基于虛擬儀器的“圖像檢測(cè)技術(shù)”課程改革研究

摘要：分析探討了“圖像檢測(cè)技術(shù)”課程學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，從實(shí)踐教學(xué)出發(fā)研究了本課程建設(shè)的基本思路。通過采用LabVIEW軟件平臺(tái)，構(gòu)建PC-DAQ系統(tǒng)，開發(fā)輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)，改革考核方式。該課程改革，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加強(qiáng)工程實(shí)踐應(yīng)用能力以及培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義。

關(guān)鍵詞：圖像檢測(cè)技術(shù)；課程改革；虛擬儀器；LabVIEW

作者簡(jiǎn)介：程瑤（1981-），女，重慶人，重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，講師；彭東林（1952-），男，重慶人，重慶理工大學(xué)信息與自動(dòng)化電子學(xué)院，教授。（重慶400050）

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）16-0060-01

虛擬儀器是現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子儀器結(jié)合滲透的產(chǎn)物，它以軟件取代傳統(tǒng)的電子儀器，突破系統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的表達(dá)、分析、處理、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制。利用學(xué)校虛擬儀器聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成立的契機(jī)，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在“圖像檢測(cè)技術(shù)”課程中，可充分利用虛擬儀器技術(shù)為課程教學(xué)提供新的思路，從實(shí)踐教學(xué)出發(fā)，建設(shè)課程的基本思路打破了傳統(tǒng)的教育模式，提高課程教學(xué)效果與質(zhì)量。

一、學(xué)習(xí)課程的難點(diǎn)

“圖像檢測(cè)技術(shù)”是一門多學(xué)科交叉、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性課程，是研究數(shù)字圖像檢測(cè)與處理的基本理論、基本方法及其在智能化檢測(cè)中應(yīng)用的學(xué)科。該課程的內(nèi)容煩瑣，算法及數(shù)學(xué)公式多，并具有理論上的抽象性和應(yīng)用上的復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此對(duì)教師課堂講授和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度都較大。學(xué)習(xí)該課程主要有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1.涉及的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)多

本課程包括了圖像的采集、圖像的處理、圖像的顯示及應(yīng)用，涉及的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)多。該課程的圖像采集等，是以硬件采集的形式來實(shí)現(xiàn)；而圖像處理算法往往以數(shù)學(xué)公式的形式引出，以軟件編程來實(shí)現(xiàn)。本課程需要用到的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)和專業(yè)知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)習(xí)時(shí)需要有扎實(shí)的數(shù)字基礎(chǔ)、信號(hào)處理基礎(chǔ)、光學(xué)基礎(chǔ)以及圖像傳感器基礎(chǔ)知識(shí)等。因此要學(xué)好本課程，需要學(xué)生先修“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“工程光學(xué)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“圖像傳感器原理及應(yīng)用”等課程，需要學(xué)好一些相關(guān)的先修課程打好基礎(chǔ)，要有扎實(shí)的數(shù)學(xué)及專業(yè)基礎(chǔ)。

2.圖像處理的算法多而難理解

本課程著重介紹圖像的處理，包含圖像的去噪、增強(qiáng)、校正、分割及分析等，每種處理方法又包含了各種算法，涉及的算法非常多，包含數(shù)學(xué)公式多。由于圖像信號(hào)是以二維數(shù)據(jù)的形式采集，在處理時(shí)需要分別對(duì)行、列數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，對(duì)學(xué)生來說，看見一堆數(shù)學(xué)公式往往覺得晦澀難懂，難以理解透徹算法的實(shí)質(zhì)。

3.圖像處理前后的效果對(duì)比抽象

要理解透徹圖像檢測(cè)的算法，需要對(duì)處理前后圖像的變化有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。本課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式是通過講解算法的公式來說明圖像的處理方法，處理前后圖像的對(duì)比常常以一兩幅圖片以灌輸方式講解給學(xué)生，學(xué)生往往對(duì)圖像處理的方法覺得比較抽象，對(duì)處理后的效果一般只能有個(gè)淺顯的認(rèn)識(shí)，難以理解透徹處理圖片。

二、虛擬儀器及LabVIEW

虛擬儀器是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過配置I/O接口設(shè)備，將采集到的信號(hào)送往計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)顯示器來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，通過用戶編寫不同測(cè)試功能的程序?qū)Σ杉降男盘?hào)分析、處理并顯示。[1]

不同儀器的實(shí)際功能通過不同的程序來實(shí)現(xiàn)，軟件是虛擬儀器的核心，儀器的功能由用戶在軟件平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)。[1]信號(hào)的分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和結(jié)果顯示等繁雜的工作都交由系統(tǒng)的軟件處理。

NI公司的圖形化編程語言LabVIEW提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、便捷的與其他程序和語言接口的功能。[2]用戶界面直觀、友好、容易操作，通過相關(guān)的軟件即可實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)拾取、分析系統(tǒng)和其他分析功能的擴(kuò)展。利用LabVIEW編程設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)圖像的采集、處理及顯示功能，且對(duì)學(xué)生來說，學(xué)起來容易上手。

三、課程教學(xué)改革思路

針對(duì)課程存在的難點(diǎn)及特點(diǎn)，僅僅紙上談兵是不夠的。將虛擬儀器技術(shù)引入課堂，并貫穿始終，可以化過去的“耳聽為虛”為現(xiàn)在的“眼見為實(shí)”。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)“圖像檢測(cè)技術(shù)”課程實(shí)行改革，提出了從實(shí)踐教學(xué)出發(fā)的課程建設(shè)的基本思路。

