《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)探討

摘 要：數(shù)字圖像處理課程具有內(nèi)容豐富、覆蓋面廣，兼具理論性和實(shí)踐性的特點(diǎn)，本文結(jié)合信息類專業(yè)和圖像處理學(xué)科的教學(xué)科研工作，針對(duì)目前《數(shù)字圖像處理》課程存在的幾個(gè)典型問(wèn)題，根據(jù)本課程的特點(diǎn)進(jìn)行了梳理和綜合分析，探討了《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)改革和實(shí)踐，經(jīng)過(guò)3年來(lái)的教學(xué)實(shí)施， 取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 教學(xué)方法 信息科學(xué)類

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0145-02

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，圖像處理越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于軍事目標(biāo)識(shí)別、智能交通、醫(yī)學(xué)圖像重建、社會(huì)事務(wù)管理、生物特征識(shí)別，以及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域，越來(lái)越多的研究者更加關(guān)注圖像處理領(lǐng)域的研究工作。而高等教育要與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系，“數(shù)字圖像處理”這們課程在高等學(xué)校信息類電子信息類專業(yè)也具有越來(lái)越重要的地位。

“數(shù)字圖像處理”的教學(xué)目的是使學(xué)生了解和掌握數(shù)字圖像處理的基本概念與主要內(nèi)容，為今后的深入研究和開發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)，基本教學(xué)內(nèi)容包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像復(fù)原、圖像描述、圖像識(shí)別等理論和方法[1]。該課程主要闡述了數(shù)字圖像處理中的基本概念、基礎(chǔ)理論和常用算法，介紹數(shù)字圖像處理研究中的基本問(wèn)題以及解決這些問(wèn)題的原理和實(shí)現(xiàn)方法，使學(xué)生能夠編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖像處理算法，能夠閱讀利用圖像處理文獻(xiàn)以解決實(shí)際問(wèn)題。

“數(shù)字圖像處理”課程屬交叉學(xué)科，其起點(diǎn)高、難度大，即有較強(qiáng)的理論性，又和實(shí)踐結(jié)合緊密，歷年來(lái)的教學(xué)效果及考試情況表明，學(xué)生對(duì)本課程往往心存畏懼，教學(xué)上存在許多問(wèn)題。比如：學(xué)生興趣不大、課堂效果不理想等等。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的、轉(zhuǎn)變思想觀念，如何在教學(xué)過(guò)程中合理利用多重教學(xué)手段、靈活采用相宜的教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成為今后教學(xué)中必須解決的問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

總結(jié)過(guò)去幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)《數(shù)字圖像處理》的傳統(tǒng)教學(xué)模式存在著以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.1 數(shù)字圖像處理的課程體系尚不完備

圖像處理學(xué)科本身為交叉學(xué)科。與信息編碼、模式識(shí)別、信號(hào)分析多領(lǐng)域存在學(xué)術(shù)聯(lián)系，而課程內(nèi)在耦合性并不強(qiáng)，目前還沒有一個(gè)完備的課程體系，許多教學(xué)實(shí)踐難以組織。一般認(rèn)為，數(shù)字圖像處理包括圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、彩色圖像處理、圖像壓縮與編碼、圖像分割、圖像描述與表達(dá)等章節(jié)，根據(jù)教材豐富程度的不同，可能還包括圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖像重建、圖像識(shí)別、圖像的小波分析，以及圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理。圖像處理內(nèi)容龐雜，難度也偏大，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)往往很難將全部?jī)?nèi)容講透，傳統(tǒng)的教學(xué)模式只能以理論介紹為主，忽視理論的實(shí)現(xiàn)步驟，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到過(guò)于抽象，很難看到理論的實(shí)際應(yīng)用效果。而且教師在課堂上講授知識(shí)點(diǎn)時(shí)，由于和實(shí)踐脫節(jié)，致使學(xué)生在一些繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)面前望而卻步，從而逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣。

1.2 圖像處理課程的理論講授與應(yīng)用實(shí)踐難以兼顧

圖像處理課程的許多內(nèi)容，如圖像變換、圖像復(fù)原等章節(jié)，涉及到最優(yōu)化問(wèn)題、矩陣計(jì)算等相關(guān)理論。例如利用拉格朗日方法求矢量變量的條件極值問(wèn)題、標(biāo)量函數(shù)對(duì)矢量求導(dǎo)，雖然他們?cè)诟叩葦?shù)學(xué)、線性代數(shù)課程已學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)內(nèi)容，但高等數(shù)學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐中沒有使用矢量表達(dá)方式。這些數(shù)學(xué)表達(dá)方式對(duì)于高年級(jí)本科生而言比較陌生，難以理解。而專業(yè)文獻(xiàn)、教材中多使用矢量表達(dá)方式，對(duì)于這樣的知識(shí)斷裂帶，本科生往往覺得相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)過(guò)于深?yuàn)W，從而產(chǎn)生畏難情緒，在教學(xué)實(shí)踐中，往往需要連接相關(guān)的知識(shí)斷點(diǎn)。

