圖像處理技術(shù)課程教學(xué)探討與實(shí)踐

張永梅 馬禮 何麗

摘 要： 分析了當(dāng)前圖像處理技術(shù)課程教學(xué)的不足之處，給出了課程特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容分析。從教材的選用和自主學(xué)習(xí)擴(kuò)充性資料的選用、采用現(xiàn)代化教學(xué)模式與方法、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、改革考核評價(jià)方式四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討和實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和參與科研的積極性，以及解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)內(nèi)容； 教學(xué)方法； 考核方式； 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-76-02

Discussion and practice on "image processing technology"

Zhang Yongmei， Ma Li， He Li

（School of Information Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

Abstract： The disadvantages， the characteristics and the content of the current teaching for "Image Processing Technology" are analyzed. Four teaching procedures including the selection of textbooks and expansion materials for initiative learning， application of modern teaching models and methods， strengthening teaching practice and reforming appraisal methods have been discussed and practiced. The result shows that it has obtained better teaching effects， improved the students' interest in learning and motivation to participate in scientific research， as well as the ability to solve practical problems.

Key words： teaching content； teaching method； assessment way； teaching practice

0 引言

圖像信息是獲取信息的重要來源，圖像處理研究對于科學(xué)理論研究和工程應(yīng)用有重要影響。研究圖像處理和通信是導(dǎo)向智能計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人或多媒體通信系統(tǒng)的必由之路?，F(xiàn)有的圖像處理技術(shù)在很多方面給人們生活、學(xué)習(xí)、工作帶來極大的便利，如：視頻廣播、遙感圖像、醫(yī)學(xué)圖像（計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)CT，以及核磁共振成像MRI）等，計(jì)算機(jī)的發(fā)展使處理更復(fù)雜的圖像成為可能。

圖像處理是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)重要方面，是模式識別、計(jì)算機(jī)視覺、圖像通訊、多媒體技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)，是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。在圖像處理技術(shù)課程的教學(xué)中，不但要讓學(xué)生掌握其基本概念和原理，還要讓不同層次的學(xué)生能夠理解和掌握圖像處理在其應(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展，故傳統(tǒng)的常規(guī)教學(xué)已經(jīng)不能滿足課程的發(fā)展要求。目前的教學(xué)不足之處主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)教學(xué)大多數(shù)偏重于理論，缺乏圖像處理技術(shù)與實(shí)踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對圖像處理技術(shù)課程的教學(xué)模式與實(shí)踐進(jìn)行了探討。

1 課程特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容分析

人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取的。圖像處理是利用計(jì)算機(jī)處理所獲取視覺信息的技術(shù)[1]。圖像處理技術(shù)的理論基礎(chǔ)涉及了眾多學(xué)科，包括數(shù)學(xué)、物理、信號處理和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識，其內(nèi)容廣泛，理論抽象，不易理解。圖像處理技術(shù)還有很強(qiáng)的實(shí)用性，因此理論和實(shí)踐的結(jié)合是本課程的關(guān)鍵，注重基礎(chǔ)理論和技術(shù)的教學(xué)，以及加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和課題研究能力的培養(yǎng)是本課程的主要教學(xué)目的。

圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為眾多高校的一門重要課程，該課程主要介紹圖像的數(shù)學(xué)描述、圖像的數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像編碼、圖像重建、圖像分割與邊緣提取、圖像的分析和識別等基本的圖像處理方法，使學(xué)生能熟練地掌握圖像處理的基本過程，并能應(yīng)用這些基本方法開發(fā)圖像處理系統(tǒng)。通過這樣的內(nèi)容設(shè)置，使學(xué)生能夠真正掌握圖像處理技術(shù)的基本思想和技術(shù)，為深入學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。

