面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式的研究*

汪 軍，強(qiáng) 俊

(安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽蕪湖241000)

圖像是人類感知和獲取外界信息的主要來源，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域涉及人類生活和工作的方方面面。特別是我國(guó)正加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，在以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化，著力推動(dòng)制造業(yè)信息技術(shù)的集成應(yīng)用，完善制造業(yè)的技術(shù)和裝備的大背景下，機(jī)器視覺技術(shù)在中國(guó)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展期，眾多公司在尋求利用機(jī)器視覺來代替人類視覺進(jìn)行生產(chǎn)，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。機(jī)器視覺和人類視覺一樣，它獲取信息最基本的形式為圖像，關(guān)于圖像的研究涉及數(shù)學(xué)、物理、光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科。目前，數(shù)字圖像處理已成為工科院校信息類本科高年級(jí)學(xué)生的重要應(yīng)用課程。圖像處理課程內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)理論、多種數(shù)理處理算法和計(jì)算機(jī)編程，它的技術(shù)在遙感、測(cè)繪、工業(yè)控制、智能交通、機(jī)器人、醫(yī)療等工程方面得到廣泛應(yīng)用［1］。以工程師的視角來分析和講解這門課程，重點(diǎn)傳授如何將這種新興技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中是該門課程改革的主要方向。此處運(yùn)用現(xiàn)代工程教育理論，將工程應(yīng)用融入數(shù)字圖像處理課堂教學(xué)，以應(yīng)用所需知識(shí)為主線貫穿圖像處理知識(shí)點(diǎn)，從演示現(xiàn)象到理論分析，再到處理算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，最后引入工程實(shí)踐訓(xùn)練，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽內(nèi)容，對(duì)圖像處理算法展開應(yīng)用，進(jìn)行工程實(shí)踐。這種教學(xué)理念在我校的計(jì)算機(jī)學(xué)院相關(guān)專業(yè)數(shù)字圖像處理的教學(xué)中取得了良好的效果。

1 面向應(yīng)用的課程教學(xué)模式

1.1 面向應(yīng)用的工程教學(xué)

現(xiàn)代工程教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)面向工程應(yīng)用，從應(yīng)用的角度組織知識(shí)點(diǎn)，重視學(xué)生的主體地位，挖掘?qū)W生自我學(xué)習(xí)的能力［2］。主要教學(xué)思想是理論課堂采用實(shí)例化教學(xué)，從工程設(shè)計(jì)或產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用入手，將課程的知識(shí)、原理同應(yīng)用實(shí)例有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成學(xué)生易于接受的從現(xiàn)象到原理分析，再到學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后回到工程實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式。

面向應(yīng)用的工程教學(xué)模式的特征為“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)［3］”。一方面，運(yùn)用能夠體現(xiàn)課程價(jià)值與魅力的工程實(shí)例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力，引導(dǎo)其在理論聯(lián)系實(shí)際的過程中主動(dòng)地自我掌握專業(yè)知識(shí)、技能和素養(yǎng);另一方面，以應(yīng)用為目的，改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生開展工程實(shí)踐活動(dòng)。

面向應(yīng)用的工程教學(xué)模式的教學(xué)目標(biāo)是將概念、原理、方法、思想融入到應(yīng)用實(shí)例中，并將其轉(zhuǎn)化為學(xué)生解決問題的理論基礎(chǔ)和工具，使學(xué)生具備解決實(shí)際工程問題的知識(shí)、能力和素質(zhì)［4-5］。面向應(yīng)用的教學(xué)過程是教師、學(xué)生共同參與合作，教師主要負(fù)責(zé)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際過程，強(qiáng)調(diào)的是教學(xué)與工程應(yīng)用的結(jié)合，活動(dòng)的組織和引導(dǎo)。面向應(yīng)用的工程教學(xué)作為大學(xué)教學(xué)的基本思想，對(duì)提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才具有重要意義。

