數(shù)字圖像處理課程教學(xué)研究

鄧運(yùn)生

(蚌埠學(xué)院電子與電氣工程系, 安徽 蚌埠 233030)

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數(shù)字圖像處理課程教學(xué)研究

鄧運(yùn)生

(蚌埠學(xué)院電子與電氣工程系, 安徽 蚌埠 233030)

數(shù)字圖像處理課程作為信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程歷來(lái)受到學(xué)校和學(xué)生的高度重視.在理工科高校大力培養(yǎng)應(yīng)用型人才的背景下，如何提高數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)，仍然是一個(gè)重要的課題.從數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)和教學(xué)方法的改進(jìn)方面開(kāi)展論述，提出了一種基于應(yīng)用型和工程化人才培養(yǎng)的教學(xué)方法：即把各個(gè)知識(shí)點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的重要應(yīng)用緊密結(jié)合起來(lái)加以講解、闡釋?zhuān)M(jìn)而將其放到具體的工程實(shí)踐中，讓學(xué)生直觀深刻地感受到課程實(shí)用性，有效提高教學(xué)效果.

數(shù)字圖像；課程教學(xué)；應(yīng)用型；工程化

“數(shù)字圖像處理”是理工科高校信息、電子和通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要必修課程，主要學(xué)習(xí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理的基本理論與方法.作為一門(mén)典型的交叉性學(xué)科，“數(shù)字圖像處理”涉及到的基礎(chǔ)理論知識(shí)和學(xué)科領(lǐng)域都相當(dāng)廣泛，具有起點(diǎn)高、難度大、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn).從這兩年的教學(xué)情況來(lái)看，學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)興趣不濃，動(dòng)手能力不強(qiáng)，教學(xué)效果有待提高. 因此，在學(xué)校提出工程化應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位的背景下，如何培養(yǎng)高質(zhì)量的圖像處理應(yīng)用型人才，是擺在我們圖像教育工作者面前的重要課題.

1　數(shù)字圖像處理課程特點(diǎn)

數(shù)字圖像處理課程是高校信息類(lèi)學(xué)科中的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課，對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)能力的提升起到了一定的作用.在日常的教學(xué)過(guò)程中，一般會(huì)要求學(xué)生在掌握?qǐng)D像分析和處理課程的基本概念、理論和方法[1].但對(duì)照應(yīng)用型人才培養(yǎng)的課程功能定位，理應(yīng)在結(jié)合學(xué)科基本知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上，逐漸引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握一定的圖像編程等實(shí)踐技能，從而使之能夠有效地利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)去分析和處理各種圖像信息，比如說(shuō)經(jīng)典的圖像增強(qiáng)和復(fù)原技術(shù)、圖像編碼和識(shí)別技術(shù)等.緊密結(jié)合最新的圖像實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域可以有效地提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)逐漸鍛煉其專(zhuān)業(yè)應(yīng)用和創(chuàng)新能力.

多年以來(lái)，隨著信息技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、智能交通工程技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出新技術(shù)、新算法和新應(yīng)用：比如小波變換、蟻群算法、遺傳算法和智能算法等[2].在搞好教材選用和常規(guī)教學(xué)的同時(shí)適當(dāng)穿插一些學(xué)科新的算法和新的應(yīng)用，輔以學(xué)科前沿知識(shí)和發(fā)展趨勢(shì)，可幫助學(xué)生更深入地理解這門(mén)課程.

2　教學(xué)內(nèi)容和方法的改進(jìn)和優(yōu)化

2.1豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展教學(xué)視野

針對(duì)現(xiàn)在工科學(xué)生積極性普通不高的現(xiàn)狀，應(yīng)該結(jié)合學(xué)生和學(xué)科的實(shí)際情況豐富教學(xué)內(nèi)容，充分尊重學(xué)生的自主權(quán)和積極性，逐步引導(dǎo)和調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)這門(mén)課的興趣.在數(shù)字圖像處理課程教材的選用上，以武漢大學(xué)賈永紅編寫(xiě)的數(shù)字圖像處理教材為主線,以岡薩雷斯的數(shù)字圖像處理(MATLAB版)等經(jīng)典教材為輔助,同時(shí)結(jié)合科技期刊發(fā)表的當(dāng)前圖像處理領(lǐng)域的科技前沿動(dòng)態(tài)及科技成果,課程內(nèi)容涉及圖像處理概論、圖像的光學(xué)基礎(chǔ)、圖像變換、圖像增強(qiáng)處理、圖像恢復(fù)處理、圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼、圖像分割、圖像分析、模式匹配與識(shí)別等內(nèi)容.將廣泛介紹新技術(shù)、新算法和數(shù)字圖像處理新的應(yīng)用作為主要的教學(xué)思路,教學(xué)過(guò)程中既注重優(yōu)秀教材和參考書(shū)的選取又不拘泥于教材,針對(duì)授課內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)做出具體的授課安排,系統(tǒng)講解重點(diǎn)內(nèi)容,一般知識(shí)點(diǎn)要求自學(xué)[3].比如講解到圖像分割和識(shí)別的時(shí)候，可以將車(chē)牌識(shí)別過(guò)程給大家做介紹，在這一過(guò)程中用到的圖像分割和識(shí)別技術(shù)作詳細(xì)分析并通過(guò)軟件向?qū)W生展示處理的過(guò)程.這樣學(xué)生對(duì)本來(lái)枯燥的知識(shí)點(diǎn)有了新認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性.

