“數(shù)字圖像處理”理論與實(shí)踐相結(jié)合的教材建設(shè)

摘要：針對“數(shù)字圖像處理”技術(shù)課程理論與實(shí)踐密切相關(guān)的要求，“數(shù)字圖像處理”課程需要加強(qiáng)實(shí)踐的教學(xué)環(huán)節(jié)。在課堂教學(xué)上，教師應(yīng)提供實(shí)踐模仿環(huán)節(jié)，因此這對教材提出了新的要求。本文探討了“數(shù)字圖像處理”課程理論與實(shí)踐相結(jié)合的教材建設(shè)思路，為進(jìn)一步改善課程效果，提高學(xué)生的實(shí)踐能力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：圖像處理；教學(xué)方法；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 “數(shù)字圖像處理”課程教材改革的分析

“數(shù)字圖像處理”是一門講授如何用計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行處理的學(xué)科，本課程主要講解數(shù)字圖像處理和分析的基本原理和方法，并且強(qiáng)調(diào)編程實(shí)踐和建立圖像處理應(yīng)用系統(tǒng)的方法。教學(xué)的基本要求是：了解數(shù)字圖像處理的基本概念；了解圖像處理技術(shù)相關(guān)科學(xué)和領(lǐng)域的情況及圖像處理和分析的組成系統(tǒng)和模塊；掌握利用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行圖像處理的基本編程方法。

“數(shù)字圖像處理”課程起點(diǎn)高、難度大，理論性很強(qiáng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，普遍感到概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。為了讓學(xué)生既能夠掌握基本理論，又能鍛煉其動(dòng)手能力，我們亟需擁有理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的“數(shù)字圖像處理”教材。20世紀(jì)90年代，“數(shù)字圖像處理”應(yīng)用教材以理論介紹為主，高校大多采用翻譯的國外教材進(jìn)行純理論教學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，翻譯教材內(nèi)容苦澀難懂，理論與實(shí)際相脫節(jié)，與圖像處理技術(shù)快速發(fā)展的矛盾更加突出，因而“數(shù)字圖像處理技術(shù)”課程的教材處于不斷完善與發(fā)展的階段，雖然該課程內(nèi)容的教學(xué)用書已越來越多，但總體形式上還存在以下二個(gè)缺點(diǎn)：

一是大部分教材偏于理論，少于實(shí)踐方法的介紹。能做到理論與實(shí)踐相結(jié)合的圖書很少，學(xué)習(xí)者往往會(huì)被苦澀難懂的理論迷惑，不利于建立對圖像處理整個(gè)概念的認(rèn)識。

二是適合課堂系統(tǒng)教學(xué)的教材少，能貼近課堂教學(xué)，結(jié)合學(xué)生專業(yè)特色及圖像處理技巧的圖書偏少。一些比較好的教學(xué)用書價(jià)格偏貴，限制了教師的選擇。

從目前來看，國內(nèi)出版業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到此類課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐的聯(lián)系與區(qū)別，例如2006年初提出的國家“十一五”高等院校應(yīng)用型規(guī)劃教材的建設(shè)，即是針對一些理論與實(shí)踐相結(jié)合的專業(yè)課程進(jìn)行的專項(xiàng)教材改革。而對教師來講，應(yīng)該把握課程教學(xué)的實(shí)際需要，發(fā)揮熟悉實(shí)際教學(xué)過程的優(yōu)勢，成為課程優(yōu)質(zhì)教材建設(shè)的主導(dǎo)者和推動(dòng)者。

2 “數(shù)字圖像處理”課程教材建設(shè)的思路

“數(shù)字圖像處理”理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，學(xué)生要通過理論學(xué)習(xí)，掌握圖像處理必要的方法，再進(jìn)一步通過實(shí)踐編程操作，通過眼、手、腦、心并用發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而培養(yǎng)出自身的實(shí)踐動(dòng)手能力。這就要求我們應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐的教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)可以分為：課堂模仿、綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次。課堂模仿是對基本編程方法的掌握，它是實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，模仿階段需要教師提供編程框架，編程思路，基本的處理方法，提供樣例；綜合實(shí)驗(yàn)是對一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的小結(jié)性練習(xí)；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是整個(gè)學(xué)期結(jié)束前進(jìn)行的內(nèi)容，它是包含整門課程的基礎(chǔ)知識和編程技巧的一個(gè)大作業(yè)，其中有很大一部分空間是讓學(xué)生自我發(fā)揮的，這是對學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決問題能力的一個(gè)考查。教師將根據(jù)學(xué)生完成作業(yè)的復(fù)雜程度來評定成績。

