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利用MATLAB构建器进行计算机图像处理的网络实验室

摘要：计算机图像处理是需要各种不同仪器的。这些仪器用于图像恢复、图像分析等等。本文提出了一种基于MATLAB构建器与网络图的网络实验室，所谓的imageweb，就是便于计算机图像处理而不需要提供用户的信息。已经发展好了的比较完善的imageweb，提供图像处理的基本原则包括基本、压缩、边缘检测、滤波，优化和直方图处理等。此外，使用MATLAB构建器和MATLAB网络图为高灵活性与可视化手段例如缩放、旋转、三维视图。用户可以很容易地仅使用一个Web浏览器访问imageweb，而不需要任何特殊的程序，并且在互联网上没有时间和位置的限制。

关键词：网络实验室、计算机图形处理、MATLAB构建器、MATLAB网络图

1、介绍

如今，考虑到数字图像的广泛应用、计算机图像的重要性和受欢迎程度，其处理增加了数字图像的操作和重排。为此，计算机图像处理需要许多dierent仪器的使用，比如旋转、调整大小、裁剪、变焦、边缘检测、压缩、ltering直方图处理和优化。计算机图像处理工具现在使用这些仪器没有任何技术信息和背景的要求。然而,计算机图像处理用于许多应用领域，例如：医学,教育,工程,等等。在这些领域，计算机图像处理都有很广阔的应用，医学上，计算机图像处理技术在医学成像方面应用广泛，比如，CT、B超、数字X光、X射线。相应的计算机技术可以对这些医学成像进行系统的处理，进而提高临床的诊断水平。因此,计算机图像处理工具在协助对数字的理解图像处理技术方面发挥非常重要的作用。学术和商业，有很多工作在文学上都和计算机图像处理工具相关。教学^[1]图像处理技术开发了一个基于windows的工具，这个工具需要额外的下载和安装。计算机图像CVIPtools,一个教育网站处理,提出了^[2]在线科学教育的图像分析工具开发^[3]。基于网络的教育工具是一个简单和快速的解决方案培训和学习。另一个用于在线图像处理的网站被提出^[4]。这个网站包括一些基本的图像处理工具,例如立体视觉、分割、特征线,材质和渐变颜色分色和直方图操作,给用户在他们自己的图像上做实验。此外,基于java的网络实验室图像和信号处理设计^[5]，Mahmoudi等人结合JavaScript和AJAX技术^[6]设计了一个基于网络的交互式的2 d / 3 d医学图像处理软件。在网上很受欢迎的图像处理工具之一是Pixlr工具。这个工具为用户提供了多功能在网上去操纵他们的特殊图片，例如Photoshop。Pixlr工具是一个商业工具，它的目的不是教育，不同于这项工作^[7]。

另一个在线商业工具是在线图像大小(OIR)。用户可以使用OIR^[8]去调整和修剪图像,应用Text-Over-Image或者基本工具等等,例如灰度或深褐色。讨论进一步toolsis的可能,像那些在^[9、10];然而,他们只属于renement形象,而不是教育。

另一方面，MATLAB构建器是那些想从网和MATLAB平台一起受益的程序员的一个新工具。这有一个非常简单和便捷灵活的用法，它提供了使用MATLAB的高级分析和可视化功能在网络应用程序方面。更特别地是，在基于Web的图形演示方面，MATLAB网络图作为MATLAB构建器的一部分是非常有用的。出于这个原因,MATLAB构建器和MATLAB网络图可以应用于多种领域。例如,Kacar等人使用MATLAB构建器和MATLAB网络图去删除需要监测无线传感器网络^[11],和Bayilmis^[12]在一个基于网络的教育对数字通信接口使用它们。此外,该工具对基于web的生物医学应用程序^[13、14]是有用的。在另一个工作,基于windows网上申请系统分析通过MATLAB构建器^[15]得以实现。

在这篇文章里，一个名叫ImageWeb的图像处理的网络实验室是以设计一个基于ASP网络平台使用MATLAB构建器和MATLAB网络图的web界面或网点为目的。不同于其他基于web的图像处理工具,在本文中陈述的ImageWeb,允许使用的分析和MATLAB平台的图形功能对用户没有任何授权付款。ImageWeb比其他工具有更实际、灵活和动态的结构，因为网络技术是用于ImageWeb的设计。在第二节中，网络实验室的特点被提出；在第三节中，工作的理论基础被描述；在第四节中，Web界面设计的方法被展示；在第五节中，网络实验室的优缺点被提及。

2、网络实验室的特点

为了方便计算机图像处理的学习和教学，一个网络实验室应该有几个特点，比如使用免费软件,不需要额外的安装程序,用户友好,不需要编程技能和技术信息,等等。实验室是科技创新体系的主要组成部分，是组织高水平科学技术研究的基地，也是开展国内外科技合作交流的窗口。而这种虚拟的网络实验室也必须具有基本的结构功能，能够方便用户学习使用各种图像处理工具和编程技能。此外,用户可以使用它没有时间和地点的限制。然而,一个图像处理工具必须呈现基本仪器和特点包括基本流程(旋转,调整等),过滤和直方图和压缩过程。一个完善的ImageWeb是具有以上所提到的特点的。图1显示了一个完善的ImageWeb的基本菜单及其子过程。

3、ImageWeb的计算基础

3.1、基本过程

从根本上讲，数字图像可以显示为一个矩阵。因此，所有图像的过程都是矩阵的过程。最受欢迎的基本过程是放大和缩小,它们分别与采样和量化发生联系。放大由两部分组成:创建一个新的像素地图和新映射像素灰度值的分配。收缩过程也是以类似的方式完成的。在收缩过程中,实现row-column删除是为创建的新像素地图,不同于放大。另一个图像处理的基本过程是旋转。一个共同的定义可以变换如下:

