數字圖像處理課程的研究性實踐教學探索

潘 祥，劉宏申，陶 陶

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，安徽 馬鞍山 243002)

數字圖像處理課程的研究性實踐教學探索

潘 祥，劉宏申，陶 陶

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，安徽 馬鞍山 243002)

數字圖像處理課程對培養(yǎng)計算機視覺領域創(chuàng)新實踐性人才起著重要作用。本課程教學實踐表明,研究性實踐教學能夠提高學生進行研究性實踐與創(chuàng)新的能力,激發(fā)學生學習興趣,培養(yǎng)學生運用知識進行項目研發(fā)的能力。

數字圖像處理；研究性實踐；創(chuàng)新實踐能力

數字圖像處理是計算機視覺課程群的一門專業(yè)核心課程，其具有工科專業(yè)課程所共有的很多特點，綜合性極強，涉及數學、物理學、數字信號處理、攝影學、生物生理學、心理學、計算機科學、控制理論等多個學科領域的知識，且各個學科的發(fā)展以及它們之間的交叉、集成和滲透，都極大地推動著數字圖像處理技術的快速發(fā)展，也促使數字圖像處理課程的教學內容在不斷更新 。[1-2]良好的機器視覺產業(yè)背景以及巨大的應用市場需求，促使我國產生了對數字圖像處理、計算機視覺方面大量人才的培養(yǎng)要求。經歷近些年來的發(fā)展，我國圖像處理課程的教育與實踐已經取得了十分豐碩的成果，但有些問題仍未有效解決，特別是教學與社會需求脫節(jié)嚴重，對學生的研究性實踐能力訓練模式有待創(chuàng)新。[3-5]當前我國圖像處理課程教育與社會對圖像處理方面的人才要求之間存在著較大的不匹配，導致這一偏差存在的直接原因是實踐教學模式陳舊，主要表現(xiàn)在圖像處理領域的人才培養(yǎng)模式仍然沒有突破學科教育體系,數字圖像處理課程的實驗教學模式陳舊等。

為了能夠切實提高學生的研究性實踐創(chuàng)新能力,我們在數字圖像處理課程的研究性實驗教學方面進行了教學改革與探索,著重訓練學生的研究性思維能力、理論聯(lián)系實際的能力以及解決實際應用問題的研究性實踐能力。傳統(tǒng)的數字圖像處理實驗教學一直是作為理論課程的輔助教學形式，多為一些驗證性、演示性以及基礎知識性的實驗操作，常用的那些實驗內容不全或陳舊，沒有涉及數字圖像處理領域最新的研究成果與熱點；絕大多數實驗僅僅是對數字圖像處理算法進行演示，沒有考慮培養(yǎng)訓練學生動手能力的設計，因此很難有效調動學生的學習積極性和主動性，更別說對學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。因此，我們針對數字圖像處理課程的特點，從以下方面對數字圖像處理課程進行實驗教學改革和研究性實踐。

一、結合科研課題教學，促進學生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)

“計算機視覺與圖像處理研究所”是安徽工業(yè)大學的一個獨立研究單位，擁有博士5名，同時依托我校計算機科學與技術學科的優(yōu)勢。我們在圖像處理課程的教學過程中，結合教師的科研項目進行講授，從而從多方面促進學生的研究性創(chuàng)新能力。我所研究的機器視覺缺陷實時在線檢測項目是我校計算機科學與技術專業(yè)的特色，基于此平臺的計算機視覺也形成了一個具有特色的培養(yǎng)方向。數字圖像處理作為計算機視覺缺陷實時在線檢測的重要理論和技術基礎，在數字圖像處理課程的教學過程中，我們將缺陷在線檢測系統(tǒng)中所運用到的有關數字圖像處理前沿的基礎知識和技術引入到課堂中。例如講授缺陷提取技術要求與視覺描述的特點，運用了預處理、分割與特征檢測、提取等圖像處理技術。課程教師隊伍目前承擔了一批與數字圖像處理技術密切相關的縱向科研課題(含國家自然科學基金項目、安徽省自然科學基金項目、安徽省教育廳自然科學基金重大項目等)和橫向科研課題。在這些項目資助的基礎之上，創(chuàng)造了良好的實驗條件與平臺。學生借助此平臺，可結合教師的科研課題，參加校內外的科技活動，開展一些與數字圖像處理技術有關的研究性實踐工作，培養(yǎng)適應社會的工程研究性實踐的能力，取得了不錯的效果。例如2014 級的16名學生申請了兩項大學生創(chuàng)新訓練項目——“基于背景重構的人員越界實時監(jiān)測系統(tǒng)研究”和“基于分數階微積分的大視角無縫拼接方法研究”，參加項目人數占本班級學生總數的45%。以上改革實踐措施極大地調動了學生在學習圖像處理課程上的積極性與創(chuàng)新性，從另一個側面提高了教育教學的質量和效果。

