數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法探討

陳淑清，藍雯飛

（1.莆田學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.中南民族大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，數(shù)字圖像捕獲設(shè)備的成本越來越低，體積越來越小巧，性能越來越高.近幾年，海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)都獲得了長足的發(fā)展，降低了圖像的存儲、傳輸和處理的成本.基于數(shù)字圖像處理的計算視覺技術(shù)開始滲透到社會生產(chǎn)和日常生活的方方面面，如工件質(zhì)量檢測、交通監(jiān)控、社區(qū)安防等離不開圖像處理技術(shù).近幾年許多高校把數(shù)字圖像處理作為計算機科學(xué)技術(shù)、電子信息工程和通信工程等專業(yè)的必修課或者專業(yè)方向選修課開設(shè).然而，數(shù)字圖像處理技術(shù)是集光學(xué)、微電子學(xué)、計算機科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科的一門綜合性邊緣科學(xué)[1].數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容涉及的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)偏多、圖像處理方法復(fù)雜、應(yīng)用廣泛，無論是教師想要上好這門課，還是學(xué)生想要學(xué)好這門課，難度都不小.

根據(jù)應(yīng)用型本科院校教學(xué)實踐過程中遇到的各種情況，本文總結(jié)了教學(xué)過程中遇到的幾個典型問題，結(jié)合學(xué)生的實際情況和培養(yǎng)目標(biāo)，提出了關(guān)于數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法的一些建議.

1 教學(xué)過程中遇到的主要問題

數(shù)字圖像處理[2]課程涉及的理論基礎(chǔ)知識比較多，內(nèi)容廣泛，學(xué)時有限，學(xué)生的基礎(chǔ)薄弱等因素都給本門課程的教學(xué)工作增加了難度.這門課程一般安排在第六或第七學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)熟悉了校園環(huán)境，適應(yīng)了大學(xué)生活，對于大學(xué)生活沒有了新鮮感和美好的憧憬，隨之而來的是焦慮、迷茫和浮躁.總得來說，主要有兩個方面的問題.

（1）對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)定位不合理，方法不得當(dāng).有些同學(xué)把學(xué)好具體的課程知識點當(dāng)作課程學(xué)習(xí)的最高目的；有些同學(xué)得過且過，沒有明確的目標(biāo)的，把應(yīng)付期末考試當(dāng)作學(xué)習(xí)的目標(biāo)，考前死記硬背，考后除了成績單上的數(shù)字之外，收效甚微.對于大學(xué)生來說，校園里每一門功課除了傳授專業(yè)知識之外，具體知識之外的內(nèi)容也同樣不容忽視.學(xué)習(xí)一門課程的目的往往不僅僅在于知識本身，尤其像《數(shù)字圖像處理》這種綜合性比較強的課程更是如此.在課程學(xué)習(xí)的過程中，碰到問題、面臨各種困惑和挫折感，分析問題，解決問題以及與同學(xué)老師互動過程中，訓(xùn)練了一個人的邏輯思維能力，磨練了一個人的心智，也培養(yǎng)了團隊合作的能力.另外，學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理不僅僅可以學(xué)習(xí)到數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論基礎(chǔ)和方法，也是對前期所學(xué)的先修課程的一次檢驗和強化訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會更好的應(yīng)用數(shù)學(xué)的工具分析和解決數(shù)字圖像處理的工程問題.

（2）學(xué)生理論基礎(chǔ)相對薄弱，涉及數(shù)學(xué)理論學(xué)習(xí)起來比較吃力.數(shù)字圖像處理涉及傅里葉變換、小波變換等數(shù)學(xué)分析工具，這些基礎(chǔ)學(xué)科的理論基礎(chǔ)是應(yīng)用型本科院校學(xué)生的短板，再加上學(xué)時有限，多數(shù)同學(xué)面對公式推導(dǎo)和理論分析的時候，知難而退.另有一些同學(xué)在學(xué)習(xí)的過程中過于專注于圖像處理數(shù)字理論推導(dǎo)和具體算法的分析，限于自身薄弱的數(shù)學(xué)功底，限入深奧的數(shù)學(xué)漩渦，倍感身心疲憊，打擊了學(xué)習(xí)的興趣和自信心.

2 教學(xué)方法初探

針對教學(xué)過程上遇到的上述問題，結(jié)合學(xué)生的實際情況和應(yīng)用型本科院校的培養(yǎng)目標(biāo)，筆者試著從教學(xué)指導(dǎo)思想、教學(xué)內(nèi)容安排以及數(shù)學(xué)理論處理方法上入手，實踐和思考數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革的思路.

