數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式改革研究

朱旗 孫涵

摘 要 由于圖像處理的研究內(nèi)容和領(lǐng)域處于不斷發(fā)展之中，社會對計算機專業(yè)畢業(yè)生的圖像處理工程能力的要求越來越高，現(xiàn)行的相關(guān)課程的教學(xué)模式已難以滿足需求。本文從教學(xué)內(nèi)容選擇、實踐教學(xué)安排等方面分析了數(shù)字圖像處理的教學(xué)過程，使用學(xué)生真正掌握圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵方法，能能夠在實踐中加以應(yīng)用?？偠灾?，本文提出了一種理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞 課程改革 數(shù)字圖像處理 教學(xué)方法創(chuàng)新

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.02.052

Abstract Because the field of research and image processing is constantly evolving， community image processing computer graduates have become increasingly demanding engineering capabilities， the current mode of teaching related courses has been difficult to meet the demand. From the aspect of teaching content herein， practice teaching arrangements analyzed the teaching process of digital image processing， image processing using students to truly master the key technology and key method that can be able to be applied in practice. In summary， this paper proposes a teaching model of combining theory and practice.

Key words course reform； digital image processing； teaching methods innovation

1 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革的意義

良好的產(chǎn)業(yè)背景和巨大的應(yīng)用需求，促使我國產(chǎn)生了對數(shù)字圖像處理、機器視覺方面大量人才的培養(yǎng)要求。經(jīng)過近年來的發(fā)展，我國圖像處理課程教育與實踐已經(jīng)取得了十分豐碩的成果，但有些基本的問題仍未解決。最主要的是當(dāng)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較大的不匹配，而導(dǎo)致這一偏差存在的最直接原因是教學(xué)模式陳舊，根本原因是課程結(jié)構(gòu)不合理，問題主要表現(xiàn)在：

（1）圖像處理方面人才培養(yǎng)模式?jīng)]有突破學(xué)科教育體系。我國現(xiàn)行的數(shù)字圖像處理課程的主要內(nèi)容還是停留在較為陳舊的課程體系中，有的課程體系中缺少對圖像處理課程支撐的前續(xù)課程；在教學(xué)方法上也較為陳舊，主要是通過教師對主要知識點的講解來進行，而缺少對學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的重視。

（2）缺少與數(shù)字圖像處理方向相關(guān)崗位要求相匹配的實驗教材。國內(nèi)缺少適強化工程能力訓(xùn)練、以項目和案例驅(qū)動的實驗教材，導(dǎo)致培養(yǎng)計劃實施效果不盡如人意。國外在上世紀(jì)70年代就在高校中開展了圖像處理方面的課程，比較經(jīng)典的教材包括岡薩雷斯和溫茨編著的數(shù)字圖像處理，將重點放在了基礎(chǔ)和應(yīng)用上，并已被許多國內(nèi)外高校所采用。我國早在上世紀(jì)80年代就開始采用翻譯的國外圖像處理方面的教材，但是由于條件的限制，大部分只能進行純理論教學(xué)。例如武漢大學(xué)組織編寫了計算機圖像處理與分析教材。但是總的來說，目前數(shù)字圖像處理相關(guān)教材的發(fā)展與社會對相關(guān)領(lǐng)域人才要求的日益提高并不適應(yīng)。數(shù)字圖像處理（MATLAB版）雖然已經(jīng)有中文版面市，但該教材偏重于基本圖像處理方法的實現(xiàn)，缺少適合于圖像處理工程訓(xùn)練方面的實驗課教材。現(xiàn)行的圖像處理課程和實際工程要求之間的不匹配?，F(xiàn)有的數(shù)字圖像處理的主要教學(xué)內(nèi)容與該領(lǐng)域就業(yè)崗位的實踐要求相關(guān)度低。這就需要對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容進行按照創(chuàng)新培養(yǎng)方案進行仔細(xì)梳理，使得學(xué)生滿足相關(guān)崗位的要求。

（3）考核方式單一，目前大多數(shù)高校的圖像處理相關(guān)課程的考核方式仍以筆試為主，無法全面客觀地評價學(xué)生的真實學(xué)習(xí)水平，特別是實踐能力水平。

2 數(shù)字圖像處理課程改革的目標(biāo)

針對圖像處理相關(guān)課程中的以上問題，本文提出的創(chuàng)新教學(xué)模式從教學(xué)內(nèi)容選擇、實踐教學(xué)安排、教學(xué)學(xué)時分配等方面分析了數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出了一種理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，本文的研究的目標(biāo)和解決的主要問題包括：