1.2 數(shù)字圖像處理理論知識(shí)教學(xué)體系

國(guó)內(nèi)數(shù)字圖像處理的教材絕大部分都是參考岡薩雷斯著的Digital Image Processing一書編著出版，其主要內(nèi)容體系包括緒論、數(shù)字圖像基礎(chǔ)、灰度變換、幾何變換、空間濾波、頻域?yàn)V波、圖像復(fù)原與重建、彩色圖像處理、小波及多分辨率處理、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)圖像處理、圖像分割、表現(xiàn)與描述、目標(biāo)識(shí)別等［1］。理論教學(xué)主要圍繞這些內(nèi)容展開，傳統(tǒng)的授課方式都是講述圖像處理的基本原理與方法，理論教學(xué)大部分時(shí)間花費(fèi)在原理的推導(dǎo)上，對(duì)于圖像處理方法的應(yīng)用涉及較少，造成學(xué)生覺得這門課程枯燥，理論太難［6］。使得本來是面向工程應(yīng)用，實(shí)踐性很強(qiáng)的數(shù)字圖像處理課程被學(xué)生理解成了數(shù)學(xué)理論類的課程，看不到課程的工程應(yīng)用價(jià)值，大大降低了學(xué)生掌握、學(xué)好這門課程的信心和興趣，教學(xué)效果大打折扣。

以工程應(yīng)用所需知識(shí)為主線，就是以應(yīng)用為目標(biāo)，以工程項(xiàng)目所需的知識(shí)點(diǎn)組織教學(xué)體系。圖像處理在工程應(yīng)用中是代替人的視覺去理解視覺場(chǎng)景，因此為了圖像的理解、識(shí)別，自然要對(duì)圖像進(jìn)行處理以滿足圖像理解。圖像處理教學(xué)按照?qǐng)D像處理應(yīng)用的工程一般過程去組織，涉及圖像的采集、圖像灰度變換、幾何變換校正、濾波與圖像復(fù)原等預(yù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)運(yùn)算，分割減少圖像理解識(shí)別的干擾信息，表現(xiàn)出圖像的主要內(nèi)容，最后進(jìn)行圖像的理解和目標(biāo)識(shí)別，為工程應(yīng)用服務(wù)。

從演示工程應(yīng)用入手教學(xué)的基本理念是避開理論的推導(dǎo)，首先講述該圖像處理算法在工程中的應(yīng)用，演示工程應(yīng)用實(shí)例程序，給出算法的應(yīng)用目標(biāo);再闡述算法的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，并運(yùn)用Matlab圖像處理工具箱進(jìn)一步演示圖像處理算法的效果，激發(fā)學(xué)生的興趣;最后，運(yùn)用算法語(yǔ)言描述該圖像處理算法的流程，給出用具有移植性好的C語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)途徑，為工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。這里以圖像處理中灰度變換的授課為例，說明教師在深刻理解灰度變換本質(zhì)和掌握灰度變換的工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程。

教學(xué)內(nèi)容:灰度變換的本質(zhì)是灰度圖像以像素矩陣表示，對(duì)圖像數(shù)據(jù)的每個(gè)像素進(jìn)行修正，改變圖像的灰度范圍及分步，像素的位置不發(fā)生改變。修正的方法用一個(gè)映射將原圖像中每個(gè)像素的值映射為新的值，因此根據(jù)映射函數(shù)的不同，自然就有了線性變換和非線性變換兩大類不同的變換算法。線性變換和非線性變換算法本質(zhì)是相同的，在課時(shí)有限的情況下只需要詳細(xì)描述其中的一、兩種即可，其他的作為課外第二課堂的自學(xué)，讓學(xué)生自己查閱資料解決。不同的灰度變換算法的映射函數(shù)是如何確定的，如何衡量評(píng)價(jià)灰度變換算法，學(xué)生腦海中自然就會(huì)存在這樣的疑問，教學(xué)的時(shí)候就適時(shí)引出圖像的統(tǒng)計(jì)特性——灰度直方圖，進(jìn)而提出直方圖均衡化算法。

教學(xué)過程:第一步，演示刑偵圖像處理中的某個(gè)灰度變換實(shí)例，如圖1所示的車牌圖像灰度變化前后的結(jié)果。這種反差非常明顯的前后處理效果緊緊抓住了學(xué)生的眼球，學(xué)生想進(jìn)一步搞清楚產(chǎn)生這種灰度變換效果的原理。

第二步，講解灰度變換的原理，令r為原圖像I(x，y)在任一點(diǎn)(x，y)的灰度值，s為輸出圖像，g(x，y)為對(duì)應(yīng)點(diǎn)(x，y)的灰度值，灰度變換可以用統(tǒng)一的式(1)表示。