“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)不能脫離計(jì)算機(jī)，僅僅紙上談兵是不夠的。課堂上不能只介紹理論，使學(xué)生理論與實(shí)際相脫離，課下或在實(shí)踐中無從下手。同時(shí)，課堂上也不能花大量的時(shí)間講解復(fù)雜程序框架下的實(shí)現(xiàn)代碼。這就要求教師在課堂上既要闡述理論的來由和作用，又要提供基于理論的處理方法，即提供模仿案例，熏陶學(xué)生處理的思路和編程的技巧。

2.1注重理論與實(shí)踐相結(jié)合

在“數(shù)學(xué)圖像處理”課程的教學(xué)過程中，需要將圖像處理算法產(chǎn)生的作用、過程進(jìn)行闡述，更需要對算法的作用進(jìn)行驗(yàn)證，加強(qiáng)學(xué)生對理論的認(rèn)識和科學(xué)思維能力。從而將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合起來，使學(xué)生認(rèn)識更加具體、生動(dòng)，印象深刻，牢固掌握所學(xué)知識。

為力戒“教師滿堂灌，學(xué)生記筆記”的教學(xué)模式，使學(xué)生拋棄“上課記筆記，考試考筆記，考完扔筆記”的學(xué)習(xí)習(xí)慣，遵循有利于發(fā)揮“學(xué)生是教育主體”、有利于學(xué)生“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”、有利于學(xué)生創(chuàng)新能力和素質(zhì)的培養(yǎng)、有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和促進(jìn)學(xué)生個(gè)性的發(fā)展、有利于師生彼此促進(jìn)共同進(jìn)步的原則，針對數(shù)字圖像處理學(xué)科的特點(diǎn)，我們在教材編寫上采取了以下改革措施：

第一，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)，貫徹“少而精”原則。數(shù)字圖像處理內(nèi)容豐富，應(yīng)用廣，我們一方面注重基礎(chǔ)理論教學(xué)，另一方面注意精選講授內(nèi)容，貫徹“少而精”原則，突出重點(diǎn)，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)有最大的收獲。我們將各章由淺入深，由表及里，逐漸加深教學(xué)內(nèi)容。

第二，在教材編寫上突出理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，對于每一個(gè)理論介紹，力求先講授內(nèi)容，再介紹理論實(shí)現(xiàn)的方法和步驟，進(jìn)一步介紹理論實(shí)現(xiàn)的代碼，精心選取具有說服力的圖像，或自己動(dòng)手制作圖品。通過運(yùn)行代碼，立即可見講授內(nèi)容的效果，使學(xué)生既學(xué)習(xí)了基本理論，又見到理論的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)效果，加深學(xué)生對理論的理解，激發(fā)學(xué)生的興趣，而且在理論素養(yǎng)和方法應(yīng)用方面都有收獲和體會(huì)。

如圖像的邊緣檢測講述中，需要先介紹一階微分，二階微分，雙向微分理論分析及其作用，同時(shí)采用可以說明的實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，如圖1所示。圖(a)代表原圖，圖(b)、(c)、(d)分別顯示縱向一次微分、橫向一次微分和雙向微分的效果，從這四幅圖非常容易理解算法的作用和效果。

第三，圍繞圖像處理課程學(xué)時(shí)少，理論難度大，綜合性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等特點(diǎn)，筆者精心開發(fā)了一套有利于教學(xué)的圖像處理理論與實(shí)踐軟件，配合教材講解。在實(shí)現(xiàn)代碼上先介紹理論的實(shí)現(xiàn)步驟，如圖2所示；再介紹核心代碼，如圖3所示，代碼按照理論的步驟編寫，力求短小精悍，全書變量統(tǒng)一。

第四，注重實(shí)踐教學(xué)效果的檢驗(yàn)。為了看到理論實(shí)踐的效果，開發(fā)軟件時(shí)，在程序框架上開發(fā)左右兩個(gè)視窗，左視窗顯示原圖，右視窗顯示處理后的效果圖，通過左右對比，學(xué)生會(huì)立刻看到處理的效果，加強(qiáng)對理論的理解，如圖4所示。

2.2注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)

在教學(xué)過程中，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是十分重要的。圖像處理在實(shí)踐中最常用的開發(fā)工具是Visual C++6.0，通過該工具開發(fā)圖像處理程序，必須掌握圖像數(shù)據(jù)的文件存儲格式，圖像數(shù)據(jù)的一般處理方法，內(nèi)存的開辟和釋放，指針的操作，圖像的顯示等編程技巧。因此，課堂上教師有必要闡述基本理論、基本概念，還需要十分注重理論的實(shí)現(xiàn)方法，通過實(shí)踐反過來驗(yàn)證理論的可行性和效果。