2.2改進(jìn)教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)流程

傳統(tǒng)的教學(xué)方式就是教師講授知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)接受的模式，這樣的課堂模式顯然不能很好地適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展需要.這種偏重學(xué)科理論傳授輕視實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程體系有很多弊端：比如學(xué)生在上完這門(mén)課程之后也許只會(huì)知道這門(mén)學(xué)科的基本概念和理論，至于是如何應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的，不太明白[4].傳統(tǒng)的教學(xué)體系和應(yīng)用型人才培養(yǎng)的精神是相違背的，因此必須改進(jìn)教學(xué)方法、優(yōu)化教學(xué)流程.

(1)熟練運(yùn)用多媒體技術(shù)，讓課程變得生動(dòng)有趣

在日常的教學(xué)過(guò)程中有效地運(yùn)用多媒體技術(shù)，結(jié)合經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容，使得乏味的理論立體化、運(yùn)動(dòng)感和可視性.這樣的變化極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍了課堂的應(yīng)用型氛圍[5].例如我們?cè)谏系綌?shù)字圖像數(shù)學(xué)表示的時(shí)候，可以采用簡(jiǎn)單直觀的圖像通過(guò)顯示程序的編寫(xiě)最后把數(shù)字矩陣形式呈現(xiàn)給學(xué)生.如圖1所示：

圖1　數(shù)字圖像的數(shù)學(xué)化表示

(2)靈活舉例，展示圖像處理技術(shù)應(yīng)用過(guò)程

在上到二值圖像處理和定位技術(shù)的時(shí)候，可以自然聯(lián)系到當(dāng)今智能交通系統(tǒng)中的車(chē)牌識(shí)別技術(shù).數(shù)字圖像處理技術(shù)在車(chē)牌識(shí)別領(lǐng)域有著極其重要的作用.一般為了準(zhǔn)備識(shí)別車(chē)牌圖像，首先需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和初步定位;這兩個(gè)步驟非常重要，直接決定著后續(xù)的分割和識(shí)別精度[6].在具體教學(xué)過(guò)程中，我們可以先給學(xué)生準(zhǔn)備一幅現(xiàn)實(shí)中彩色的車(chē)牌圖像，接著對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理.預(yù)處理過(guò)程包括了圖像的灰度化和去噪處理，可以先看下面一幅圖像：

圖2　原始車(chē)牌圖像

我們可以現(xiàn)場(chǎng)編輯一段圖像灰度化和顯示程序：

I1=rgb2gray(I);

subplot(3,3,2);imshow(I1);

這樣學(xué)生就可以直觀地感受圖像處理過(guò)程和所用到的技術(shù)，大大提高了教學(xué)效果.灰度化后的圖像如下所示：

圖3　灰度車(chē)牌圖像

那么剛剛得到的灰度圖像有什么不好呢？我們發(fā)現(xiàn)車(chē)牌區(qū)域不是很明顯，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步定位.如果對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行后續(xù)的處理，勢(shì)必造成時(shí)間上的浪費(fèi)，而且圖像上的其他部分有可能會(huì)影響到最后的處理結(jié)果[7].這時(shí)候我們自然結(jié)合圖像處理技術(shù)中的剪切原理對(duì)上述圖像進(jìn)行粗定位，程序如下：

I2=imcrop(I1,rect);其中矩形框rect為剪切圖像的四元素向量[xmin,ymin,width,height],分別表示矩形的左下角、長(zhǎng)度及其寬度，并且這些值在空間坐標(biāo)中指定，通過(guò)若干次的實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)我們選取的四元素向量為20,80,7000,60；通過(guò)圖像的剪切，我們獲得了如下的車(chē)牌圖像：

圖4剪切化后的車(chē)牌圖像

通過(guò)這樣的過(guò)程，學(xué)生既學(xué)習(xí)了有關(guān)理論，又對(duì)圖像處理技術(shù)的應(yīng)用有了更深的認(rèn)識(shí).

