“圖像信息處理”課程教輔軟件的設(shè)計(jì)

吳 峰，朱錫芳，劉 浩，徐志超，趙 越

(常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，江蘇常州213002)

0 引言

在“圖像信息處理”課程教學(xué)中，任課教師通常會(huì)舉出一些反映知識(shí)點(diǎn)的實(shí)例，通過計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI(Computer Aided Instruction)進(jìn)行演示，使抽象的知識(shí)變得生動(dòng)形象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如文獻(xiàn)［1]指出，在原理講解之后，采用Matlab處理實(shí)例圖片驗(yàn)證基礎(chǔ)理論和算法，有助于學(xué)生深刻理解理論知識(shí)。此外，一些教師采用課題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法，將實(shí)際課題引入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。如:文獻(xiàn)［3]和［4]將項(xiàng)目教學(xué)法引入到數(shù)字圖像處理課堂，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

由于學(xué)生的編程基礎(chǔ)較薄弱，他們并不能很好地將理論和算法緊密聯(lián)系起來，較難理解圖象處理的程序?qū)崿F(xiàn)方法，處理實(shí)際問題的能力不強(qiáng)。同時(shí)，在課后自學(xué)過程中，他們普遍不能順利使用實(shí)例或項(xiàng)目程序。為此還需進(jìn)一步研究新的教學(xué)方法。

本文以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，提出開發(fā)“圖像信息處理”課程教輔軟件，將之應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，以便改善教學(xué)效果。為此介紹教輔軟件的設(shè)計(jì)思想，給出設(shè)計(jì)過程和結(jié)果。實(shí)踐表明，教輔軟件具有引導(dǎo)學(xué)生開展啟發(fā)式教學(xué)的功能，有助于學(xué)生自學(xué)和課后復(fù)習(xí)，提高他們的應(yīng)用能力。

1 設(shè)計(jì)思想

傳統(tǒng)教學(xué)方法通常強(qiáng)調(diào)以教師為中心的“教”，而現(xiàn)代教學(xué)理論則強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的“教”。建構(gòu)主義作為現(xiàn)代教育理論的代表，認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)生主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)意義的過程［5]?；谶@一理念，我們開發(fā)了“圖像信息處理”課程教輔軟件，并將該軟件應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，獲得如下的教學(xué)效果。

1)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)

首先，該教輔軟件是“所見即所得”的視窗軟件，能將抽象的理論轉(zhuǎn)化成直觀的圖片展現(xiàn)，易于學(xué)生理解和接受。其次，軟件允許安裝到每個(gè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)，便于學(xué)生自由操作、隨時(shí)隨地地使用。通過引導(dǎo)學(xué)生操作和使用教學(xué)軟件，培養(yǎng)他們對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣。再次，教輔軟件將大部分演示實(shí)例集成為一個(gè)有機(jī)整體，能重現(xiàn)演示實(shí)例。學(xué)生也能自主操作軟件，觀察和思考圖象處理的效果，開展探究學(xué)習(xí)，其自學(xué)能力也能因此增強(qiáng)。

2)引導(dǎo)學(xué)生參與課堂教學(xué)，增強(qiáng)師生互動(dòng)

教輔軟件為師生交流搭建起了一座橋梁，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察圖象處理的效果，啟發(fā)他們思考問題，并歸納和總結(jié)知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生通過改變圖像處理所需的參數(shù)，或是改變?cè)紙D像，觀察和發(fā)現(xiàn)圖像處理中的問題，及時(shí)和教師交流。軟件增強(qiáng)師生互動(dòng)，幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)，成為學(xué)習(xí)的主體。幫助教師高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)。