圖1 灰度變換實(shí)例

T為變換函數(shù)，T若為線性函數(shù)，則為線性變換;若為非線性函數(shù)，則為非線性變換。授課時(shí)列出常用的幾種非變換函數(shù)，如對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)(伽瑪變換)、階躍函數(shù)(灰度閾值)、分段線性變換函數(shù)等;

第三步，采用Matlab演示上述的幾種變換，給學(xué)生展示變換效果圖;

第四步，提出這些變換的產(chǎn)生效果如何衡量，變換函數(shù)如何確定，自然引出圖像的統(tǒng)計(jì)特性——灰度直方圖，將灰度變換前后圖像的灰度直方圖用Matlab直觀顯示出來，得出拉伸灰度級(jí)改善圖像顯示效果的結(jié)論。提出圖像處理中最常用的直方圖均衡化灰度處理算法，并用Matlab算法演示不同圖像的效果，給學(xué)生直觀印象;

第五步，重點(diǎn)講述直方圖均衡化算法的處理流程，用C語(yǔ)言偽碼形式給出算法，引導(dǎo)學(xué)生課后完成灰度變換處理的C語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)程序。

以上，以灰度變換為例闡述了數(shù)字圖像處理的理論教學(xué)過程。這里可以看出，整個(gè)灰度變換理論教學(xué)課堂上借助實(shí)際的工程應(yīng)用實(shí)例和Matlab軟件演示，只需要較少的學(xué)時(shí)完成理論教學(xué)。這種借助軟件演示工程應(yīng)用的教學(xué)，避開了一開始的數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和掌握好這門技術(shù)的自信心。特別適合這類有一定編程基礎(chǔ)的高年級(jí)計(jì)算機(jī)類專業(yè)應(yīng)用課程的教學(xué)。

1.3 點(diǎn)、面、體的多層次實(shí)踐教學(xué)

面向應(yīng)用的工程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵是“基于應(yīng)用項(xiàng)目”的教育和學(xué)習(xí)［7，8］，數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)以工程應(yīng)用為目的，圍繞工程應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)體系，使設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能作為工程應(yīng)用的實(shí)際函數(shù)庫(kù)。因此在數(shù)字圖像處理的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)上，摒棄了快速驗(yàn)證算法的Matlab實(shí)驗(yàn)工具，而采用C或者C++為算法設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以便學(xué)生最終應(yīng)用于工程實(shí)踐，整個(gè)實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計(jì)成如圖2所示的點(diǎn)、面、體的多層次結(jié)構(gòu)。

點(diǎn)、面、體的多層次實(shí)踐教學(xué)體系是以項(xiàng)目應(yīng)用為主線;以圖像類工程項(xiàng)目開發(fā)所需要的圖像處理函數(shù)庫(kù)軟件包為目標(biāo)，將圖像處理分為灰度變換、幾何變換、空間濾波、頻域?yàn)V波、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理、特征提取等幾個(gè)面，用圖2中的平行四邊形表示;課內(nèi)完成每類處理算法的一個(gè)代表性實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，用圖2中的橢圓表示，該類圖像處理算法的其他算法學(xué)生在課外完成(如灰度變換用直方圖均衡化算法為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，課外完成灰度變換的對(duì)數(shù)、伽瑪、閾值、分段線性變換等)，與課內(nèi)完成的實(shí)驗(yàn)一起撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告;在課程結(jié)束后，作為課程考核完成圖像處理軟件包，并利用該軟件包展開圖像處理的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。

2 面向工程應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)考核

課程的考核是檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)與教師授課水平的重要手段，考核的方式常用的有試卷、大作業(yè)、課程論文等多種形式［9］。數(shù)字圖像處理課程是一門典型的信息應(yīng)用類課程，具有很強(qiáng)的以工程應(yīng)用為主的特點(diǎn)［10］，課程理應(yīng)以考核學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)能力為主。