(3)結(jié)合課程特點(diǎn) 優(yōu)化教學(xué)流程

數(shù)字圖像處理課程是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的科目，以往的教學(xué)流程不能很好地體現(xiàn)工程化教學(xué)理念；我們應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化以充分體現(xiàn)工程型人才培養(yǎng)的精神.

我們?cè)谙驅(qū)W生介紹圖像灰度直方圖及其應(yīng)用這一節(jié)的時(shí)候，可以先給出幾幅圖像和相應(yīng)的坐標(biāo)圖：

圖5　車(chē)輪原圖

圖6　直方圖

通過(guò)大量現(xiàn)實(shí)的案例引出灰度直方圖的概念，這樣學(xué)生對(duì)直方圖概念理解起來(lái)更有效.再例如說(shuō)到直方圖重要應(yīng)用的時(shí)候，可以給出以下圖形圖像[8]：

圖7　原始圖像和對(duì)比度調(diào)整后的圖像

圖8　對(duì)比度調(diào)整前后的圖像灰度直方圖

圖9　眼部區(qū)域灰度直方圖的變化

圖10　基于灰度直方圖的人眼定位方法

在圖7-9中，可以清楚得看到圖像灰度直方圖的變化和均衡化后的效果，幫助學(xué)生更深入地理解直方圖的概念和應(yīng)用.在圖10的各個(gè)圖形圖像中學(xué)生可以直觀地了解圖像直方圖在人眼定位技術(shù)中的重要應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的了解和掌握.

3　結(jié)論

數(shù)字圖像處理作為應(yīng)用性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)核心課程,如何進(jìn)

行教學(xué)研究是非常值得探索與實(shí)踐的問(wèn)題.在近兩年教學(xué)過(guò)程中我們不斷地研究和改進(jìn)教學(xué)方法，結(jié)合學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)不斷更新教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)優(yōu)化教學(xué)流程，做到重點(diǎn)突出，努力為學(xué)生提供比較完整的應(yīng)用型知識(shí)結(jié)構(gòu).同時(shí)完善課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，增加一些自主性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，取得了較好的教學(xué)效果.然而課程教學(xué)研究的內(nèi)容還有很多[9]，如何在新形勢(shì)下全面加強(qiáng)工程化應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，是我們共同面對(duì)的課題.

[1]唐超，檀明.數(shù)字圖像處理課程CDIO模式教學(xué)法實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教學(xué)與教育信息化,2016,(6):154-155.

[2]梁志貞,江海峰,楊小冬. 基于“卓越計(jì)劃”的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].高教學(xué)刊,2016,(3):146-147.

[3]張永飛.面向邏輯思維與表達(dá)能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法探討與實(shí)踐[J].高教論壇，2016,(4):56-59.

[4]李月龍.以科研為導(dǎo)向的研究生《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)[J].時(shí)代教育，2014,(5):128.

[5]仲會(huì)娟.實(shí)現(xiàn)信息處理和圖像處理教學(xué)改革研究[J].開(kāi)封教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,(10):51-52.

[6]沈曉晶,于慶梅,池濤.“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)體系改革的探索[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,(2):97-99.

[7]張明.數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].信息技術(shù)，2016,(1):220-221.

[8]劉婧，秦華標(biāo).基于灰度直方圖的幾何特征人眼定位方法[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,(3):252-254.

[9]劉嫦娥，肖超.教學(xué)型大學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量影響因素研究[J].湖南商學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，(3)：49-56.

(責(zé)任編校：晴川)

Research on Digital Image Processing Course Teaching

DENG Yunsheng

(Department of Electrical and Electronic Engineering, Bengbu College, Bengbu Anhui 233030, China)

This article analyzes the characteristics of digital image processing course and the improvement of teaching methods, and puts forward a teaching method based on the application and engineering talents cultivation, namely combining all knowledge with corresponding important application to interpret and explain, and then applying it into specific engineering practice, which makes students experience the practicability of curriculum and could improve the teaching effect effectively.

digital image; course teaching; applied; engineering

2016-06-17

鄧運(yùn)生(1983— )，男，安徽六安人，蚌埠學(xué)院電子與電氣工程系助教，碩士.研究方向：電子技術(shù)、圖像信號(hào).

G642

A

1008-4681(2016)05-0127-03