3)增強(qiáng)學(xué)生的編程技能，提高其應(yīng)用能力

程序設(shè)計(jì)是將數(shù)字圖像處理理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的必要技能，在學(xué)生編程基礎(chǔ)比較薄弱和不可能增加課時(shí)強(qiáng)化編程的條件下，教輔軟件成為提高他們應(yīng)用能力的有效工具。首先，它是一款學(xué)生無需編程知識(shí)就能使用的可視化應(yīng)用軟件，有一定趣味性，這為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。其次，軟件提供了每次圖像處理的程序代碼，學(xué)生在潛移默化中會(huì)關(guān)注圖像處理結(jié)果與程序代碼之間的聯(lián)系，思考圖像處理的程序?qū)崿F(xiàn)方法。最后，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，學(xué)生編程技能逐步提高，其解決問題能力隨之提升。

2 設(shè)計(jì)過程

Matlab軟件具有強(qiáng)大的圖像處理功能，其對(duì)應(yīng)工具箱封裝了本課程所涉及的基本函數(shù)，是學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的理想軟件［6]。基于上節(jié)設(shè)計(jì)思想，本文在Matlab軟件平臺(tái)上，利用其圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)功能，開發(fā)設(shè)計(jì)“圖像信息處理”課程教輔軟件。

2.1 模塊劃分

在軟件設(shè)計(jì)之前，依據(jù)“圖像信息處理”課程教學(xué)內(nèi)容，劃分軟件模塊及其子模塊。將軟件分成圖像基本操作、圖像正交變換、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮編碼、圖像分割和圖像其他處理等6個(gè)模塊，每個(gè)模塊又細(xì)分為多個(gè)子模塊，具體劃分如圖1所示。

圖1 “圖像信息處理”課程教學(xué)軟件主界面

2.2 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面包括主界面和子模塊界面。主界面列出了軟件系統(tǒng)的6大模塊及其子模塊，是開展知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的入口，如圖1所示。子模塊對(duì)應(yīng)課程的重要知識(shí)點(diǎn)，反映教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。使用者通過觸發(fā)主界面上的子模塊按鈕，打開對(duì)應(yīng)的子模塊界面，再進(jìn)行后期操作。

子模塊界面分為圖像顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、菜單欄和工具欄四個(gè)部分，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇適當(dāng)?shù)目丶?，合理安排它們的布局和功能。圖2給出了“圖像灰度變換”子模塊界面的分布情況，圖中的①為圖像顯示區(qū);②為參數(shù)設(shè)置區(qū);③為菜單欄和工具欄。

圖2 “灰度變換”子模塊界面

圖像顯示區(qū)顯示原始圖像、中間過程圖像和處理結(jié)果圖像，或者以圖像方式顯示的數(shù)據(jù)，展現(xiàn)基本原理的應(yīng)用過程和效果。參數(shù)設(shè)置區(qū)用于修改圖象處理?xiàng)l件和參數(shù)，并更新圖像顯示區(qū)的圖像。

菜單欄用于實(shí)現(xiàn)常規(guī)的文件操作和編輯圖片操作，包括“文件”、“編輯”、“視圖”和“幫助”等菜單項(xiàng)。其中“幫助”菜單項(xiàng)是一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)，它包含“實(shí)例演示”、“知識(shí)點(diǎn)”和“原理講解”等命令。工具欄部分與菜單欄中幾個(gè)主要命令相對(duì)應(yīng)，如文件的打開、保存和縮放圖片等。

2.3 程序設(shè)計(jì)和控件功能的實(shí)現(xiàn)

軟件界面設(shè)計(jì)完成后，通過程序設(shè)計(jì)，編寫代碼，界面中的控件、菜單、工具欄才能響應(yīng)用戶操作，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。在GUI設(shè)計(jì)中，使用者通過點(diǎn)擊、拖動(dòng)、選擇控件，或者向文本框輸入字符等一系列的操作稱為事件。通常編寫控件的回調(diào)函數(shù)，以使它們響應(yīng)事件。例如，在圖2中，從參數(shù)設(shè)置區(qū)“圖像旋轉(zhuǎn)”的下拉菜單中選取旋轉(zhuǎn)角度值，圖像顯示區(qū)就會(huì)顯示旋轉(zhuǎn)結(jié)果圖，直方圖也作相應(yīng)變化。程序設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)軟件人機(jī)交互的必要步驟，也是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。