另一方面，圖像處理的許多內(nèi)容是與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的，如圖像增強(qiáng)、圖像分割等內(nèi)容，其許多理論內(nèi)容具有相當(dāng)?shù)某橄笮?，而相關(guān)算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻十分的直觀，不僅有利于反映不同理論與方法的特點(diǎn)，也有利于學(xué)生對(duì)教授內(nèi)容的理解。但在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，盡管學(xué)過(guò)相關(guān)程序編制課程，絕大部分學(xué)生仍不會(huì)編制程序，許多學(xué)生甚至沒有掌握基本的編程概念。

因此，在“數(shù)字圖像處理”的教學(xué)實(shí)踐中，我們希望探索一種適合“數(shù)字圖像處理”教學(xué)的、新穎的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)課堂學(xué)習(xí)、課后練習(xí)，進(jìn)行廣泛的閱讀、思考、討論，并通過(guò)編程實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證、實(shí)踐，以掌握教學(xué)內(nèi)容，從而進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

2 教學(xué)改革措施

針對(duì)以上的問(wèn)題，筆者在教學(xué)工作中不斷探索，分別從以下幾個(gè)方法進(jìn)行教學(xué)改革并在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的效果。

2.1 將講授內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)

目前，幾乎不存在與數(shù)字圖像處理無(wú)關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，而在其學(xué)科發(fā)展初始，就得益于實(shí)際應(yīng)用的推動(dòng)，可以說(shuō)，數(shù)字圖像處理是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，然而，在傳統(tǒng)的工程技術(shù)人才的培養(yǎng)方式中，過(guò)分強(qiáng)調(diào)了專業(yè)知識(shí)的積累，使得學(xué)生形成了單一追求知識(shí)積累的習(xí)慣，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容能夠記憶，、理解并能模仿性地應(yīng)用。畢業(yè)之后，能做一般性的科學(xué)技術(shù)工作，但創(chuàng)造能力較差。這種學(xué)習(xí)模式也使得學(xué)生對(duì)專業(yè)課的學(xué)習(xí)缺乏興趣，從而產(chǎn)生厭學(xué)、逃課等學(xué)習(xí)現(xiàn)象。而我們知道，一切科學(xué)技術(shù)的探索和創(chuàng)新都起源于興趣，因此，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣和熱情是任課教師首先要解決的問(wèn)題[2]。

數(shù)字圖像處理這門學(xué)科與我們的生活結(jié)合的如此緊密，了解數(shù)字圖像處理專業(yè)知識(shí)對(duì)于將來(lái)從事的工作的重要性，讓書本上生硬枯燥的理論鮮活起來(lái)。比如，在數(shù)字圖像處理緒論教學(xué)中，可以重點(diǎn)介紹數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)圖像處理、智能交通監(jiān)控、基于圖像的工業(yè)檢測(cè)、圖像壓縮在3G通信技術(shù)中的引用，不僅介紹其技術(shù)背景，還可介紹業(yè)內(nèi)著名公司，簡(jiǎn)單說(shuō)明其技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展前景以及薪酬水平等情況，以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，在講授圖像處理相關(guān)領(lǐng)域時(shí)，可結(jié)合相關(guān)應(yīng)用，如在講授圖像壓縮時(shí)， 可以將其與目前流行的3G通訊技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，介紹圖像壓縮在其中的應(yīng)用情況及相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)；在講授直方圖均衡化時(shí)可以講解它在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別的圖像預(yù)處理。課堂教學(xué)除了圍繞基本理論和概念進(jìn)行外，還可以穿插講解在科研中需要注意的相關(guān)知識(shí)。

2.2 注意數(shù)字圖像處理與先導(dǎo)課程的聯(lián)系

數(shù)字圖像處理是一門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程，其學(xué)習(xí)研究需具備較為全面的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)，我國(guó)目前的數(shù)學(xué)教學(xué)由于學(xué)時(shí)越來(lái)越少，內(nèi)容愈來(lái)愈多，為完成教學(xué)任務(wù)，忽視了對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)表達(dá)的重要性，導(dǎo)致學(xué)生雖然能理解微積分、線性代數(shù)等工程數(shù)學(xué)的基本思想，但不熟悉不熟悉現(xiàn)代數(shù)學(xué)表達(dá)方法，從而不理解許多圖像算法的理論推導(dǎo)，針對(duì)這一情況，筆者總結(jié)出以下的解決方法。

