ImageJ遭到諸多專業(yè)人士的喜歡與ImageJ軟件本身的諸多優(yōu)點(diǎn)不無(wú)關(guān)系：一是采用一系列菜單驅(qū)動(dòng)的交互式操作方式，用于開(kāi)創(chuàng)建立、顯示、編輯、處理、分析圖像。軟件支持常見(jiàn)的各種圖像格式。當(dāng)前該軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物等學(xué)科領(lǐng)域。二是完全免費(fèi)，并且完全公開(kāi)源代碼，任何人都能夠自由下載合法地將其安裝使用。三是軟件完全用Java語(yǔ)言寫成。所以ImageJ繼承了Java語(yǔ)言良好跨平臺(tái)性，能夠廣泛地運(yùn)行于Windows、MacOS和Linux等各種操作系統(tǒng)。四是軟件小巧精悍，安裝包僅有幾十M，不像Matlab軟件動(dòng)輒上G的安裝包。五是ImageJ的設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)放式的軟件構(gòu)架，ImageJ的核心功能能夠通過(guò)簡(jiǎn)單插件機(jī)制擴(kuò)大，即允許用戶以簡(jiǎn)單插件的形式向ImageJ添加自個(gè)需要的而系統(tǒng)沒(méi)有提供的功能。這一特點(diǎn)是使ImageJ軟件功能強(qiáng)大、日益流行的一個(gè)主要原因，ImageJ的主頁(yè)上提供了全球各地的研究者義務(wù)提供的內(nèi)容豐富的ImageJ插件和插件源碼供用戶下載研究使用。ImageJ中內(nèi)置了一個(gè)編寫插件的Java編輯器，并且ImageJ自帶編譯環(huán)境，所以ImageJ插件的編輯編譯都能夠在ImageJ軟件中完成。在ImageJ中開(kāi)發(fā)插件不需要高深的Java編程經(jīng)歷體驗(yàn)，只需要基本的Java基本知識(shí)即可。六是ImageJ占用內(nèi)存空間小，運(yùn)行速度快。七是Java語(yǔ)言中已經(jīng)有相應(yīng)的圖形界面庫(kù)，不需要用戶再來(lái)親身編寫圖形界面，進(jìn)而把注意力放在圖像處理算法上。八是ImageJ主頁(yè)上還提供了常見(jiàn)的數(shù)字圖像處理的測(cè)試圖像的下載。三、ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用ImageJ具有上述的優(yōu)點(diǎn)決定了ImageJ是一個(gè)進(jìn)行數(shù)字圖像處理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的理想平臺(tái)，尤其是適用于當(dāng)下的中國(guó)高校。筆者之所以選擇ImageJ軟件作為數(shù)字圖像處理課程中配套的教學(xué)軟件。除了ImageJ軟件本身所具有的上述優(yōu)點(diǎn)以外還考慮到當(dāng)前學(xué)生的課程設(shè)置和學(xué)習(xí)的實(shí)際情況，數(shù)字圖像處理課程作為大三下學(xué)期開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)課程。學(xué)生在上課之前已經(jīng)先修過(guò)Java程序設(shè)計(jì)這門課程，具備了基本的Java語(yǔ)言編程經(jīng)歷體驗(yàn)，進(jìn)而掃清了數(shù)字圖像處理課程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)新的編程語(yǔ)言的障礙。假如選擇Matlab軟件作為教學(xué)語(yǔ)言，學(xué)生則必須專門抽出大量時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)和熟悉Matlab語(yǔ)言的語(yǔ)法和基本編程構(gòu)造，這樣做勢(shì)必會(huì)擠壓本已緊張的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)時(shí)間，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。1.ImageJ軟件在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用ImageJ軟件本身提供了一系列現(xiàn)成的命令，完成常見(jiàn)圖像的顯示和操作處理。同時(shí)ImageJ軟件還允許用戶以簡(jiǎn)單插件的形式來(lái)擴(kuò)大ImageJ的核心功能，這也就是ImageJ軟件的可擴(kuò)展性。筆者在數(shù)字圖像處理課程理論教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用ImageJ軟件，主要是利用ImageJ軟件本身提供的一系列現(xiàn)成的命令來(lái)演示算法的處理結(jié)果。筆者上課選用的教學(xué)資料是高等教育出版社出版的清華大學(xué)章毓晉教授編寫的(圖像處理和分析基礎(chǔ)〕〔第二版〕。在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)經(jīng)過(guò)中，筆者在理論教學(xué)環(huán)節(jié)介紹了理論部分的公式之后，使用ImageJ的基本處理功能來(lái)演示算法效果。