3 教學(xué)軟件應(yīng)用舉例

本節(jié)以“空域平滑濾波”子模塊為例，說明軟件在教學(xué)中的應(yīng)用。該子模塊的界面如圖3所示。

圖3 “空域平滑濾波”子模塊界面中控件的分布

(1)啟發(fā)學(xué)生掌握空域平滑濾波的作用。在不添加噪聲的前提下，引導(dǎo)學(xué)生選擇不同濾波器，觀察平滑濾波的總體效果。學(xué)生也能使用菜單欄中“文件”菜單項(xiàng)，開展第二次、第三次等多次濾波。通過以上操作，學(xué)生能清楚認(rèn)識(shí)到平滑濾波的作用是濾除圖像的高頻信號(hào)，可用于去噪。

(2)引導(dǎo)學(xué)生掌握空域平滑濾波的過程和方法。指導(dǎo)學(xué)生選擇“幫助”菜單欄中“原理講解”命令，軟件以視頻方式講解空域平滑濾波的過程，幫助學(xué)生掌握模板在濾波中的作用。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生改變模板大小，啟發(fā)他們觀察濾波效果，思考其成因。此外，再讓學(xué)生比較不同濾波器處理含噪聲圖像的結(jié)果，明確濾波算法的差異。采用本子模塊教學(xué)，有助于他們加深理解空域平滑濾波過程。

(3)啟發(fā)學(xué)生思考空域平滑濾波器的分類。學(xué)生在操作過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)選擇均值濾波器和中值濾波器時(shí)，對(duì)應(yīng)的控件分布有差異，如圖3(a)和(b)所示。學(xué)生通過比較它們的濾波過程，歸納得出空域平滑濾波器可分為線性濾波器和非線性濾波器，明確兩類濾波器的特點(diǎn)。

(4)引導(dǎo)學(xué)習(xí)空域平滑濾波程序設(shè)計(jì)方法。“幫助”菜單欄中“實(shí)例演示”命令提供演示實(shí)例的窗口，如圖4所示?！皩?shí)例演示”界面使學(xué)生易于掌握關(guān)鍵的程序命令和空域平滑濾波的編程方法。此外，當(dāng)學(xué)生修改部分代碼時(shí)，軟件將馬上給出處理效果，這有助于啟發(fā)學(xué)生思考代碼和處理結(jié)果之間的聯(lián)系，從而強(qiáng)化他們對(duì)理論知識(shí)的理解。

圖4 “空域平滑濾波”子模塊實(shí)例演示界面

4 結(jié)語

概括起來，本文開發(fā)的“圖像信息處理”課程教輔軟件具有以下作用:

(1)軟件充分反映了教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的人機(jī)交互功能，有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。軟件也便于教師有效組織課堂教學(xué)內(nèi)容，開展啟發(fā)式教學(xué)。使學(xué)生踴躍思考問題和質(zhì)疑，提高他們參與教學(xué)的積極性，促進(jìn)其自主構(gòu)建知識(shí)。

(2)軟件將教學(xué)內(nèi)容、原理講解、典型實(shí)例集成為一個(gè)有機(jī)整體，有利于學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)和自學(xué)。軟件允許學(xué)生通過反復(fù)操作，開展探究學(xué)習(xí)，便于他們?cè)佻F(xiàn)課堂學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)其牢固掌握理論知識(shí)，并逐步增強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力。

(3)軟件提供演示實(shí)例的程序代碼，有助于學(xué)生循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)方法，激發(fā)學(xué)生掌握理論的程序?qū)崿F(xiàn)方法，提高他們的編程應(yīng)用能力。

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