2 教學(xué)環(huán)節(jié)的探討和實(shí)踐

2.1 教材的選用和自主學(xué)習(xí)擴(kuò)充性資料的選用

圖像處理技術(shù)發(fā)展日新月異，雖然該課程已經(jīng)有很多可選教材，但大部分教材內(nèi)容比較陳舊，許多新的算法，新的思想都沒有提到，學(xué)生無法從這些教材中獲取圖像處理最新的技術(shù)和發(fā)展趨勢，因此我們選擇了章毓晉編著、清華大學(xué)出版社的《圖像工程》系列教材。該教材全面介紹了圖像工程的第一層次——圖像處理，圖像工程的第二層次——圖像分析，圖像工程的第三層次——圖像理解的基本概念、基本原理、典型方法、實(shí)用技術(shù)以及國際上相關(guān)研究的最新成果。同時(shí)我們要求學(xué)生將國外的經(jīng)典圖像處理的書籍作為參考書目，如：Rafael C Gonzalez主編的《Digital Image Processing》，并建議學(xué)生關(guān)注圖像處理的一些重要期刊和國際會議，如：IEEE Transactions on Medical Imaging、IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence、IEEE International Conference on Image Processing、電子學(xué)報(bào)、CT理論與應(yīng)用研究、模式識別與人工智能等。這樣學(xué)生能熟悉一些專業(yè)術(shù)語，了解最新的前沿動(dòng)態(tài)，并具備一定的英文文獻(xiàn)閱讀能力，為今后的科研和工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)一些最新方法和技術(shù)，例如，深入分析中華人民共和國設(shè)計(jì)制造的玉兔號月球車的結(jié)構(gòu)，給出玉兔號月球車如何通過全景相機(jī)、測月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外光譜儀等儀器，對月表進(jìn)行三維光學(xué)成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)科學(xué)探測，對月表物質(zhì)主要元素進(jìn)行現(xiàn)場分析等探測的原理和方法。又例如，探討將遙感圖像應(yīng)用于5.12汶川大地震的方法，2008年5月14日上午，中國科學(xué)院的兩架高性能遙感飛機(jī)飛赴汶川，對地震災(zāi)區(qū)開展遙感監(jiān)測和災(zāi)情評估工作，這兩架飛機(jī)可分別提供高分辨率光學(xué)和雷達(dá)圖像，具有全天候快速獲取大面積災(zāi)情數(shù)據(jù)的能力，探討如何根據(jù)汶川地震前、后圖像，給出建筑物、河流、山體等關(guān)鍵區(qū)域的變化檢測結(jié)果，為國務(wù)院和相關(guān)部門的抗震救災(zāi)工作提供咨詢服務(wù)和決策依據(jù)。

2.2 采用現(xiàn)代化教學(xué)模式與方法

為了使復(fù)雜的算法和抽象的知識更加形象化，便于學(xué)生理解和提高學(xué)習(xí)興趣，我們充分運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù)、工具和方法，采用多媒體形式進(jìn)行課堂教學(xué)，利用VC、MATLAB編寫一些典型的圖像處理程序，并在課堂上演示這些程序，增加了課堂的信息量，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的開展奠定了一定的編程基礎(chǔ)[3]。

此外，我們深入分析MOOCs、SPOCs以及“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式等國際流行教育新概念，嘗試開展圖像處理技術(shù)的MOOCs，包括從課堂教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程、學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、師生互動(dòng)過程等教與學(xué)過程的完整系統(tǒng)在線實(shí)現(xiàn)。MOOCs是一個(gè)改變學(xué)習(xí)方式的時(shí)代產(chǎn)物，受到全球各地的重視。國內(nèi)教育部三個(gè)教指委（計(jì)算機(jī)類專業(yè)、軟件工程專業(yè)、計(jì)算機(jī)課程）2013年底專門召開會議研討MOOCs。我們建立了校內(nèi)MOOCs平臺并對學(xué)生開放，將其作為課堂外學(xué)習(xí)的有效補(bǔ)充，這樣可以方便學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，或者進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。我們嘗試了結(jié)合圖像處理技術(shù)的MOOCs，探索創(chuàng)新教學(xué)模式與方法，穩(wěn)步提高教學(xué)質(zhì)量。

2.3 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

圖像處理技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、視頻通話、宇宙探測、自然災(zāi)害預(yù)測、環(huán)境污染的監(jiān)測、氣象云圖等應(yīng)用領(lǐng)域，而教材一般只涉及到理論知識和算法，或者是對應(yīng)用的簡單介紹，對其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)介紹得很少，所以必須加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，使理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐加強(qiáng)理論[4-5]。要求學(xué)生利用VC或者M(jìn)ATLAB進(jìn)行實(shí)際程序設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，具備圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)能力。