（1）在講授需較深數(shù)學(xué)知識(shí)的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，預(yù)先講述相關(guān)數(shù)學(xué)內(nèi)容。尤其是許多數(shù)學(xué)表達(dá)方法與學(xué)生在大一學(xué)習(xí)的微積分、線性代數(shù)表達(dá)方法不一致的情形。例如，在講述圖像復(fù)原的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)同學(xué)們由于對(duì)向量變量操作的不熟悉，他們對(duì)基于多維向量的拉格朗日算法不理解，不理解其推導(dǎo)過(guò)程，也不明白算法的具體步驟。為此，我們通過(guò)對(duì)高等數(shù)學(xué)中偏導(dǎo)數(shù)、拉格朗日方法等數(shù)學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)，并用向量形式重新表述，告訴學(xué)生對(duì)矢量求導(dǎo)，其實(shí)就是我們學(xué)習(xí)過(guò)的多元微積分的偏導(dǎo)數(shù)，對(duì)于標(biāo)量對(duì)矢量求導(dǎo)的概念與方法，學(xué)生以前沒有學(xué)習(xí)過(guò)，可以結(jié)合微積分與線性代數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法，讓同學(xué)了解這種方法的實(shí)質(zhì)與表達(dá)的便利。這種處理方法，不僅能充分說(shuō)明圖像復(fù)原的原理過(guò)程，同時(shí)也拓展了學(xué)生的數(shù)學(xué)視野，對(duì)學(xué)生進(jìn)一步深造也有幫助。

（2）數(shù)字圖像本身是一種二維數(shù)字信號(hào)，其里面的許多內(nèi)容都可以在《數(shù)字信號(hào)處理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》等先導(dǎo)課程里面找到相關(guān)的概念，例如在推導(dǎo)圖像的退化模型時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)其就是在信號(hào)與系統(tǒng)里面學(xué)習(xí)過(guò)的線性時(shí)不變系統(tǒng)，同時(shí)我們還能研究其物理意義，以及相關(guān)物理意義與數(shù)學(xué)抽象模型之間的關(guān)系，從而不僅更刻的理解《信號(hào)與系統(tǒng)》的相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)也學(xué)習(xí)了具體專業(yè)應(yīng)用中，對(duì)影響模型表達(dá)的現(xiàn)實(shí)因素的取舍依據(jù)。

（3）對(duì)于某些內(nèi)容可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容做適當(dāng)取舍與調(diào)整，例如，對(duì)于數(shù)字圖像直方圖的表達(dá)，只需要理解直方圖的定義與求法，對(duì)其繁瑣的數(shù)學(xué)表達(dá)就不做要求了。對(duì)于圖像分割，重點(diǎn)在于理解算法，對(duì)于其形式化表達(dá)就不做具體要求。

2.3 采用“互動(dòng)式”教學(xué)方法

數(shù)字圖像處理內(nèi)容繁多，理論基礎(chǔ)較深，存在較多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，傳統(tǒng)“注入式”的教學(xué)方法使得課堂教學(xué)枯燥乏味，且收效甚微。為了解決這一問(wèn)題，筆者在教學(xué)過(guò)程中不斷摸索，總結(jié)出一種“互動(dòng)式”教學(xué)法[3]。

一般來(lái)說(shuō)，在課堂講授中，可將整個(gè)課堂講授分為若干相對(duì)獨(dú)立的小節(jié)，每個(gè)小節(jié)講授結(jié)束時(shí)，可要求學(xué)生提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)，給學(xué)生提供獨(dú)立思考、親身體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，體驗(yàn)其中的樂(lè)趣和成就感，如果內(nèi)容較為模型，學(xué)生提不出有價(jià)值問(wèn)題是，也可以向?qū)W生提問(wèn)，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，再針對(duì)性的進(jìn)行講解。

其次，每次講解新內(nèi)容之前，以提問(wèn)的方式對(duì)上一節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)回顧，另外，在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)有針對(duì)性的選取部分圖像處理算法，如OTSU圖像分割方法，鼓勵(lì)學(xué)生毛遂自薦，在黑板上當(dāng)堂完成偽碼算法，同時(shí)可要求其余的同學(xué)對(duì)其算法進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，找出問(wèn)題并給出修改意見。不僅活躍了課堂氣氛，又鍛煉了同學(xué)的編程能力，還加深了學(xué)生對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中，筆者根據(jù)《數(shù)字圖像處理》的專業(yè)特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出了相應(yīng)的教學(xué)改革的方法。有效的提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力，有助于擴(kuò)大學(xué)生的就業(yè)面。以上對(duì)教學(xué)改革的一些探索和嘗試，在教學(xué)過(guò)程中取得了良好的教學(xué)效果。但教學(xué)改革是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，本文的探索還處于初期，在以后的工作中還有許多的問(wèn)題有待解決，要在不斷的探索與實(shí)踐中得到完善和提高。

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