比方教學(xué)資料第二章第一節(jié)的內(nèi)容是圖像變換技術(shù)傅里葉變換。筆者介紹了傅里葉變換的詳細(xì)公式之后，就讓學(xué)生自個(gè)動(dòng)手選擇圖像來(lái)觀察圖像的傅里葉變換是個(gè)什么樣的結(jié)果，并觀察傅里葉頻譜顯示結(jié)果。啟發(fā)學(xué)生考慮自個(gè)的處理顯示結(jié)果與教學(xué)資料上的結(jié)果有什么異同？為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果？是教學(xué)資料錯(cuò)誤還是ImageJ軟件變換的結(jié)果錯(cuò)誤？在學(xué)生經(jīng)過(guò)考慮之后，告訴學(xué)生教學(xué)資料上的顯示結(jié)果是經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換處理過(guò)的顯示結(jié)果，而他們所得到的結(jié)果是沒(méi)有經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換處理的結(jié)果。用ImageJ軟件同時(shí)顯示未經(jīng)對(duì)數(shù)變換和經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換的結(jié)果讓學(xué)生進(jìn)行觀察比照。通過(guò)這一系列提問(wèn)和解釋，學(xué)生明顯加深了對(duì)圖像傅里葉變換的理解和記憶。2.ImageJ軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是數(shù)字圖像處理課程必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。筆者在教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中使用ImageJ軟件主要是由于ImageJ軟件允許用戶以簡(jiǎn)單插件的形式來(lái)擴(kuò)大ImageJ的核心功能。筆者指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)編寫插件的形式將理論教學(xué)環(huán)節(jié)中所學(xué)習(xí)到的抽象難懂的算法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這樣的實(shí)際編碼經(jīng)過(guò)來(lái)加深對(duì)圖像處理算法理論的理解，尤其是那些抽象的算法，進(jìn)而真正把握這些抽象算法，具體表現(xiàn)出了從做中學(xué)的學(xué)習(xí)理念。ImageJ軟件能夠通過(guò)兩種方式方法擴(kuò)展：使用ImageJ軟件自帶的Macro語(yǔ)言的形式和簡(jiǎn)單ImageJ插件的形式。第二種方式的功能更為強(qiáng)大，所以筆者選擇的是第二種方式來(lái)編寫ImageJ軟件插件的形式。下面就一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)講解ImageJ中插件的編寫，該例子完成的功能是對(duì)一個(gè)8位灰度圖像進(jìn)行求反操作。即教學(xué)資料第三章圖像加強(qiáng)這一章第一節(jié)中所講算法的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)。【1】將這段代碼寫入到一個(gè)Java類文件中，放在ImageJ目錄下插件目錄中就能夠用ImageJ菜單項(xiàng)中的編譯運(yùn)行命令完成插件的編譯，實(shí)現(xiàn)對(duì)灰度圖像求反操作。由此例能夠看出ImageJ的插件其實(shí)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的Java類，較容易實(shí)現(xiàn)，尤其合適數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。四、結(jié)論ImageJ是國(guó)外生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域一款常用的數(shù)字圖像處理軟件，其強(qiáng)大的功能、良好的設(shè)計(jì)架構(gòu)和可擴(kuò)展性，其完全能夠作為一個(gè)進(jìn)行數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的教學(xué)平臺(tái)。本文從我們國(guó)家高校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的實(shí)際情況出發(fā)，分析了ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中應(yīng)用的可行性和必要性。教學(xué)實(shí)踐表示清楚，ImageJ與其他軟件相比更合適作為數(shù)字圖像處理課程教學(xué)主要的教學(xué)軟件。當(dāng)前面臨的問(wèn)題是采用ImageJ軟件作為數(shù)字圖像處理課程的高校較少，相應(yīng)的教學(xué)素材不夠豐富，還需要進(jìn)一步在教學(xué)