1.構(gòu)建PC-DAQ系統(tǒng)

PC-DAQ系統(tǒng)是構(gòu)成VI最基本的方式，它是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本身的總線，將數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）插入計(jì)算機(jī)的PCI或ISA插槽中。

本課程利用構(gòu)建的PC-DAQ系統(tǒng)，利用NI公司的采集卡，在LabVIEW軟件平臺(tái)上編寫采集時(shí)序控制及驅(qū)動(dòng)程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)線陣或面陣圖像傳感器的圖像采集。

在課堂上，可通過采集演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能直觀觀察到圖像采集的過程，從而可以對(duì)圖像采集的方法和圖像傳感器工作的時(shí)序加深印象，并能深刻體會(huì)。也可以讓學(xué)生自行編程設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序及采集時(shí)序，通過動(dòng)手做來學(xué)習(xí)并理解圖像采集的設(shè)計(jì)。

2.開發(fā)輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)

在教學(xué)中，除了采用普通的多媒體教學(xué)手段以外，每次講到一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，演示一下仿真程序，把該門課程的應(yīng)用引入到課堂，以便用來增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象的理論原理與實(shí)際仿真效果相結(jié)合的理解力。

利用虛擬儀器系統(tǒng)，基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)將圖像處理的算法編寫成程序，通過工具欄能夠選擇各種算法，并在軟件平臺(tái)上顯示出處理前后的圖像，并能作對(duì)比。

利用該系統(tǒng)可在課堂教學(xué)中將圖像處理算法的運(yùn)行效果動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)給學(xué)生，可以對(duì)任意一幅圖像進(jìn)行處理及顯示，還能對(duì)同一幅圖像選擇不同的算法來進(jìn)行處理及顯示，通過顯示圖像的不同對(duì)照各種算法之間處理的區(qū)別，體會(huì)各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。例如對(duì)同一幅圖像，選擇平滑處理后圖像變模糊，選擇銳化處理后圖像會(huì)突出邊緣輪廓線，通過直觀的圖像觀察即可理解算法的實(shí)質(zhì)，從而將枯燥的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為立竿見影的實(shí)際操作，大大增加了課堂的信息量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)了化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，化抽象為直觀，化復(fù)雜為簡(jiǎn)潔，從而使課堂教學(xué)效果大為提高。

3.改革考核方式

為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐能力，本課程評(píng)分機(jī)制是將平時(shí)出勤情況、作業(yè)成績(jī)、設(shè)計(jì)成績(jī)及考試成績(jī)等進(jìn)行量化，納入最終成績(jī)的綜合評(píng)核。[3]學(xué)期初就規(guī)定好課程的評(píng)分機(jī)制，特別是對(duì)設(shè)計(jì)成績(jī)的考察。

在教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，根據(jù)學(xué)生自身情況和喜好自由組合，一般3～4人一組。布置適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)題目，為學(xué)生提供自己創(chuàng)造的空間。要求學(xué)生利用課余時(shí)間，以小組為單位選題，小組內(nèi)分工合作，完成設(shè)計(jì)題目如補(bǔ)充設(shè)計(jì)中值濾波算法、基于LabVIEW的平滑處理、CCD線陣驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、CCD圖像采集時(shí)序電路設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)題目要求學(xué)生通過LabVIEW軟件進(jìn)行圖像處理源代碼的修改補(bǔ)充，或自主實(shí)現(xiàn)一些較為簡(jiǎn)單的算法，比如平滑算法等。也可以要求學(xué)生設(shè)計(jì)圖像采集的時(shí)序控制或驅(qū)動(dòng)程序。讓學(xué)生自己去查資料，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手編程，調(diào)試程序。這樣既可實(shí)現(xiàn)對(duì)課上學(xué)習(xí)內(nèi)容的復(fù)習(xí)鞏固，又能夠促進(jìn)學(xué)生課外自學(xué)，加深學(xué)生印象。可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力，又使學(xué)生對(duì)該門課程有了更高的興趣。[4]促使學(xué)生主動(dòng)思維，成為真正的主體，教師還可以根據(jù)學(xué)生反饋的信息把握學(xué)生思維的進(jìn)程，成為真正的主導(dǎo)。

對(duì)于那些無法在課程設(shè)計(jì)中完成的內(nèi)容，比如一些計(jì)算或概念題目，圖像檢測(cè)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，圖像檢測(cè)的標(biāo)定、誤差分析、工程應(yīng)用等，教師將其設(shè)計(jì)成課后作業(yè)，要求學(xué)生提交作業(yè)，作為平時(shí)作業(yè)成績(jī)。

四、結(jié)論

針對(duì)目前“圖像檢測(cè)技術(shù)”課程教學(xué)的現(xiàn)狀及具體特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出了一系列改善教學(xué)效果的思路舉措。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，這種改革方法不但加強(qiáng)了學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，還突出了學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)與綜合設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生的信息綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力都有了明顯的提高，從而提高了該門課程的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李旗，李幫華.虛擬儀器在測(cè)控實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002，(6):51-53.

[2]張丹，黃惟公.基于LabVIEW與Proteus的教學(xué)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海計(jì)量測(cè)試，2008，(3):14-16.

[3]魏廣芬，王永強(qiáng)，等.“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革的嘗試[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(6):24-25.

[4]李熙瑩.“數(shù)字圖像處理”課程設(shè)計(jì)與學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2008，(8):17-18.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）