（1）對數(shù)字圖像處理相關(guān)崗位的工作流行進行梳理，從而對數(shù)字圖像處理課程的主要教學(xué)內(nèi)容進行重新確定。從宏觀上，通過調(diào)研來發(fā)掘圖像處理相關(guān)的崗位的工作流行包括哪些方面。從微觀入手，確定哪些是已有的課程體系中涵蓋的，哪些沒有包含在其中，如何科學(xué)地對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)和培養(yǎng)目標(biāo)進行合理的修改和優(yōu)化。

（2）對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)模式進行創(chuàng)新。根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)，對該課程的教學(xué)方法和模式進行創(chuàng)新。總體思路是圍繞基本概念和基本方法，結(jié)合具體應(yīng)用實例，加深學(xué)生對概念和方法的掌握，以及提升學(xué)生的應(yīng)用實踐能力。這就需要老師在備課環(huán)節(jié)，不止從課本入手，而且要花費大量精力用于準(zhǔn)備豐富的實例。

（3）對數(shù)字圖像處理課程的考核方法進行創(chuàng)新。由于傳統(tǒng)的筆試方法無法全面綜合考核學(xué)生對數(shù)字圖像處理基本方法的掌握和應(yīng)用能力，擬采用課程設(shè)計的方法來對學(xué)生進行該課程的綜合評價。課程設(shè)計的題目設(shè)計要緊扣教學(xué)和培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)包含主流算法的實現(xiàn)，又能夠激發(fā)學(xué)生對解決具體課題創(chuàng)新能力。同時在設(shè)計不同的項目時，注重圍繞不同的基本方法來設(shè)計題目。

本課程較全面、系統(tǒng)地介紹圖像處理和計算機視覺的基本概念、方法以及一些典型應(yīng)用。圖像處理的主要內(nèi)容有：顏色和光源、圖像格式、圖像的空間域處理（點處理、局域處理、代數(shù)處理、幾何處理等）、圖像的頻率域處理（離散余旋變換DCT、離散Fourier變換DFT等）、 圖像增強、圖像分割、圖像復(fù)原、圖像形態(tài)學(xué)、圖像壓縮等。計算機視覺的重點是視覺概論、攝像機參數(shù)特征和成像模型、攝像機標(biāo)定方法、雙目視覺與立體觀測、運動目標(biāo)檢測與跟蹤、典型應(yīng)用案例介紹等。通過學(xué)習(xí)本課程，可以使學(xué)生了解和掌握圖像處理和計算機視覺的基本原理和技術(shù)，培養(yǎng)研究生解決實際工程問題的能力，為今后的研究和工作提供良好的經(jīng)驗和基礎(chǔ)。

3 數(shù)字圖像處理課程改革的內(nèi)容與途徑

由于計算機技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)都處于快速發(fā)展之中，如何將數(shù)字圖像處理的各方面知識點進行有機的整合，將其梳理成一個體系，如何將該課程與專業(yè)內(nèi)的其他課程之間的聯(lián)系進行合理把握，在教學(xué)實踐過程中對知識點的教學(xué)方式的把握上，本文進行了如下研究。

3.1 數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容改革

“數(shù)字圖像處理”課程是在原“數(shù)字圖像處理”、“機器視覺”課程的基礎(chǔ)上構(gòu)建的一門新的課程，是在原課程上的擴展，致力于培養(yǎng)和提升學(xué)生對數(shù)字圖像處理應(yīng)用進行掌握和實踐能力。擬在介紹基礎(chǔ)圖像處理方法的同時，重點突出目標(biāo)分割，特征提取、運動目標(biāo)檢測等與實際工程密切相關(guān)的內(nèi)容。授課過程中通過大量研究實例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)處理工程問題方法的同時，認(rèn)識所學(xué)知識的應(yīng)用背景，開拓視野，提高興趣。根據(jù)學(xué)生的興趣和用人單位的崗位要求修改教學(xué)內(nèi)容。例如針對大多數(shù)學(xué)生較為感興趣的目標(biāo)檢測的實驗內(nèi)容進行擴充。以典型的數(shù)字圖像處理案例入手，使得學(xué)生對重要概念和方法進行深入理解，做到理論與實踐互相結(jié)合。

