面向教学的可视化图像处理编程语言设计

面向教学的可视化图像处理编程语言设计郭斯羽，温和，孟志强①，滕召胜，陈燕(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)摘要：针对学生对《数字图像处理》课程内容感到抽象，对编程存在一定畏难情绪的状况，提出 利用可视化编程来提高学生对数字图像处理实践的参与程度。

为此设计了一种基于X M L的图像处 理可视化编程语言，为图像处理任务的可视化编程打下了基础。

语言定义了图像处理功能模块和程 序的结构，以包含可视化实现图像处理流程的必要信息；给出了针对该语言的翻译器的基本原理与 关键步骤，能将可视化程序翻译为m文件，从而能在M A T LA B环境中执行。

基于所设计的语言和翻 译器能够实现可视化图像处理程序设计软件，并可引入不同难度层次的图像处理编程训练，有助于 学生掌握和运用《数字图像处理》课程的相关方法和技术。

关键词：数字图像处理；可视化编程;X M L曰MATLAB中图分类号：G434 文献标志码:A文章编号院1673-8454(2017)08-0093-04一、可视化图像处理编程语言的设计目的《数字图像处理》是电子信息类专业一门重要的专 业课，因其与机器视觉具有密切关系，在我国制造业升 级的大环境下，该课程的教学更具有了重要的意义。

《数 字图像处理》实践性强，因此针对本课程的演示实验和 学生动手的课程实验，已经有许多研究者基于诸如Vi­sual C++[1]、OpenCVR3]、ImageJ[4]、DSP[胡以及 MATLAB[7-9]等不同软件和技术提出了实验教学的方案。

但从学生实 际情况来看，若仅提供操作界面，通过菜单和按钮操作 来观察图像处理方法的效果，虽然能适应多数学生的水 平，也能帮助直观了解有关方法的效果，但对方法的编 程实现训练不足；但若使用某种编程语言来进行实验，哪怕是使用OpenCV或MATLAB这类直接支持图像处 理的语言，仍会使相当部分的学生产生畏难情绪，且在 实现过程中易于陷人语言本身的细节问题，难以专注于 对特定图像处理应用的整体框架性理解。

在多年的教学过程中，学生普遍对可视化的编程工 具表现出新奇感，较少产生畏难情绪，实验的参与度普 遍较高。

除此之外，可视化编程本身的框图特性，能够直 观便捷地描述出算法的主要步骤和流程。

因此，本文设计了一种MATLAB环境下用于数字图像处理的可视化 编程语目 xGIPL(XML-based Graphical Im age Processing Language)，它将相关实现代码封装为图像处理“功能模 块”，使学生可以将注意力集中在整体算法步骤的理解 上，而不用担心语言细节。

基于该语言，可以开发面向图 像处理的可视化编程软件，其用户界面和操作类似于 Simulink，即通过图形化模块设计界面或直接书写所需 要的XML模块文件，来预先实现好所需的图像处理步 骤的功能，如图像的二值化、颜色空间转换、常用的滤波 操作、区域标记和特征提取等等，然后由用户在可视化 编程界面中通过拖放、删除、连接模块以及图形化的设 置模块参数等操作，实现完整的图像处理任务的编程，之后可视化编程软件将负责分析和解释所实现的图形 化程序，将其翻译为MATLAB m文件函数，并自动在 MATLAB执行程序和返冋处理结果。

二、图像处理功能模块的设计图像处理功能模块(Image Processing Module，IPM)是具有输人和输出、完成特定图像处理步骤的基本编程 单元。

在可视化编程界面中，每个IPM就是一个可独立 增减、拖拽并能够与程序的其他部分通过连线相连接的①孟志强为本文通讯作者*基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目“面向M O O C的《数字图像处理》可视化编程远程实验系统研究”(521293198);湖南大学教学改革研究项目‘‘面向M O O C的《科学与工程计算方法及应用》远程实验系统研究”（521202085);教育部卓越工程师计划项目：湖南大学测控技术与仪器（教高[2()11]1号）曰全国专业改革综合试点项目：湖南大学测控技术与仪器专业综合改革(教高司函[2()11]226号）。

实体。

IPM 的定义由IPM 文件给出。

我们用XML 语言来 定义模块，因为XML 语言本身具有灵活性和易渎性，能 够自由地定义所需的内容;XM L 的编辑很方便，通过普 通的文本编辑器即可进行；此外在很多开发环境中，都 有现成的XML 解析器可用，从而大大方便了 IPM 和可 视化图像处理程序的翻译过程。