圖2 數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)體系

設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)體系中已經(jīng)對(duì)理論內(nèi)容進(jìn)行鞏固和提高，實(shí)驗(yàn)成果就是學(xué)生課程內(nèi)容掌握的體現(xiàn)，因此本門課程筆者在教學(xué)過程中并沒有采用傳統(tǒng)的幾種考核形式，而是以項(xiàng)目設(shè)計(jì)作為考核的手段去檢查、評(píng)價(jià)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的效果?？己朔譃閮蓚€(gè)部分，基本部分是將考核融合到學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)中，對(duì)學(xué)生的每次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)收、打分，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告中學(xué)生課外完成的其他算法以及實(shí)驗(yàn)分析和心得體會(huì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)入課程總成績(jī)中;提高部分是在課程結(jié)束后，學(xué)生利用課內(nèi)外實(shí)驗(yàn)過程形成的圖像處理軟件包，自主設(shè)計(jì)完成印章圖像處理與鑒別、細(xì)胞圖像處理與測(cè)量等的圖像工程應(yīng)用子模塊，并由教師對(duì)學(xué)生完成的作品進(jìn)行驗(yàn)收，過程為學(xué)生展示自己的設(shè)計(jì)成果，教師對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行提問、學(xué)生回答，成績(jī)計(jì)入總分，基礎(chǔ)部分與提高部分各占50%，組成學(xué)生該門課程的考核得分。實(shí)踐表明，這種考核不僅能反應(yīng)學(xué)生全過程的學(xué)習(xí)狀況，而且對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)實(shí)踐能力具有良好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

從數(shù)字圖像處理課程本身的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革，將工程應(yīng)用融入數(shù)字圖像處理的課程教學(xué)中，研究了面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程從演示現(xiàn)象到理論分析的課程授課模式，并以灰度圖像處理實(shí)例闡述了該授課模式的過程。設(shè)計(jì)了以應(yīng)用為主線，點(diǎn)、面、體相結(jié)合的多層次實(shí)踐教學(xué)體系。提出以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收和工程設(shè)計(jì)成果展示相結(jié)合，面向工程應(yīng)用的課程考核方法。筆者運(yùn)用上述理論在本校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)進(jìn)行了實(shí)踐，在信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的軟件設(shè)計(jì)方向，數(shù)字圖像處理作為該專業(yè)的方向課，學(xué)生分流，小班教學(xué)，效果尤其明顯，在近2年的全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能賽車競(jìng)賽攝像頭組中，該方向的學(xué)生屢屢獲得較好成績(jī)，驗(yàn)證了課程改革的效果。

面向應(yīng)用的教學(xué)模式改革在當(dāng)前大力提倡工程教學(xué)的背景下是一個(gè)長(zhǎng)期的、任重道遠(yuǎn)的任務(wù)，對(duì)教師的要求比較高，不僅要具有深厚的理論功底，還要具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。要求專業(yè)教師能夠以工程應(yīng)用的角度，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等多方面進(jìn)行改革落實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析問題、解決問題的能力，有效提高學(xué)生的工程素質(zhì)，為其成為合格的工程應(yīng)用型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］吳冬梅.融入研究性教學(xué)模式的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2011，58(S2):160-162

［2］肖來元，邱德紅，吳濤.以需求為導(dǎo)向的軟件專業(yè)工程教育改革研究與創(chuàng)新實(shí)踐［J］.高等工程教育研究，2013(6):148-152

［3］林健.卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)培養(yǎng)方案研究［J］.清華大學(xué)教育研究，2011(2):47-55

［4］高林.以工程應(yīng)用能力為主導(dǎo)提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2013(1):27-29

［5］呂慶文，曹蕾，李遠(yuǎn)念，等.基于CDIO模式培養(yǎng)復(fù)合型卓越軟件工程師的探索［J］.高教探索，2013(1):71-76

［6］張慶豐.弱數(shù)學(xué)要求的數(shù)字圖像處理教學(xué)［J］.大學(xué)教育，2014(1):75-77

［7］郭范波，邱戰(zhàn)洪.工程測(cè)量項(xiàng)目式教學(xué)改革研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014(6):128-130

［8］戚鵬程，郭廣猛，潘竟虎.遙感數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式的構(gòu)建［J］.測(cè)繪科學(xué)，2012(5):94-97

［9］夏晶暉.應(yīng)用型本科教學(xué)中技能型課程考核方式的改革［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(6):193-196

［10］鄧?yán)^忠，金濟(jì)，陳羽白.基于PBL模式的數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012(9):139-141