3.2 實現(xiàn)理論課與實踐環(huán)節(jié)的合理分離與有機結(jié)合

對圖像處理與機器視覺課程進行理論教學(xué)與實驗教學(xué)的合理分離。 對“數(shù)字圖像處理”課程單獨設(shè)立實驗，增加學(xué)生上機操作機會，以培養(yǎng)提高學(xué)生的動手能力和綜合分析問題能力。例如讓學(xué)生通過數(shù)字圖像處理技術(shù)設(shè)計身份證號碼識別系統(tǒng)，車牌號碼識別系統(tǒng)，以及紙幣號碼識別系統(tǒng)等。通過這些課程設(shè)計的實施，學(xué)生能夠加深對圖像增強，圖像分割，圖像去噪，以及應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)的模式識別方法等的掌握，而且設(shè)計題目貼近生活，能夠較好地調(diào)動學(xué)生的積極性。本文作者已在該方面有了一定的教學(xué)實踐，受到了學(xué)生的歡迎和好評，取得了較好的教學(xué)效果。

配合“數(shù)字信號處理”、“Matlab原理及應(yīng)用 ”等理論課，使得學(xué)生在掌握知識的同時注意實踐，并且使得課程體系得到相應(yīng)的支撐。

把“圖像處理實驗”、“機器視覺實驗”與部分同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計結(jié)合起來，使學(xué)生了解理想條件下和實際工程中圖像處理方法的聯(lián)系與區(qū)別，并在畢業(yè)論文環(huán)節(jié)中得到充分運用。

3.3 改革圖像處理課程的教學(xué)手段

采用國內(nèi)外公認(rèn)的較為先進的教育理念和方法，以數(shù)字圖像處理課程的具體實際情況進行分析，探索與本課程相適應(yīng)的教學(xué)理念和方法。理論教學(xué)課時量一般只有32學(xué)時，在教學(xué)方法上，不追求內(nèi)容能夠大而全，面面俱到，而是從基本概念和方法入手，以實例為引線貫穿各個知識點。通過具體實例和應(yīng)用讓學(xué)生對方法的特點進行深入理解。調(diào)動學(xué)生積極性，適當(dāng)開展“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)。將一定的課程時間留給學(xué)生上臺來講，通過學(xué)生的講述，學(xué)生可以加深掌握圖像處理的根本原則和基本方法，同時教師可從學(xué)生的講述中了解學(xué)生掌握的具體情況，共同研究解決圖像處理中的實際問題，從而獲得更深層次的理解。

在借鑒、吸收國內(nèi)外教學(xué)質(zhì)量管理思想的基礎(chǔ)上，力圖實現(xiàn)圖像處理教學(xué)方面的突破與創(chuàng)新。對教學(xué)質(zhì)量管理系統(tǒng)若干基礎(chǔ)模型進行分析，在教學(xué)模式教學(xué)質(zhì)量管理中引入全面質(zhì)量管理。

4 總結(jié)與展望

本文針對數(shù)字圖像處理課程進行課程教學(xué)計劃和課程教學(xué)大綱設(shè)計，提出了一種對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)模式的創(chuàng)新。與時俱進，重新確定圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生普適的動手能力，為未來的圖像處理實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。重點解決圖像處理方面人才培養(yǎng)的效果與市場需求之間的差異，使得學(xué)生畢業(yè)后能夠盡快勝任大部分實際圖像處理工程。將數(shù)字圖像處理工程技術(shù)系統(tǒng)地應(yīng)用到理論教學(xué)和技能教學(xué)中，并確定應(yīng)用范圍、技術(shù)路線選擇以及學(xué)生學(xué)習(xí)評價原則。改革現(xiàn)有圖像處理課程教學(xué)模式。在課堂教學(xué)中，以實例使學(xué)生能更快、更直接地掌握圖像處理方法的基本原理，從而為縮短理論教學(xué)課時創(chuàng)造條件。改革現(xiàn)有實驗教學(xué)模式，在對現(xiàn)有實驗課程內(nèi)容進行歸類和分析的基礎(chǔ)上，提出針對不同專業(yè)學(xué)生的圖像處理實驗調(diào)整方案。

基金項目：本文受到江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實踐課題（研究生模式分析與視覺處理課程群實踐體系改革與實現(xiàn)），南京航空航天大學(xué)本科教學(xué)改革與建設(shè)項目（圖像處理課程的研究與實踐）， 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助（Nos. NR2013033，NR2014041）的支持

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