在教材上Visual C++6.0，給出每一個(gè)理論的實(shí)現(xiàn)步驟和源代碼，學(xué)生在學(xué)習(xí)了C++語言或Visual C++6.0基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)圖像處理的編程實(shí)現(xiàn)方法，能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的編程能力、實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力。本書的程序都是由VC++編程實(shí)現(xiàn)，基本上采用了每章或一個(gè)相關(guān)內(nèi)容一個(gè)編程實(shí)例，使讀者能夠快速地查到相應(yīng)圖像處理技術(shù)的編程代碼，很快掌握圖像處理編程的方法，為本領(lǐng)域的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高獨(dú)立承擔(dān)科研項(xiàng)目開發(fā)的能力。

2.3重視教學(xué)的可擴(kuò)充性

在新的教材建設(shè)中，通過筆者開發(fā)的VC++圖像處理程序這一軟件來進(jìn)行圖像處理的具體表現(xiàn)，因此教材以VC++圖像處理程序軟件為主要介紹對象，以圖像處理的背景知識為基礎(chǔ)，以軟件的功能應(yīng)用為索引，使整個(gè)圖像處理的學(xué)習(xí)內(nèi)容，盡量融入到具體實(shí)踐中去。針對各章開發(fā)一個(gè)項(xiàng)目，將不同的內(nèi)容軟件分別開發(fā)，不會(huì)造成變量過多，代碼龐大，學(xué)生學(xué)習(xí)起來目標(biāo)明確，減少干擾。在此基礎(chǔ)上，教師可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步開發(fā)新的處理算法，或指導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用開發(fā)。

3合理利用教材的有效空間

教材中的內(nèi)容一般都是比較成熟的、學(xué)科中公認(rèn)的知識，因此，編寫好的教材關(guān)鍵是作者的用心。教材是教師教學(xué)活動(dòng)的沉淀與積累，教材建設(shè)的重點(diǎn)是要在學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，以學(xué)生的實(shí)際情況和需要為根本。在這個(gè)基礎(chǔ)上，教材的創(chuàng)新更體現(xiàn)在教師對教學(xué)內(nèi)容的編排與形式的創(chuàng)新上。

教材建設(shè)必須要體現(xiàn)一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，一本好的教材要考慮到出版社和讀者雙方面的感受。作為計(jì)算機(jī)類的教材，一般來說專業(yè)軟件課程，目前的價(jià)格主要保持在40元以下，400頁以內(nèi)。這對教材作者是一個(gè)潛在的篇幅限制，在教材的規(guī)劃中要加以衡量，否則是不便于推廣的。在我們的教材規(guī)劃中，同樣受到這樣一個(gè)限制，如果只是理想地追求理論與實(shí)踐相結(jié)合，那么教材的厚度將大大增加，從而帶來下一個(gè)計(jì)算機(jī)圖書的普遍毛病，就是理論與實(shí)踐相結(jié)合的書有的是，但價(jià)格偏貴，只適合于作為課后參考或工具書，而不便于教學(xué)使用，不能擔(dān)任教材的角色。

在圖像處理的軟件開發(fā)上支持兩種常用的文件格式，它們分別是8位位圖和24位真彩色位圖，學(xué)生可以同時(shí)看到兩種位圖的不同處理方法，為了節(jié)省篇幅，教材上只介紹短小的8位位圖的處理程序代碼。這大大提高了書本空間的實(shí)際利用率，從而解決了教材建設(shè)中成本與效益的矛盾，也能很快為出版社所接受。

4運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)平臺提供教學(xué)資源

隨著網(wǎng)絡(luò)普及的日益廣泛，在教學(xué)手段上，建議使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“數(shù)字圖像處理”輔助教學(xué)，這樣可以極大提高教學(xué)效率。主要優(yōu)勢有：

(1) 資源共享，省時(shí)省力。網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)勢在于資源共享，管理方便。當(dāng)前，隨著教學(xué)改革的深化和現(xiàn)代信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，越來越多的高等院校已把電子課件引人到教學(xué)中。目前，出版社為教師提供的免費(fèi)電子課件受到教師的普遍歡迎，教師們已把提供配套電子課件作為教材選購的一項(xiàng)要求。在教材建設(shè)中應(yīng)該對多媒體和電子教案的運(yùn)用給予很大的重視，它們既能幫助學(xué)生直觀地理解教學(xué)內(nèi)容，也能節(jié)約教師大量的文稿組織時(shí)間，從而把更多精力投人到課程內(nèi)涵中去。因此，在教材中配合書本知識課堂教學(xué)制作了詳細(xì)的電子教案，這在方便教學(xué)過程、提高學(xué)生自學(xué)和鞏固學(xué)習(xí)效果方面，起到了很好的促進(jìn)作用。