(1)

(x˙ , y˙)被映射成( x, y)，a0 , a1 , a2 , b0 , b1 , b2都是实值系数。这个定义也可以显示在矩阵形式里。

(2)

图1 成熟的ImageWeb的特点

3.2、图像压缩

图像压缩是减少大小的图形文件,同时保持质量。这个过程允许更多的图片的存储在内存中,也减少了在互联网上分享时间。

在图像压缩过程中，数据冗余是一个至关重要的问题。在数学形式上定义它，例如，n1和n2表示在两个集合里传送信息单元的数量。这些集合也有相同的信息。所以，这个被称作第一个数据集合的相对数据冗余:

(3)

为压缩比率，

(4)

在这儿，如果等于0，那么第一个信息的表示没有任何冗余数据^[16]。图像数据之所以能被压缩，就是因为数据中存在着冗余。图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。

基本上，图像压缩可以有两种方法：无损数据压缩和有损数据压缩，例如分别对应RAR-PNG和JPEG，无损压缩使得从压缩图像中提取出精确的原始图像成为可能。图像压缩是指以较少的比特有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术，也称图像编码。当压缩图像和原始图像相同这件事变得很重要时，无损压缩就非常有用了。和无损压缩相反，有损压缩中，压缩图像可能与原始图像不同，但是它们大部分是相同的。下图2给出了一个基本的图像压缩过程。

图2 图像编码系统的基本框图^[17]

3.3、过滤过程

图像增强的基本方法可分为两大类：空间域方法和频域方法。在空间域中，这个图像增强处理过程是基于像素图像的直接操作。特殊地，在频域中，它是基于修改图像的傅里叶变换来实现的。图像增强处理用法最受欢迎的地方是过滤过程，例如边缘检测、平滑化、锐化。过滤过程能够给模糊噪声图像进行去噪等等。

正如前面所述，在空间域中，图像像素被过滤面罩所操控。这可以通过以下表达式被定义为一个维度的图像：

(5)

，，m和n是过滤器的尺寸。这个表达式叫做卷积；所以这个模板叫做卷积模板。如果两个在x和y方向上的模板被用作寻找一个对象在图像上的边缘，那么它叫做Sobel边缘检测。对这些过程的理解，特别是在数学背景下，对于新学习图像处理的学生来说是很困难的。梯度的函数被定义为：

(6)

它的大小为：

(7)

为了简化这个等式，它可以被写作下式：

(8)

和空间域相反的是，频域作用在图像的傅里叶变换上。频域滤波的基本步骤框图如图3所示。

图3 频域滤波基本步骤

一般图像的傅里叶变换表达式如下：

(9)

图像傅里叶变换的高频部分赋予边缘以及一些重要变化例如图像噪声。因此，高频滤波器必须用来寻找图像的边缘部分。在频域中基本滤波的定义如下：

(10)

其中，G和H分别代表的是滤波后的图像和滤波图像函数。

3.4、柱状图流程

一个图像的柱状图表示的是图像的频率成分^[18]。另一方面，一个灰度级图像的柱状图提供的是图像的灰度阶层的分布。一个图像灰度级的柱状图可以用以下表达式表示：

(11)

其中，是灰度值像素的数量，是图像像素的总量。

常用的柱状图流程是直方图匹配和直方图均衡化。直方图均衡化试图增强图像的外观。它可以用公式描述如下:

(12)

其中，和分别是像素级的总量和灰度值的像素数量。

(13)

在这儿，是的积累分布函数。

4、ImageWeb的设计陈述

网络实验室的图像处理课程(ImageWeb)被设计为一个web界面/在线工具在ASP.Net作为一个实际的技术平台。此外，在ImageWeb上提供了一个用户友好的结构和具有高能见度。在ImageWeb的后台，MATLAB代码为图像处理工作。MATLAB和ASP.Net之间的联系是由MATLAB构建器和MATLAB Web Figure Control提供的。MATLAB构建器是一个展开MATLAB代码并用CLS-compliant语言去使用它们的工具，MATLAB Web Figure Control是它的一部分，作用是为了在网页使用MATLAB数据^[19]。一个有MATLAB构建器和MATLAB Web Figure 的ASP.Net应用程序MATLAB函数首先应该被创建然后再用MATLAB构建器进行编译。它们下面就会成为.Net的网络组件，设计师们在.Net应用程序中会用到。这个Web接口就已经用这种方法生成。对于所有的图像处理技术，一个适合于使用MATLAB Web Figure的MATLAB函数已经生成，所有的函数都能在ASP.Net上使用展开。

访问ImageWeb，用户必须有一个ID和密码并且正确地输入，如图4所示。正因为这样设计所以只有这个课程的学生才能使用这个网络界面。

图4 成熟的ImageWeb登录界面

登陆后，用户进入ImageWeb，他们可以从菜单中选择执行流程。当一个菜单被选择，子流程出现在左边的网络界面,用户应该选择其中的一个。选择后，对于所有的流程，图像都必须被上传然后去处理。上传的图像被作为原始图像来显示。下一步，执行被选择的流程。例如，其剪裁流程如图5所示。

图5 ImageWeb上基本流程下的剪裁流程

当鼠标停留在它们上面时，可以看到四个图标存在于图像的顶部。图标是用来提供使用MATLAB网络图的一些功能的。左边的第一个图标是变焦，第二个图标是移动，第三个图标是3D旋转，最后一个图标是使图像返回到于是图像的尺寸大小。

在下图6中，使用Sobel滤波器的边缘检测

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