軟件工程專業(yè)工程碩士數(shù)字圖像處理課程建設(shè)

付慧　陳志泊

摘要：針對目前軟件工程專業(yè)工程碩士與工學(xué)碩士在培養(yǎng)方案上有很大區(qū)別，但培養(yǎng)課程卻大量重復(fù)的問題，以數(shù)字圖像處理課程為例，結(jié)合工程碩士的培養(yǎng)目標(biāo)，提出需要培養(yǎng)其應(yīng)用型研究能力和應(yīng)用型技能的觀點(diǎn)，并給出具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；工程碩士；應(yīng)用型研究；應(yīng)用型技能；軟件工程

軟件工程專業(yè)工程碩士研究生與傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)型研究生有所不同，前者主要面向企業(yè)人才需求和應(yīng)用軟件開發(fā)需求進(jìn)行培養(yǎng)，因此在課程內(nèi)容選取、授課方法設(shè)計和實(shí)驗環(huán)節(jié)設(shè)計上都需要進(jìn)行思考和調(diào)整，這也是北京林業(yè)大學(xué)在申請到軟件工程專業(yè)的工程碩士學(xué)科后重點(diǎn)研究的問題。

數(shù)字圖像處理課程屬于圖形圖像應(yīng)用領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)理論課，長久以來課程內(nèi)容主要介紹基本的圖像處理算法以及少部分圖像分割和圖像識別，對于圖像處理在實(shí)際生活中所涉及的很多前沿科研領(lǐng)域介紹較少，因此很多研究生無法將課堂講授的理論知識與其后續(xù)從事的研究課題有效地關(guān)聯(lián)起來，感到課堂中講授的很多內(nèi)容看起來毫無用處，從而喪失了學(xué)習(xí)的積極性。

很多教師認(rèn)為把圖像處理中的算法研究透徹、把基礎(chǔ)打好對研究生非常重要，但是這忽視了研究生是有著極強(qiáng)的科研探索精神和豐富想象力的年輕一代。如果將一些在生活中涉及圖像處理的問題交給他們進(jìn)行探索，將會激起他們濃厚的學(xué)習(xí)精神和創(chuàng)造力，這種沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的應(yīng)用題目可以進(jìn)一步鍛煉他們的思考能力。

為此，在課程的教學(xué)方法和實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計上，我們重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生以下兩方面能力。

（1）應(yīng)用型研究能力，包括發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力；

（2）應(yīng)用型技術(shù)能力，包括編程設(shè)計能力和項目合作能力。

下面筆者分別從教學(xué)大綱、教學(xué)方法設(shè)計和實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計3個方面進(jìn)行介紹。

1.數(shù)字圖像處理課程教學(xué)大綱

我們在設(shè)定教學(xué)大綱時，重點(diǎn)參考了多本數(shù)字圖像處理方面的經(jīng)典教材，如楊枝靈和岡薩雷斯編寫的教材。結(jié)合之前的教學(xué)經(jīng)驗，同時注意與本科生課程相區(qū)別，制訂了兩個原則：加強(qiáng)中高級圖像處理算法的介紹；增加利用圖像處理算法的應(yīng)用案例的介紹。中高級圖像處理算法主要指圖像分割算法、圖像特征提取方法和運(yùn)動檢測方法。同時我們還在課堂上給出一些應(yīng)用案例，進(jìn)一步幫助學(xué)生將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合。

數(shù)字圖像處理課程目前作為北京林業(yè)大學(xué)研究生的專業(yè)必修課，總學(xué)時為32，其中課堂講授24學(xué)時，實(shí)驗8學(xué)時。相對于其他學(xué)校，這門課程的總學(xué)時和實(shí)驗學(xué)時數(shù)不多，我們設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

2.數(shù)字圖像處理教學(xué)方法設(shè)計

針對培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用型研究能力的目標(biāo)，我們在教學(xué)方法設(shè)計上本著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生眼界，給學(xué)生提供更自由的思考空間的原則，通過下面兩個措施來實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。

2.1精心選擇案例

選擇的案例要貼近實(shí)際生活，并與課堂上講授的方法緊密銜接。例如，在講解圖像增強(qiáng)和復(fù)原這兩章之后，我們引入在實(shí)際生活中常見的“圖像去霧”問題，通過如下方法，培養(yǎng)學(xué)生研究能力。