二、面向實用, 在VC++平臺下設計實驗內容

在數字圖像處理實驗中要求學生利用Microsoft Visual C++環(huán)境，能夠幫助學生提高應用軟件的開發(fā)實踐能力和適應社會需求的能力。數字圖像處理是一門對計算機依賴很強的技術，數字圖像處理算法最終要在計算機上得以實現(xiàn)與驗證。目前，在實際應用中基于Microsoft Visual C++開發(fā)環(huán)境的數字圖像處理編程占據了主流的地位，為了實現(xiàn)面向創(chuàng)新實踐性應用的數字機圖像處理課程教學目標，且考慮到C/C ++語言是目前高校計算機類專業(yè)的必修課程，我們基于Microsoft Visual C++開發(fā)環(huán)境設計數字圖像處理的相關實驗內容，力求使學生在完成這些實驗后能夠掌握工業(yè)應用中的一些圖像處理算法，達到培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才的目的。對于本科生，數字圖像處理課程一般開課時間為大三的下學期或者大四的上學期，在這個時期學生同時面臨畢業(yè)就業(yè)的壓力，基于該考慮我們從面向實際應用作為出發(fā)點來設計實驗，以工業(yè)中應用最為廣泛的幾種圖像處理算法作為重點實踐內容，如空域中的圖像處理算法：圖像的讀寫、邊緣檢測、圖像的連通域求取、圖像分割、特征提取、目標檢測與跟蹤、圖像的背景建模等內容。[6]對于理論較深、實用不廣泛的內容則要求學生進行創(chuàng)新性研究?；诖宋覀円訴C++軟件平臺為基礎設計如下必做實驗:(1)在WINDOWS 系統(tǒng)中理解BMP位圖的格式及圖像的讀寫與顯示。(2)空域中圖像的邊緣檢測方法。(3)圖像連通域的求取。(4)分水冷分割方法。(5)角點特征提取。(6)人臉檢測與跟蹤。(7)貝葉斯背景建模。

除以上實驗內容以外，實驗課中還預留了讓學生自主選做或者設計自己感興趣的實驗項目，教師通過指導實驗使學生進一步深入掌握數字圖像處理知識，激發(fā)學習興趣與動力，達到鍛煉個人創(chuàng)新實踐能力的目的。

三、開展開放創(chuàng)新性圖像處理實驗

目前，對于數字圖像處理課程的實驗教學仍然采用傳統(tǒng)的驗證性實驗方式。傳統(tǒng)的驗證性實驗雖然也能幫助學生深刻地理解圖像處理算法功能，實實在在地感受各種算法的功能，一定程度上能激發(fā)學生的興趣，但是驗證性實驗中的實驗只是對算法做驗證，且相互獨立的。 通過驗證性實驗，學生獲得的知識都是傳統(tǒng)的、固有的，不利于培養(yǎng)學生的研究性創(chuàng)新實踐能力。我院“數字圖像處理”課程的理論及實驗教學主要對象是計算機科學與技術、軟件工程專業(yè)學生，學生在進行數字圖像處理實驗時，在大多數情況下都只是按著實驗課程的要求進行簡單的處理，致使創(chuàng)新能力不能得到有效培養(yǎng)。為了能讓學生從研究性實踐的角度理解相關方法，改變一貫被動接受的學習模式，加強學生科學研究方法的學習，引導學生重視實驗探究活動，培養(yǎng)學生的研究性實踐能力，我們在傳統(tǒng)的實驗題目基礎上增加新內容，引入新方法和新手段，將傳統(tǒng)實驗改變?yōu)檠芯啃詫嶒灒蕴嵘龑W生的興趣和研究性實踐能力。用分數階微分方法研究圖像去噪，對數字圖像處理研究性實驗教學進行探索，使圖像處理實驗成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的載體。