2.1 確立重過程輕結(jié)果的教學(xué)指導(dǎo)思想

雖然數(shù)字圖像處理作為信息類學(xué)生的一門專業(yè)課，擔(dān)負著培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)工程知識和強化自然科學(xué)理論的應(yīng)用雙重任務(wù)，但是一個大學(xué)生的成長不是一蹴而就，也不是任何一門單一的課程可以決定的，因此，鍛煉學(xué)生的邏輯思維、分析問題和解決問題的能力，盡最大限度挖掘?qū)W生自學(xué)的能力，幫助學(xué)生樹立自信心，接受和包容學(xué)生的多樣性，幫助學(xué)生做更好的自己一樣不容忽視.

首先，從思想上接受和認可學(xué)生，不以學(xué)習(xí)成績優(yōu)劣給學(xué)生貼標(biāo)簽.經(jīng)過高考選拔進入應(yīng)用型本科院校的學(xué)生，多數(shù)學(xué)習(xí)積極性和主動性有限，自然學(xué)科的基礎(chǔ)知識也相對薄弱，對于枯燥的理論知識望而卻步.然而，這些學(xué)生中也不乏思維活躍，生性活潑好動，樂于與同學(xué)交流，善于動手實踐者.現(xiàn)實社會對理論知識深厚、文化素養(yǎng)高的科研型人才的需求量相對是比較少的，實踐操作能力強的專業(yè)技術(shù)型和技能型的人才才是社會經(jīng)濟建設(shè)不可或缺的生力軍.有些學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)成績不好，原因往往是多方面的，可能是因為投入時間少，學(xué)習(xí)興趣不高，課程本身難度高；也可能是學(xué)生已有明確的成長目標(biāo)，本該課程不在其計劃之內(nèi).筆者就遇到不少學(xué)生，專業(yè)課成績一般，卻各懷絕技，比如在游戲開發(fā)、自己創(chuàng)業(yè)和社會實踐等方面表現(xiàn)突出.

此外，在言語上多鼓勵學(xué)生，在行動上多幫助學(xué)生.雖說大學(xué)生已是成年人，理論上，內(nèi)因才是決定一個大學(xué)生能否成材的主要因素，大學(xué)生應(yīng)當(dāng)積極發(fā)揮自己的主觀能動性，不恥下問，主動學(xué)習(xí).實際上，獲得別人的肯定和夸獎是人類共同的心理需要，曾有學(xué)者經(jīng)過調(diào)查研究驗證了鼓勵對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣密切關(guān)系[3].因此，教師可以創(chuàng)造各種機會，多與學(xué)生交流，了解學(xué)生的真正需要，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的優(yōu)點，有針對性地鼓勵學(xué)生，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)點并一步一步實現(xiàn)各自的目標(biāo).

最后，在教學(xué)過程中嚴格要求，在最后考試的時候放松要求.第一節(jié)課，明確考核要求，公布考核方法.在考核標(biāo)準(zhǔn)的制定上，偏重學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)態(tài)度，弱化結(jié)果的考核，把考核當(dāng)作一次幫助學(xué)生檢驗學(xué)習(xí)效果的手段，而不是目的.不需要在考核上給學(xué)生太大的壓力，讓學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生抵觸的情緒.

2.2 合理安排教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字圖像處理[4]主要包括三個方面的內(nèi)容：數(shù)字圖像處理的基本概念、基礎(chǔ)理論和數(shù)字圖像處理的應(yīng)用.其中基本概念部分主要介紹圖像信息的采集及其數(shù)字化表示、數(shù)字圖像顯示與存儲以及圖像處理的各種基本運算；數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論主要介紹數(shù)字圖像處理過程中常用的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)分析工具，包括線性濾波、傅立葉變換、離散余弦變換和小波變換等；數(shù)字圖像處理應(yīng)用部分包括圖像復(fù)原、圖像增強、圖像壓縮與編碼、圖像分割等內(nèi)容.