（1）要求學(xué)生先嘗試用學(xué)過的算法來解決這個問題，并在課堂進(jìn)行算法討論，給出算法結(jié)果。

（2）要求學(xué)生針對具體問題，查閱文獻(xiàn)資料，了解別人的解決方法。通過查閱國內(nèi)外的文獻(xiàn)資料，同學(xué)們知道了如何根據(jù)關(guān)鍵詞查詢科研論文，了解哪些電子數(shù)據(jù)庫中有與專業(yè)相關(guān)資料，知道了文獻(xiàn)的級別有SCI、EI、核心期刊、一般期刊等。

（3）學(xué)生將查到的算法進(jìn)行分類和總結(jié)，撰寫文獻(xiàn)綜述。

（4）每位學(xué)生都需要編程實(shí)現(xiàn)“圖像去霧”算法，這個算法是結(jié)合自己的思考、實(shí)踐以及查閱文獻(xiàn)的結(jié)果。

通過自己動手，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)如果圖像的清晰度不好，有噪聲，或者沒有歸一化，結(jié)果就完全不同。通過自己動手驗證，同學(xué)們會發(fā)現(xiàn)圖像處理領(lǐng)域的一個最為重要的特點(diǎn)——任何算法主要都是針對一類圖像或是針對一類問題而設(shè)計的，因此在算法的適應(yīng)性上需要有所考慮。

2.2全面介紹圖像處理的各個應(yīng)用領(lǐng)域

老師在課堂上介紹幾個圖像處理涉及的較為重要的應(yīng)用方向（如視頻監(jiān)控、圖像檢索、人臉識別、運(yùn)動檢測、車牌檢測等）后，將同學(xué)們進(jìn)行分組，每組負(fù)責(zé)查找一個應(yīng)用方向的相關(guān)資料，討論和匯報自學(xué)的結(jié)果。匯報內(nèi)容主要包括：①應(yīng)用方向的介紹；②涉及的主要問題；③目前的解決方法及應(yīng)用成果。

通過查找文獻(xiàn)，同學(xué)們不僅對課上學(xué)習(xí)過的經(jīng)典算法有進(jìn)一步了解，同時還接觸到很多新算法。通過聽取各組匯報，同學(xué)們在較短的時間里，了解了圖像處理涉及的多個主要的應(yīng)用領(lǐng)域。針對每個應(yīng)用研究領(lǐng)域，老師引導(dǎo)學(xué)生分析該領(lǐng)域的難點(diǎn)和重點(diǎn)，提出問題，再讓學(xué)生思考解決方案，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，只希望能夠鍛煉學(xué)生的思考能力。以“人臉識別”為例，有很多經(jīng)典的或較新穎的算法，老師會結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ渲谐Ｓ玫幕虮容^重要的算法，如PCA方法和Adaboost算法，進(jìn)行詳細(xì)講解，使學(xué)生全面了解圖像處理算法的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.數(shù)字圖像處理實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計

針對培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力的目標(biāo)，同時考慮到本課程實(shí)驗學(xué)時數(shù)較少，我們設(shè)計了兩個實(shí)驗——基礎(chǔ)性實(shí)驗和綜合性實(shí)驗。

3.1基礎(chǔ)性實(shí)驗

目前很多經(jīng)典的圖像處理算法是用vC++程序?qū)崿F(xiàn)的，我們要求大家學(xué)會讀程序，能夠看懂已有的算法實(shí)現(xiàn)程序，并在此基礎(chǔ)上能開發(fā)新的功能。

實(shí)驗一：實(shí)現(xiàn)對多種圖像格式的支持（2學(xué)時）

實(shí)驗內(nèi)容：采用VC++編碼實(shí)現(xiàn)，基于CDib類，添加支持打開，并保存多種圖像格式的功能。包括JPEG和GIF。

實(shí)驗要求：利用學(xué)習(xí)的圖像壓縮的知識，利用現(xiàn)有的編碼解碼庫實(shí)現(xiàn)對IPEG和GIF圖像的打開和保存。

實(shí)驗?zāi)康模毫私舛喾N圖像格式，編寫針對多種圖像格式的讀寫程序，能夠進(jìn)一步理解針對圖像的編程的特點(diǎn)，同時也進(jìn)一步了解開發(fā)圖像應(yīng)用程序的適應(yīng)性問題。

