數(shù)字圖像處理教學(xué)改革淺談

丁建偉　唐云祁　田華偉

摘要：針對(duì)中國(guó)人民公安大學(xué)視頻偵查專業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字圖像處理教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)，該文探討了如何通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容、豐富課堂教學(xué)方法和突出學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐來(lái)改善數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)效果，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；視頻偵查；教學(xué)方法；實(shí)踐；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0121-02

Abstract： By observing the characteristics of video investigation major in People's Public Security University of China， and based on the teaching experiences in digital image processing classes， this paper studies to reform teaching content， enrich teaching methods and stress practice of students to improve teaching performances of digital image processing， and develop the hands-on abilities and abilities to solve practical problems of students.

Key words： digital image processing； video investigation； teaching method； practice； teaching reformation

1 引言

圖像蘊(yùn)含豐富的信息，是人們感知世界的重要來(lái)源。數(shù)字圖像處理主要通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，包括分割、增強(qiáng)、復(fù)原、去噪、特征提取和分析理解等[1]。目前，數(shù)字圖像處理技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如軍事、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和公安等等。而這些應(yīng)用需求的增長(zhǎng)推動(dòng)了數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展。由于數(shù)字圖像處理技術(shù)的重要性，很多大學(xué)在計(jì)算機(jī)信息類專業(yè)開設(shè)了數(shù)字圖像處理的課程。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本概念、原理和經(jīng)典算法，并能了解如何將其運(yùn)用于實(shí)際生活。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是一門理論性較強(qiáng)的課程，需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，例如線性代數(shù)和信號(hào)處理等，因此在教學(xué)中很容易出現(xiàn)枯燥的算法講解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生也可能因?yàn)榻虒W(xué)過(guò)于理論和抽象而失去興趣，或因?yàn)楦杏X太難而產(chǎn)生畏懼心理。數(shù)字圖像處理技術(shù)也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，很多典型算法是從應(yīng)用需求逐漸發(fā)展來(lái)的，脫離應(yīng)用只講理論，學(xué)生會(huì)不知所云，不知道算法理論的具體用處和如何使用。為了改善課堂教學(xué)和提升學(xué)生動(dòng)手能力，教師有必要從學(xué)生專業(yè)需求出發(fā)，針對(duì)課程特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)課程，探索如何將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)完美結(jié)合，使學(xué)生最終既能掌握足夠的基礎(chǔ)知識(shí)，又能對(duì)實(shí)際應(yīng)用有足夠的了解。本文將結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，探討如何改善數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)過(guò)程，提升最終的教學(xué)效果。

2 數(shù)字圖像處理課程改革的出發(fā)點(diǎn)

數(shù)字圖像處理是一門綜合性的技術(shù)，集成了計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)和信號(hào)處理等多學(xué)科的知識(shí)，涵蓋的內(nèi)容非常廣，從底層的圖像增強(qiáng)、復(fù)原和編碼到中高層的特征提取、分割和圖像理解，在有限的課時(shí)里教師不可能詳細(xì)講解所有內(nèi)容。因此，教師在授課前就需要對(duì)授課對(duì)象的專業(yè)有所了解，從學(xué)生今后工作的需求出發(fā)，精心選擇授課內(nèi)容。筆者授課對(duì)象是我校新成立的視頻圖像偵查專業(yè)學(xué)生，該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后主要在公共安全部門從事視頻圖像偵查的相關(guān)工作，通過(guò)搜集整理分析大量的視頻資料，縮小排查范圍，鎖定嫌疑人并找到相關(guān)證據(jù)，提升破案效率。在視頻偵查過(guò)程中，對(duì)模糊圖像的增強(qiáng)或復(fù)原是學(xué)生必備的技能。因此，筆者在授課時(shí)除了講解重要的基礎(chǔ)知識(shí)，將本門課程的側(cè)重點(diǎn)放在圖像的增強(qiáng)與復(fù)原上，而學(xué)生對(duì)這部分的內(nèi)容也非常感興趣，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和熱情都非常高，這樣教師的授課效果也大大提高了。

3 理論授課內(nèi)容與教學(xué)方式的改革

在理論授課內(nèi)容上，結(jié)合我校專業(yè)特點(diǎn)做了精心的修訂，即加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解，突出專業(yè)特色與實(shí)用性，強(qiáng)調(diào)圖像處理算法的具體應(yīng)用和如何編程實(shí)現(xiàn)，注意結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行講解分析，做到理論和實(shí)際完美結(jié)合[2]。

我校數(shù)字圖像處理處理課程為54課時(shí)，理論授課為45課時(shí)，主要講解圖像處理的基本原理與運(yùn)算、圖像的空間和頻域增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮、圖像分割和圖像的表示與描述等。由于課時(shí)有限，因此在講解圖像分割、圖像壓縮和圖像的表示與描述等內(nèi)容時(shí)只是簡(jiǎn)單的介紹，而且圖像視頻偵查專業(yè)在后續(xù)課程安排上也有這些內(nèi)容的更深入的講解。我們?cè)谑谡n時(shí)主要把精力放在了對(duì)圖像處理的基本原理與運(yùn)算、圖像的空間與頻域增強(qiáng)和圖像復(fù)原這些內(nèi)容的講解上。

為了滿足我校專業(yè)特點(diǎn)和授課內(nèi)容改革要求，我校自己編寫了數(shù)字圖像處理的教材，具有理論性、系統(tǒng)性和實(shí)用性等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。另外，我們還選擇了由田納西大學(xué)的岡薩雷斯教授編寫和北京交通大學(xué)阮秋琦翻譯的數(shù)字圖像處理中文教材作為補(bǔ)充，該書是一本非常經(jīng)典的數(shù)字圖像處理書籍，講解非常詳細(xì)，內(nèi)容很全面，案例也非常多，還有配套的Matlab版本書籍，方便學(xué)生自學(xué)探索。