基于整數階次微積分的去噪算法，雖然都能在不同程度上去除圖像的噪聲，但是通常會使其丟失大部分的邊緣和細節(jié)信息。該實驗在Opencv上有現(xiàn)成的程序代碼，很快就能實現(xiàn)。該實驗屬于驗證性實驗，在實驗過程中學生只是將代碼錄入，甚至直接復制、粘貼，從而多數學生對實驗原理不清楚，認為實驗枯燥、毫無新意。分數階微積分作為整數階微積分理論的推廣，近幾年已經迅速運用于數字圖像處理領域，并取得了一系列的成果。[6-8]學生在已具有整數階微分知識的基礎上，可以首先了解分數階微積分的定義與性質，閱讀分數階微積分圖像處理應用的文獻，如《基于分數階微分的圖像增強》、《基于分數階微分的邊緣檢測》、《基于分數階偏微分的圖像去噪新模型》等。[6-8]然后，我們讓學生嘗試著推導出分數階去噪模型,并進行試驗對比與分析。學生在設計分數階次濾波器模型時遇到不能解決的問題，教師啟發(fā)引導學生將整數階次用τ階分數階次來替換(0<τ≤1 )，由淺入深地設計出基于分數階次積分的去噪模型，并且通過調節(jié)階次τ得到不同的實驗結果，從而深入理解基于分數階積分的圖像去噪思想。

學生在通過這樣一個創(chuàng)新性實驗訓練后，深刻理解了圖像去噪的原理，并且接觸到了數字圖像處理去噪新方法，增強了對數字圖像處理的興趣，大大開拓了視野。如果繼續(xù)拓展分數階微積分在圖像處理其他領域的應用，也將得到新的成果，所以我們還可以并且有必要對分數階微積分進行更為廣泛的實驗推廣，開設新的開放創(chuàng)新實驗內容。

[1]孫涵，陳松燦，劉寧鐘，等.研究生模式分析與視覺處理課程群改革與實現(xiàn)[J].學科探索，2016(1): 30-32.

[2]岡薩雷斯.數字圖像處理[M]. 阮秋琦,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[3]張麗紅.“數字圖像處理”課程的研究性教學探索及實踐[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2011(13): 109-110.

[4]朱旗，孫涵.數字圖像處理課程教學模式改革研究[J]. 課程教學，2016(1): 107-108.

[5]李金萍，陸玲，劉自強，等.數字圖像處理課程實驗教學改革探索-在實驗教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力[J].科技視界，2012(1): 23-24.

[6] Xiang Pan, Yongqiang Ye, Jianhong Wang. Complex Composite Derivative and its Application to Edge Detection [J].SIAMJournalonImagingSciences, 2014, 7(4): 2807-2832.

[7]楊柱中，周激流，晏祥玉，等．基于分數階微分的圖像增強[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，2008,20(3)：343-348．

[8]蔣偉．基于分數階偏微分方程的圖像去噪新模型[J]．計算機應用，2011，31(3)：753-756．

(責任編輯 汪繼友)

Exploration on Research Teaching of Digital Image Processing

PAN Xiang, LIU Hong-shen, TAO Tao

(School of Computer Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, Anhui, China)

The digital image processing course plays a crucial role in cultivating practical innovative talents in the field of computer vision. The practice of teaching indicates that investigative practice teaching could improve the practical ability and innovation of student, inspiring student’s interest and cultivating the ability to apply the knowledge to research and develop the project.

digital image processing; investigative practice; creativity and practical skills

2016-03-13

安徽工業(yè)大學教學研究重點項目(2014jy13)

潘 祥(1983-)，男，安徽亳州人，安徽工業(yè)大學計算機科學與技術學院講師，博士。

G642.0

A

1671-9247(2016)03-0072-02