1.IPM 的具体设计每个IPM 的XML 结构中包含一个名为“ipmod ”的 根节点，其下包含如下子节点:①mod _name 节点。

给出 了每个IPM 在模块库中的全局唯一的标识，且与IPM 的XML 文件名相同；②mod _help 节点。

提供了本IPM 的帮助信息，可在可视化编程界面中为用户提供模块的 用法;③glyph 节点。

用于指定一个图片文件路径，以便 在可视化编程界面中提供更加直观和美观的模块外观; ④parent _group 节点。

用于以树状结构组织和管理众多 IPM 构成的模块库;⑤port _pos 节点。

用于指定可视化界 面中IPM 的输人输出端口出现的位置。

port _pos 又包含 两个子节点:inport _pos 节点和outport _pos 节点，分别指 定了输人端口和输出端口的位置；⑥inputs 节点和out ­puts 节点。

分别用于定义与 IPM 的输人和输出有关的信 息。

在inputs 节点和outputs 节点之下，又分别可包含一 个或多个inport 节点和outport 节点，它们具体定义了每 个输人端口和输出端口，其结构稍后介绍。

inputs 节点和 outputs 节点为可选节点，即一个IPM 可以没有输人(没 有inputs 节点)或没有输出（没有outputs 节点），但不能 两者均无;⑦implement 节点。

给出了实现本IPM 的处理 功能的MATLAB 代码。

inputs 节点下的inport 节点及outputs 节点下的 outport 节点定义了 IPM 的各输人、输出端口，相当于 IPM 的输人和输出参数。

inport 节点和outport 节点均包含如下子节点：(1 )port_name 节点。

给出了该端口在IPM 内的唯一 名称，并且在IP M 的implement 代码中通过“％ port _name ”的方式加以引用。

(2) port _help 节点。

给出了该端口的帮助性文本。

此外，inport 节点还包含：(3)可选的value _range 节点。

当一个inport 节点包含value _range 节点时，表示该端口的取值有一定的范 围限制，因此在可视化界面中可以采用适当的方式(如 滚动条或下拉菜单等)更方便地加以设定。

输人端口的 取值范围又可采用如下三种形式之一：①整数取值范 围。

用value _range 节点下的int _range 子节点表示，而 int _range 下又含一■个max 子节点和一■个min 子节点，分别给出可选的整数值的上下限；②实数取值范围。

用 real _range 子节点表示，其下同样包含一个max 和一个 min 子节点来给出上下限；③类别型取值范围。

用 cat _set 字节点表示，其下包含若干cat 子节点，每个cat 子节点的值一般为一个MATLAB 字符串。

(4)可选的default 节点。

表明当该输人端口未与其 他模块的输出端口相连，也没有通过用户编辑来设置一 个值时，该端口的缺省取值。

若存在default 节点，则表 明该输人是可选参数，否则输人是必选参数，必须由用 户通过上述两种方式之一为其提供所需的值。

2.IP M 示例下面以一■个示例性的ReadImage IPM 的XML 文件 来说明所定义的结构。

ReadImage 模块定义的代码如下， 为简洁起见，其中略去了 mod _help 、glyph 、port _pos 、par - ent _group 和port _help 等非核心节点:<ipmod ><mod _name >ReadImage </mod _name ><inputs ><inport ><port _name >Path </port _name ></inport ><inport ><port _name >Format </port _name ><value _range ><cat _set ><cat >'Auto -determined '</cat ><cat >'bmp '</cat ><cat >'jpeg '</cat ></cat _set ></value _range ><default >'Auto -determined '</default ></inport ></inputs ><outputs ><outport ><port _name>ImageData </port _name ></outport ></outputs ><implement >if strcmp (%Format , 'Auto -determined ')%ImageData = imread (%Path );else%ImageData = imread (%Path , %Format );end</implement ></ipmod >由上述代码可见，ReadImage 模块包含两个输人端 口—Path 端口和Format 端口。

Path 端口用于指定待渎取的图像文件的路径，是必选端口，需要用户在可视 化编程的模块编辑界面中输人或通过其他模块传人；Format端口用于指定图像文件的格式，具有类别型的取值范围，指出了模块支持的图像文件格式，而缺省值为 “Auto-determined”，即模块根据文件后缀名自动确定图像文件格式。

输出端口只有一个，即ImageData端口，是所渎取到的图像数据矩阵。

在implement节点中可以看到模块功能的实现代码。