根據(jù)課程的教學(xué)要求設(shè)置了四個(gè)課外實(shí)驗(yàn)。①圖像變換實(shí)驗(yàn)。要求對輸入的圖像，分別采用傅里葉變換、離散余弦變換、小波變換進(jìn)行圖像變換，分別給出變換前后的圖像，并分析圖像變換前后的視覺效果。②圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。將給定的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，要求至少使用線性變換增強(qiáng)、對數(shù)變換增強(qiáng)、指數(shù)變換增強(qiáng)以及偽彩色增強(qiáng)處理，分析增強(qiáng)后的視覺效果。③圖像編碼實(shí)驗(yàn)。將給定的圖像進(jìn)行壓縮處理，要求采用 Huffman編碼方法，并計(jì)算壓縮比。分析圖像壓縮后的視覺效果，并對圖像壓縮效果進(jìn)行客觀評價(jià)。④圖像分割與邊緣提取實(shí)驗(yàn)。分別利用邊緣檢測法、閾值分割法進(jìn)行圖像分割；分析圖像分割后的視覺效果。學(xué)生完成所有實(shí)驗(yàn)后，我們安排了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)課，解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，進(jìn)一步提高學(xué)生的算法設(shè)計(jì)能力和編程能力。

在課程教學(xué)中，我們還安排了三次專題討論課，由教師指定具體題目，學(xué)生通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，深入分析基本原理和方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，編程實(shí)現(xiàn)，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生利用理論知識解決實(shí)際問題的能力。三次專題討論課分別是：

⑴ 數(shù)字圖像表示及其處理專題討論課。題目為：用VC或者M(jìn)atlab實(shí)現(xiàn)常見圖像文件格式的顯示；常見的圖像文件格式，以及用VC或者M(jìn)atlab實(shí)現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換；給出國內(nèi)外先進(jìn)的圖像處理系統(tǒng)軟、硬件，名稱、作用，以及先進(jìn)性的體現(xiàn)。

⑵ 圖像變換專題討論課。題目為：給出小波變換常用的小波基的基本原理、具體應(yīng)用，以及用VC或者M(jìn)atlab的具體實(shí)現(xiàn)；給出小波變換、脊波變換、子波變換的基本原理、具體應(yīng)用，用VC或者M(jìn)atlab的具體實(shí)現(xiàn)；給出小波變換以及小波變換在圖像處理中的具體應(yīng)用，以及用VC或者M(jìn)atlab的具體實(shí)現(xiàn)；給出快速傅里葉變換算法的具體內(nèi)容，以及時(shí)間復(fù)雜度或者運(yùn)行時(shí)間的分析。

⑶ 圖像編碼專題討論課。題目為：給出小波變換圖像編碼的基本思想與特點(diǎn)，編碼中需要解決的問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析；給出基于感興趣區(qū)域的小波圖像編碼方法的基本思想，具體步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析；給出幾種圖像編碼質(zhì)量評價(jià)方法，具體實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析；給出基于子波變換的圖像編碼基本思想與特點(diǎn)，具體步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

此外，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與本校教師主持的科研項(xiàng)目，如國家自然科學(xué)基金、863項(xiàng)目、科技支撐計(jì)劃，以及北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。這些項(xiàng)目涉及到視音頻檢索、視音頻理解、視音頻處理、網(wǎng)絡(luò)信息分析、文字處理、信息檢索、網(wǎng)絡(luò)行為分析、圖像識別等研究方向。通過參與項(xiàng)目，系統(tǒng)地鍛煉了學(xué)生的科研能力和思維創(chuàng)新能力，也為今后的科研工作打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 改革考核評價(jià)方式

考核是對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的檢驗(yàn)，考核目標(biāo)不僅要檢驗(yàn)學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，而且要對提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力起到作用。為了避免出現(xiàn)平時(shí)不努力，考前突擊的情況，我們對傳統(tǒng)的考核方式進(jìn)行了改革。本課程的考核由兩部分組成：平時(shí)成績（占30%）和期末考試成績（70%）。將平時(shí)的上課出勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和專題討論成績列入平時(shí)成績。在整個(gè)教學(xué)過程中，嚴(yán)格要求學(xué)生，使學(xué)生重視教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，圖像處理技術(shù)也越來越多地運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，因此圖像處理技術(shù)的課程教學(xué)也應(yīng)該不斷發(fā)展。本文對圖像處理技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容、教材選擇、教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行了探討，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和參與科研的積極性，以及解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)圖像處理新方法奠定了理論基礎(chǔ)，為他們進(jìn)一步開展相關(guān)方向的研究和應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。今后將進(jìn)一步研究圖像處理技術(shù)的教學(xué)方法，并將理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系起來。

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