(2) 共享教學(xué)課件，利于學(xué)生掌握操作知識。直觀的教學(xué)課件能幫助學(xué)生理解復(fù)雜的操作步驟和抽象的概念。如果學(xué)生希望復(fù)習(xí)，在網(wǎng)絡(luò)中能找到課件，那將對他的復(fù)習(xí)非常有益。

(3) 利于教學(xué)互動(dòng)。學(xué)生可以將練習(xí)的圖像作業(yè)放在網(wǎng)絡(luò)一個(gè)固定的地方，這樣就不但便于教師批改，而且便于與同學(xué)之間的交流。

網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前知識傳播的重要途徑，在新教材的建設(shè)中，引入并建設(shè)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺是當(dāng)前立體化教材的重要特征。在對課程教材的改革中，也引入了網(wǎng)絡(luò)平臺的信息互動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，與教材同步配套建設(shè)了學(xué)習(xí)的交流平臺。現(xiàn)在，只要使用我們教材的學(xué)習(xí)者，都可以登陸天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院《數(shù)字圖像處理》精品課網(wǎng)站和教材作者一同學(xué)習(xí)與交流。教師在以后的授課過程中，也可以充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)手段，指導(dǎo)本校乃至外地的學(xué)習(xí)者一同學(xué)習(xí)和交流。有了網(wǎng)絡(luò)平臺的跨地域優(yōu)勢，教師還可以進(jìn)一步組建專業(yè)學(xué)習(xí)的社區(qū)，整合本地和遠(yuǎn)程的教學(xué)資源，達(dá)到良好的課后交流與共同學(xué)習(xí)的目的。

5課程教材建設(shè)的實(shí)踐效果

2000年天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院開始針對“數(shù)字圖像處理技術(shù)”課程進(jìn)行教學(xué)改革的實(shí)踐，力求對該課程的教學(xué)方法和教學(xué)形式進(jìn)一步的嘗試與創(chuàng)新。我們采取不斷編寫補(bǔ)充教材的措施配合這一發(fā)展與創(chuàng)新。在這一改革的過程中，教材作為教學(xué)的重要資源，成為課程建設(shè)的重點(diǎn)之一。筆者結(jié)合實(shí)際教學(xué)的情況，對該課程的教材進(jìn)行了配套的編寫，但由于補(bǔ)充教材油印質(zhì)量差、出版難，給學(xué)生學(xué)習(xí)造成了不便。因此，我們結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)自編了“數(shù)字圖像處理”教材，自編教材經(jīng)過多年試用和更新，能滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的要求。在此基礎(chǔ)上，2003年10月，我們公開出版了數(shù)字圖像處理教材《VC++圖像處理程序設(shè)計(jì)》。該教材一出版，就被多所大學(xué)選作本科生教材。通過近兩年的教學(xué)實(shí)踐，2005年又對該書進(jìn)行了再版修訂。

經(jīng)過近五年來的教學(xué)嘗試和積累，教材《VC++圖像處理程序設(shè)計(jì)》的編寫建設(shè)思路得到了市場的認(rèn)可，目前我們編著的教材，已經(jīng)在學(xué)生中使用了五屆，從教學(xué)效果來看，教材對教學(xué)的促進(jìn)效果相當(dāng)明顯，對學(xué)生而言，以

往學(xué)生對教材中或是偏實(shí)例或是偏理論的看法，已經(jīng)完全消除。由于配備了全程配套的軟件開發(fā)程序VC++源代碼，學(xué)生可以進(jìn)一步拓寬算法，又可以綜合應(yīng)用用。2008年1月本書被選為國家級十一五規(guī)劃教材。

6總結(jié)

針對“數(shù)字圖像處理技術(shù)”課程理論與實(shí)踐密切相關(guān)的要求，我們需要加強(qiáng)實(shí)踐的教學(xué)環(huán)節(jié)。在課堂教學(xué)上教師應(yīng)提供實(shí)踐模仿環(huán)節(jié)，因此相應(yīng)教材應(yīng)該提供三部分功能：每一種圖像處理技術(shù)的理論基礎(chǔ)，理論實(shí)現(xiàn)步驟和編程代碼。在掌握了某種圖像處理技術(shù)的基本理論之后，按照實(shí)現(xiàn)步驟的指導(dǎo)可以了解算法的實(shí)現(xiàn)思路和方法，再進(jìn)一步讓學(xué)生體會(huì)短小精悍的核心代碼C語言編程語句，然后按照程序框架介紹的方法，添加相應(yīng)的代碼，很快就能產(chǎn)生出一幅經(jīng)過處理的圖像。只有這樣，學(xué)生可以從理論和實(shí)用的編程技巧兩方面掌握圖像處理的技術(shù)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)，為進(jìn)一步改善課程效果，奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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