由于學(xué)時有限，在教學(xué)內(nèi)容的安排上，不能一味求全，面面俱到.圖像的基本概念部分是整個課程內(nèi)容的基礎(chǔ)，這一部分應(yīng)當(dāng)細講，尤其是圖像的表示、存儲和各種基本運算等，需要結(jié)合案例并應(yīng)用MATLAB仿真平臺演示，力求做到吃透圖像的基礎(chǔ)理論部分，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打開堅實的基礎(chǔ).數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論和數(shù)字工具部分著重介紹空間域的線性濾波變換和傅里葉變換與分析，這部分內(nèi)容比較抽象，結(jié)合案例和上機實驗反復(fù)操練，讓學(xué)生慢慢接受.最后數(shù)字圖像處理的應(yīng)用部分問題的關(guān)鍵在于對具體應(yīng)用問題的數(shù)學(xué)建模，不同的應(yīng)用需要采用不同的數(shù)學(xué)模型，這一部分可以根據(jù)學(xué)時的多少和教學(xué)進度，優(yōu)先講解比較基礎(chǔ)的圖像復(fù)原和圖像增強兩個部分，而圖像壓縮編碼和圖像分割部分可以作為選講內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)時安排確定是否講解.

2.3 數(shù)學(xué)理論是工具，不是目的

在數(shù)字圖像處理這門課程的教學(xué)過程中，不可避免地需要面對許多數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)分析.喜歡追根問底的同學(xué)，隨著年齡的增長，面于一堆的數(shù)學(xué)公式，可能腦中條件反射地冒出了一串問號：為什么要對圖像進行傅里葉變換？為什么要進行周期延拓？為什么可以這樣變換？等式的兩邊真的可以相等嗎？為什么要用正交基？不把所有公式推導(dǎo)一遍，所有的問題問個明白，就會本能地拒絕接受新的知識和理論，沒有辦法繼續(xù)課程的學(xué)習(xí).而對于習(xí)慣性選擇記憶的方式來接受新知識的同學(xué)，面對一堆看似毫無規(guī)律的數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)過程，可能直接就繳械投降了.

所以，處理好數(shù)學(xué)公式和理論分析部分在課程內(nèi)容教學(xué)中的位置也是教學(xué)成敗的關(guān)鍵因素之一.建議采用問答式教學(xué)，啟發(fā)學(xué)生分層思考問題的習(xí)慣，把數(shù)學(xué)當(dāng)作一種工具，而不需要深入去研究所有的數(shù)學(xué)公式，就像做豆腐的師傅不需要知道黃豆是怎么種出來的一樣.下面以傅里葉變換為例來闡述這個問題.傅里葉變換在數(shù)字圖像處理中只是一種手段，一種工具，這種工具可以暴露圖像的頻域特征，使得我們可以從另一個角度觀察圖像.圖像中的高頻信息對應(yīng)圖像中邊緣、紋理等變化較大的部分，而低頻部分對應(yīng)圖像中的整體亮度和變換緩慢的部分.首先在MATLAB平臺，對一個8X8的矩陣執(zhí)行傅立葉變換，并顯示變換前后的矩陣內(nèi)容，指出高頻系數(shù)和低頻系數(shù)在矩陣中的位置，再執(zhí)行傅里里反變換并與原始矩陣進行比較，讓學(xué)生直觀地了解傅立葉變換的過程.然后，再任選一幅灰度圖像，對其應(yīng)用傅里葉變換，顯示其頻譜圖（因為頻譜往往超出圖像所能表示的動態(tài)范圍，一般在顯示之前需要對其執(zhí)行灰度變換以便肉眼觀察），引導(dǎo)學(xué)生觀察圖像的頻譜特征.接著，把變換后的傅里葉系數(shù)的低頻和高頻成份分別置零，再進行傅立葉反變換，觀察缺失了低頻或高頻成分之后的對應(yīng)圖像，并與原圖做比較，讓學(xué)生分析圖像高低頻成分分別反應(yīng)原圖像的什么特征.最后，再列出傅里葉變換的公式，解釋一下各個參數(shù)的意義，幫助理解，不要求學(xué)生死記硬背公式.

3 結(jié)論

數(shù)字圖像處理這門課程涉及多個學(xué)科的交叉知識，涉及的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)比較復(fù)雜，應(yīng)用廣，教學(xué)難度比較大，學(xué)生學(xué)習(xí)困難.筆者在教學(xué)實踐過程中總結(jié)了應(yīng)用型本科院校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)過程中面臨的主要問題，并提出來一些探索性的教學(xué)改革方法，取得了一定的成效.

〔1〕閔晶妍.基于實踐的數(shù)字圖像處理課程研究[J].襄樊學(xué)院學(xué)報,2009(5):75-77.

〔2〕岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理(matlab版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

〔3〕馬智聰.淺析鼓勵式教學(xué)與提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)系[J].黑龍江史志，2011（1）：46-47.

〔4〕楊杰.數(shù)字圖像處理及 MATLAB實現(xiàn)（第 2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.