老師在課程初期會向大家介紹圖像處理的一個公開庫——CDib類。該類很好地封裝了圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，涉及很多圖像的基本操作。我們知道現(xiàn)實(shí)生活中的圖像常常都是壓縮格式的，如BMP、JPEG、PNG、GIF等。因此在講完圖像的壓縮格式后，對照講過的BMP圖像結(jié)構(gòu)，老師要求學(xué)生為CDib類添加能夠支持多種圖像格式的功能。以GIF圖像為例，它不同于如JPEG、PNG等格式，GIF采用的是LZW壓縮算法，使用的是無損壓縮技術(shù)。GIF圖像的特點(diǎn)是可以一次壓縮多幅圖像，圖像顏色表控制為256色，使用漸顯方式。

3.2綜合性實(shí)驗

針對綜合性實(shí)驗，我們會擬定多個題目讓學(xué)生選擇，如樹葉提取、花朵提取、車牌識別等。

實(shí)驗二：數(shù)字號碼圖像的識別（6學(xué)時）

實(shí)驗內(nèi)容：采用VC++編碼實(shí)現(xiàn)，基于CDib類，針對數(shù)字號碼圖像，識別出數(shù)字，給出文本顯示結(jié)果。

實(shí)驗要求：將該題目進(jìn)行分解，劃分任務(wù)；組內(nèi)每個同學(xué)負(fù)責(zé)一部分任務(wù)的編程工作；每個人針對自己負(fù)責(zé)的工作至少提供兩種實(shí)現(xiàn)方法，并放入整個項目流程中驗證這兩種方法的有效性；最后總結(jié)出兩種方法的異同以及適應(yīng)的范圍。

實(shí)驗?zāi)康模嚎疾閷W(xué)生對數(shù)字圖像處理應(yīng)用中每個步驟的掌握程度和項目合作溝通能力。

上述實(shí)驗涉及以下幾個步驟。

①圖像的預(yù)處理；

②圖像的分割；

③圖像的特征提??；

④圖像的分類。

組中每個學(xué)生負(fù)責(zé)一個步驟，所有步驟都需要盡心設(shè)計，這樣整體的效果才可能最好。同時大家需要協(xié)商各自負(fù)責(zé)模塊的人口和出口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)能夠在模塊之間順利流轉(zhuǎn)。這種協(xié)商和分工合作的能力是軟件工程專業(yè)最需要的技術(shù)能力之一。

以“數(shù)字號碼圖像識別”為例，該題目可以分割成4個步驟：預(yù)處理、數(shù)字圖像切分、數(shù)字圖像特征提取和數(shù)字識別。在每個步驟中都有分別需要注意的問題，如在預(yù)處理階段，需要對圖像進(jìn)行去噪聲，增強(qiáng)對比度，甚至需要進(jìn)行膨脹和腐蝕將圖像中斷裂的數(shù)字部分連通起來；在數(shù)字圖像切分階段需要制定適應(yīng)性廣泛的切分策略來應(yīng)對各種情況，如數(shù)字排列可以呈現(xiàn)任意的傾斜角度，或數(shù)字字符相連等；在數(shù)字圖像特征提取階段，我們可以考察每個數(shù)字圖像的自相關(guān)系數(shù)特征，或者每個數(shù)字圖像的頻譜特征，也可以考察數(shù)字圖像的幾何拓?fù)涮卣鳎鐚?shù)字圖像分成2個洞的（8），1個洞的（4，6，9，0），沒有洞的（1，2，3，5，7），針對每個類別再提取新的幾何特征；在數(shù)字圖像識別階段，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類器，或者利用制定的一些分類策略來分類，或者采用主成份分析（PCA）的方法來識別。

4.結(jié)語

兩年多的教學(xué)實(shí)踐表明，新的教學(xué)大綱、授課方法和實(shí)驗內(nèi)容有利于激發(fā)學(xué)生的興趣，使他們帶著問題去學(xué)習(xí)，從而加深了對圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域的了解，鍛煉了編寫程序和協(xié)作開發(fā)的能力。下一步我們將設(shè)計更多合理有效的案例和綜合性實(shí)驗，力圖通過這門課激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊枝靈，王開，Visual C++數(shù)字圖像獲取、處理及實(shí)踐應(yīng)用[M]，北京：人民郵電出版社，2002：31-73，338-409.

[2]岡薩雷斯，數(shù)字圖像處理[M]，2版，阮秋琦，譯，北京：電子工業(yè)出版社，2003：460-560.

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）