信號處理課程群可視化教學(xué)模式的研究

曲中水

（哈爾濱理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

信號處理課程群可視化教學(xué)模式的研究

曲中水

（哈爾濱理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

分析歸納了計算機專業(yè)信號處理課程群的特點，提出在傳統(tǒng)教學(xué)模式下運用MATLAB實現(xiàn)可視化作為信號處理類課程新的教學(xué)模式.該模式包括抽象概念的可視化、算法的可視化、輸入輸出的可視化等3個方面的可視化.數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)實踐證明，這種教學(xué)模式提高了教師授課的效率及學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性.

信號處理；課程群；可視化

教學(xué)模式可以定義為是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序.作為結(jié)構(gòu)框架，突出了教學(xué)模式從宏觀上把握教學(xué)活動整體及各要素之間內(nèi)部的關(guān)系和功能；作為活動程序則突出了教學(xué)模式的有序性和可操作性.教學(xué)模式通常包括理論依據(jù)、教學(xué)目標、操作程序、實現(xiàn)條件和教學(xué)評價5個因素，這5個因素之間有規(guī)律的聯(lián)系就是教學(xué)模式的結(jié)構(gòu)[1-3].

在信息類專業(yè)的課程設(shè)置中，各學(xué)校信號處理類課程的開設(shè)不盡相同.根據(jù)國家教育部對專業(yè)課程設(shè)置的要求，結(jié)合各高校的具體情況，信號處理類的課程一般包括信息論、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、語音信號處理和數(shù)字圖像處理等基本課程.這些課程都是針對信息處理的各個環(huán)節(jié)而設(shè)置的，如信號與系統(tǒng)針對信息的獲取[4-5]；數(shù)字信號處理針對信息采集與處理技術(shù)；而對于信號的理解與識別技術(shù)，開設(shè)了語音信號處理[6]及數(shù)字圖像處理[7-8]等課程.這些課程的教學(xué)內(nèi)容在理論與實踐中有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，因此，利用此聯(lián)系可以科學(xué)地構(gòu)建成信號處理群這一新的課程體系.我校的計算機專業(yè)是信息類專業(yè)之一，針對專業(yè)特點，在教學(xué)計劃中開設(shè)信號處理類的部分課程是信息技術(shù)行業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要.

1 信號處理課程的特點及難點分析

1.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)廣泛

主要涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程數(shù)學(xué)和計算方法等課程.因此，在理論教學(xué)中部分學(xué)生缺乏這些準備知識，如果教師不能提出恰當?shù)囊螅⒉扇∵m當?shù)慕虒W(xué)處理方法，這些工具性知識會成為學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，甚至造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的畏難情緒，影響教學(xué)效果.

1.2 抽象算法多

處理媒體信息如聲音、圖像的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，推理過程是在數(shù)學(xué)體系下完成的.因此，在理論教學(xué)中學(xué)生不易把握其內(nèi)涵.在例題講解上也給教師增加了很大的難度.

1.3 實踐要求高

信息處理能否可視化是使教學(xué)過程變枯燥為生動的主要問題.因此，在理論教學(xué)中容易演變?yōu)閿?shù)學(xué)課程的延伸，失去了信號處理課程的本質(zhì).

因此，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下研究可視化問題將成為信號處理類課程的新的教學(xué)模式.

2 可視化教學(xué)模式的研究

由信號處理課程的特點及教學(xué)中存在的難點分析可見，信號處理類課程教學(xué)中的可視化問題包括抽象概念的可視化、算法可視化和輸入輸出可視化3個方面.

從課堂知識講解、課堂實例演示和實踐3個環(huán)節(jié)著手建立可視化教學(xué)體系.前2個環(huán)節(jié)是理論教學(xué)中在知識講解的同時，緊密結(jié)合教材內(nèi)容開發(fā)課件，在講解原理算法的同時，給出豐富的圖示實例；實踐環(huán)節(jié)可以分為：驗證性實驗、綜合性設(shè)計性實驗和課程實習(xí)3個層次.驗證性實驗是理論教學(xué)的延伸，是教學(xué)內(nèi)容的深入理解過程，只需要學(xué)生掌握基本的編程方法，根據(jù)提供樣例通過簡單編程實現(xiàn)基本的處理方法；綜合性設(shè)計性實驗是對一個教學(xué)環(huán)節(jié)的小結(jié)性練習(xí)；課程實習(xí)是包含整門課程的基礎(chǔ)知識和編程技巧的一個大作業(yè)，其中有很大一部分空間是讓學(xué)生自我發(fā)揮的，這是對學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決問題能力的一個考查.如果課時允許，可適當開設(shè)綜合性設(shè)計性實驗和課程實習(xí).

3 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的可視化教學(xué)模式

信號處理課程涉及的課程較多，且開設(shè)在不同的學(xué)期，而數(shù)字圖像處理是一門綜合性和理論性較強的課程，一般開設(shè)在大學(xué)本科階段的第7學(xué)期.教學(xué)內(nèi)容是應(yīng)用信號與信息處理課程的理論分析和解決數(shù)字圖像處理和分析領(lǐng)域的實際問題，因此選擇該課程進行教學(xué)設(shè)計具有一定的代表性.以數(shù)字圖像處理課程為例，說明教學(xué)中的可視化教學(xué)模式，即在傳統(tǒng)教學(xué)模式下靈活運用MATLAB，用MATLAB實現(xiàn)可視化問題將成為數(shù)字圖像處理課程的新的教學(xué)模式[8].