在教學(xué)方式上，我們探索使用多種現(xiàn)代化的工具豐富課堂教學(xué)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要基于黑板和粉筆，比較單一，不利于展現(xiàn)圖像處理的豐富細(xì)節(jié)，效果很難令人滿意。數(shù)字圖像處理課程主要講解的是如何處理圖像，即展現(xiàn)的是圖像或圖形[3]。為了保證課程的可視性效果，我們基于多媒體技術(shù)開發(fā)了豐富多彩的課件，通過(guò)PPT和投影儀給學(xué)生更形象生動(dòng)的展示。為了提高學(xué)生上課的興趣，我們采用了更多的互動(dòng)式教學(xué)，轉(zhuǎn)變只有老師在講臺(tái)上講解的現(xiàn)狀，通過(guò)引導(dǎo)式的提問(wèn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生理解問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，并積極鼓勵(lì)學(xué)生上課提問(wèn)和討論。另外，由于數(shù)字圖像處理的一些理論和算法比較抽象[4]，數(shù)學(xué)公式比較多，我們?cè)谏险n前編寫了一些小程序，在課堂上通過(guò)運(yùn)行這些小程序演示效果，給學(xué)生更直觀的感受，并且通過(guò)講解程序的每一步的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生結(jié)合理論和算法分析，更深刻的理解理論和算法的內(nèi)涵以及如何使用，大部分學(xué)生對(duì)這種直觀演示也更感興趣。

對(duì)于理論學(xué)習(xí)的考核，我們主要采用課堂教學(xué)提問(wèn)、布置作業(yè)和最終閉卷考試等多種方式，平時(shí)成績(jī)占20%，最終閉卷考試成績(jī)占70%，另外10%是實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

4 實(shí)踐教學(xué)的改革

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般集中在固定的時(shí)間和使用固定的儀器設(shè)備。首先由老師講解原理，然后現(xiàn)場(chǎng)演示如何操作，最后學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)逐步進(jìn)行試驗(yàn)[5]。這種方式比較單一，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，學(xué)生可能只是生搬硬套的做完試驗(yàn)，但是沒有更深入的分析為什么這么做以及如何改進(jìn)試驗(yàn)，做完試驗(yàn)可能很快也就忘了。另外，由于基于課堂的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，我校數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課時(shí)僅有9課時(shí)，而實(shí)際上如果學(xué)生只在這9個(gè)課時(shí)里做實(shí)驗(yàn)的話，很顯然是不夠的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高學(xué)生動(dòng)手能力的目的[6]。因此，我們規(guī)定了5個(gè)學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)，主要是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，一般在實(shí)驗(yàn)室課堂上完成。另外，我們還布置了3個(gè)開放性的實(shí)驗(yàn)題目，開放性的實(shí)驗(yàn)題目一般屬于綜合性的題目，需要學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)，發(fā)揮自己的想象力，獨(dú)立編程調(diào)試，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，并且需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出自己的見解。由于開放性的實(shí)驗(yàn)題目要求較高，難度較大，為了避免學(xué)生抄襲，使學(xué)生真正動(dòng)手實(shí)現(xiàn)而不是走過(guò)場(chǎng)，學(xué)生交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要附上自己編寫的程序源代碼、注釋以及具體的實(shí)驗(yàn)步驟和分析內(nèi)容。

在具體的開放性實(shí)驗(yàn)題目選擇上，為了突出本專業(yè)的特點(diǎn)以及考慮學(xué)生畢業(yè)后的需求，我們主要選擇了圖像的增強(qiáng)和復(fù)原，例如夜晚圖像的增強(qiáng)和復(fù)原、噪聲污染圖像的復(fù)原以及人臉車牌圖像的增強(qiáng)與復(fù)原等。另外，我們?cè)O(shè)置的題目并沒有固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即學(xué)生可以自己選擇具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生可以自己拍攝圖像并對(duì)圖像進(jìn)行處理，這樣可以進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和探索問(wèn)題的能力。

在實(shí)驗(yàn)編程軟件的選擇上，推薦學(xué)生使用Matlab軟件[7]，因?yàn)镸atlab集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體，功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，是國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。但我們也鼓勵(lì)學(xué)生嘗試使用C或C++等編程軟件，這樣更能鍛煉學(xué)生的編程能力。我們也給學(xué)生推薦了一些圖像處理開源軟件的庫(kù)，幫助學(xué)生借鑒優(yōu)秀的算法實(shí)現(xiàn)，但是需要避免學(xué)生直接抄襲。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核，主要通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室課堂表現(xiàn)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和開放實(shí)驗(yàn)題目情況綜合判斷，強(qiáng)調(diào)考核學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

總之，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，一切堅(jiān)持以教師來(lái)引導(dǎo)、學(xué)生為動(dòng)手主體、訓(xùn)練為中心、能力為最終目標(biāo)[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合我校視頻圖像偵查專業(yè)的特點(diǎn)，從學(xué)生工作需求出發(fā)，探討了通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)對(duì)授課內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，豐富課堂教學(xué)方法和突出學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐來(lái)改善數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)，幫助學(xué)生提高使用圖像處理知識(shí)解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)出社會(huì)真正需要的人才。當(dāng)然，對(duì)于數(shù)字圖像處理的教學(xué)改革與優(yōu)化是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，還需要不斷的探索和努力，只有這樣才能滿足社會(huì)對(duì)圖像處理人才的需求。

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