數(shù)字圖像處理課程是一門重要的信號處理課程，處理對象的信息載體為數(shù)字圖像文件.數(shù)字圖像處理課程的特點是基本概念比較抽象，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較為繁瑣，涵蓋的研究應(yīng)用領(lǐng)域也很廣泛.學(xué)生如果沒有一個感性認識，接受起來就比較困難，容易失去學(xué)習(xí)興趣.據(jù)研究，一般本科教學(xué)計劃開設(shè)在第6，7學(xué)期，本科階段的主要內(nèi)容可分為5個方面[9-10]：

（1）數(shù)字圖像處理方法理論有2種，即空域法和頻域法.這2種處理方法為后續(xù)的數(shù)字圖像處理奠定了基礎(chǔ)，是數(shù)字圖像處理課程的基石.

（2）數(shù)字圖像的增強.可采用空域方法和頻域方法進行灰度圖像和彩色圖像的增強，可采用的具體技術(shù)有直接灰度變換、直方圖修改技術(shù)、空域濾波和頻域濾波等.

（3）數(shù)字圖像的恢復(fù).可采用空域方法和頻域方法進行灰度圖像和彩色圖像的恢復(fù)，可采用的具體技術(shù)有空域濾波和頻域濾波等.

（4）數(shù)字圖像的編碼.可采用的具體技術(shù)為基于熵的統(tǒng)計編碼、預(yù)測編碼和變換編碼.

（5）數(shù)字圖像的分割.可采用梯度算子的方法進行邊緣檢測作為分割的前提，在檢測的基礎(chǔ)上進行圖像算法的理論研究.

根據(jù)5個方面的內(nèi)容，可將理論教學(xué)的可視化內(nèi)容分為圖像變換、圖像增強、圖像恢復(fù)、圖像編碼和圖像分割五大模塊[9-10].

例1 在數(shù)字圖像處理課程設(shè)計中，直方圖的曲線擬合分析結(jié)果可以作為圖像質(zhì)量評價的擴展標準，基于直方圖擬合的理想圖像增強質(zhì)量評價問題的圖像見圖1，其中圖1a是256×384×3的RGB模型的彩色圖像；圖1b是圖1a的256色量化的結(jié)果圖像；圖1c是圖1b的擬合曲線；圖1d是原始圖像的灰度化結(jié)果圖像Y；圖1e是Y的直方圖；圖1f是圖1e的擬合曲線.

圖1 基于直方圖擬合的理想圖像增強質(zhì)量的評價結(jié)果圖像

不同噪聲強度的圖像增強質(zhì)量評價問題的圖像見圖2～4.

圖2 基于直方圖擬合的含噪圖像（脈沖噪聲強度為0.002）增強質(zhì)量的評價結(jié)果

圖 3 基于直方圖擬合的含噪圖像（脈沖噪聲強度為0.02）增強質(zhì)量的評價結(jié)果

圖 4 基于直方圖擬合的含噪圖像（脈沖噪聲強度為0.2）增強質(zhì)量評價結(jié)果

由圖2～4可知，隨著噪聲強度的增減圖像的質(zhì)量下降可以用直方圖的擬合曲線表示，增加說服力，有助于學(xué)生的深入理解.對于驗證性實驗部分，對于本科學(xué)生來說，多數(shù)學(xué)生的編程水平有限，數(shù)字圖像處理實驗內(nèi)容多，任務(wù)量大，有的難度高[11].因此，精心地設(shè)計適合本科學(xué)生使用的實驗教學(xué)內(nèi)容是決定數(shù)字圖像處理課程開設(shè)成功的關(guān)鍵之處.

4 結(jié)論

綜上所述，計算機專業(yè)開設(shè)信號處理課程是信息技術(shù)行業(yè)人才需求的要求，考慮到計算機專業(yè)的專業(yè)特點，研究并應(yīng)用可視化教學(xué)模式能使教師的授課由淺入深，結(jié)合實例，更加生動，提高了課堂學(xué)習(xí)的效率.系列實驗課程的設(shè)置使學(xué)生自己動手將復(fù)雜的算法和深奧的公式以圖形、圖像的形式展示，在輕松愉快的學(xué)習(xí)氣氛中逐步領(lǐng)會信號處理技術(shù)的魅力，提高了學(xué)習(xí)的主動性.

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[11]姚敏.數(shù)字圖像處理[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012：65-67，196-200

Research of visual teaching mode of signal process course series

QU Zhong-shui
（School of Computer Science and Technology，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

After analyzing and summarizing the same characteristic of the signal process course series of computer specialty，it raises the realization of visualization by using MATLAB as the new teaching mode under the traditional teaching mode that involves three kind of visualization such as the abstract concept visualization，the arithmetic visualization and the in-out visualization.The teaching practice of digital image processing proves that the mode advances the teaching efficiency and study initiative.

signal process；course series；visualization

TP391.4∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.023

2016-09-10

哈爾濱理工大學(xué)教學(xué)研究課題項目（200800019）——TRIZ理論在信號處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

曲中水（1971-），男 ，山東龍口人，副教授，碩士，從事信號與信息處理研究.E-mail：zhongshqu@hrbust.edu.cn

1007-9831（2016）12-0088-05