大學(xué)教育中視覺(jué)信息處理類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置的探討

韓芳芳　朱均超　張寶峰

（天津理工大學(xué)，天津300381）

大學(xué)教育中視覺(jué)信息處理類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置的探討

韓芳芳朱均超張寶峰

（天津理工大學(xué)，天津300381）

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)因客觀、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)信息技術(shù)研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，視覺(jué)信息處理類課程也逐步成為理工科專業(yè)的熱點(diǎn)課程。但因該類課程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)算法繁雜，對(duì)于學(xué)生的理解和掌握有較大難度。理論與實(shí)踐相結(jié)合是讓學(xué)生更好掌握理論知識(shí)，并且學(xué)以致用的有效方法。由此本文探討了針對(duì)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)類課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案，提出一種由軟件程序仿真實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和學(xué)生科技競(jìng)賽實(shí)踐構(gòu)成的循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)踐能力；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；圖像處理

一、引言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人類社會(huì)正經(jīng)歷著從生活方式到學(xué)習(xí)方式多維度、多層次的歷史性變革［1］。當(dāng)代大學(xué)生的信息處理能力，不僅是衡量個(gè)體綜合素質(zhì)的重要指標(biāo)，它還是信息社會(huì)個(gè)人生存技能的體現(xiàn)。因此，信息處理類課程，是大學(xué)教育中非常重要的一類課程群。

視覺(jué)是人類觀察世界和認(rèn)知世界的重要手段。隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，計(jì)算機(jī)視覺(jué)以其準(zhǔn)確、快速、客觀、不受人類心理生理?xiàng)l件限制等優(yōu)勢(shì)，在越來(lái)越多的在需要人類視覺(jué)應(yīng)用的場(chǎng)合來(lái)取代人眼進(jìn)行信息獲取及相關(guān)的處理操作，使得計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)成為近年來(lái)信息技術(shù)研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)［2］。因此，越來(lái)越多高校的信息類專業(yè)開(kāi)始在本科培養(yǎng)方案的課程設(shè)置中增加圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)類課程，例如數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器視覺(jué)等。

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)通常是隨著專業(yè)課程而設(shè)置的，主要目的是將理論結(jié)合于實(shí)際，使學(xué)生加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。合理的課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置可以有助于學(xué)生對(duì)理論課程的理解，因此，探討圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置具有重要意義［3-5］。

二、算法類課程實(shí)踐推進(jìn)式教學(xué)方式的探討

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷的，是一項(xiàng)交叉、密集型學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、生命科學(xué)、心理學(xué)、信息融合技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等學(xué)科及技術(shù)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。這類課程的主要特點(diǎn)是涉及學(xué)科眾多，處理數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)學(xué)算法繁雜。圖像處理算法涉及到對(duì)圖像進(jìn)行的各種分析處理的數(shù)學(xué)算法。從一般應(yīng)用的圖像處理算法來(lái)說(shuō)，包括圖像色度學(xué)分析、圖像平滑去噪、圖像銳化處理、圖像增強(qiáng)、圖像變換、圖像壓縮編碼等；而從圖像的高級(jí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，又包括模式識(shí)別、立體視覺(jué)、三維重建等等。以一般理工類本科生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和數(shù)字基礎(chǔ)，對(duì)這類課程的理解和掌握存在較大的難度。

因此，提出如圖1所示的對(duì)算法類課程的教學(xué)改革方案。傳統(tǒng)的講課方法是，從算法講解進(jìn)入，然后進(jìn)行公式推導(dǎo)，最后是算法應(yīng)用效果的說(shuō)明。這種講課方法，對(duì)于難以理解的算法，很容易使得學(xué)生在前期算法講解階段，因?yàn)槁?tīng)不懂而放棄該課程的學(xué)習(xí)。因此，改變授課思路，逆向思維，從算法應(yīng)用效果進(jìn)入，以問(wèn)題為主導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)，算法的實(shí)踐應(yīng)用效果也會(huì)幫助學(xué)生理解該算法，增強(qiáng)授課效果。在學(xué)好該門(mén)課程、了解算法應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，學(xué)生也會(huì)積極主動(dòng)的參與后續(xù)的設(shè)計(jì)及競(jìng)賽類的實(shí)踐活動(dòng)，從而學(xué)以致用，增強(qiáng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力。

圖1　算法類課程的實(shí)踐推進(jìn)式教學(xué)方式

正是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)于該類課程的重要性，因此，如何設(shè)置該類課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，有助于學(xué)生更好的理解復(fù)雜的圖像處理數(shù)學(xué)算法，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。本文提出了如圖2所示的循序漸進(jìn)的提高理解難度和增強(qiáng)實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案。

圖2　視覺(jué)信息處理類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案

對(duì)課堂上講解的各類圖像處理算法，采用某種語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過(guò)輸出圖像效果反饋加強(qiáng)學(xué)生對(duì)算法的理解，這類的實(shí)驗(yàn)可以融入課程教學(xué)，讓老師在課堂上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，或穿插在教學(xué)課程中讓學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)；在掌握?qǐng)D像處理算法的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步升級(jí)，要求學(xué)生在視覺(jué)檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，完成圖像采集、圖像處理分析、圖像輸出應(yīng)用這個(gè)比較系統(tǒng)的完整過(guò)程；在經(jīng)歷該系統(tǒng)的完整鍛煉后，鼓勵(lì)學(xué)生參與進(jìn)行各類計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)的學(xué)生科技競(jìng)賽活動(dòng)的實(shí)戰(zhàn)鍛煉。因此，由這樣一個(gè)循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置，最終達(dá)到對(duì)視覺(jué)信息處理技術(shù)的學(xué)以致用。

三、視覺(jué)信息處理類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)置

1.軟件程序仿真實(shí)驗(yàn)

軟件程序仿真實(shí)驗(yàn)是指利用Matlab、Visual C++等計(jì)算軟件，對(duì)數(shù)字圖像處理算法進(jìn)行程序編寫(xiě)，用編寫(xiě)的程序段作用于輸入圖像，觀察輸出圖像的變化，對(duì)輸入、輸出圖像進(jìn)行對(duì)比，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)圖像處理數(shù)學(xué)算法作用的理解［6-9］。

以圖像變換壓縮算法為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置和分析。圖像變換壓縮的根本意義在于：將空間域里描述的圖像，經(jīng)過(guò)某種變換（常用的是二維正交變換，如傅立葉變換、離散余弦變換等）在變換域中進(jìn)行描述，從而將圖像能量在空間域的分散分布變?yōu)樵谧儞Q域的能量的相對(duì)集中分布，這樣有利于進(jìn)一步采用其他的處理方式，如“之”字形掃描、自適應(yīng)量化、變長(zhǎng)編碼等，從而獲得對(duì)圖像信息的有效壓縮。

以二維離散余弦變換為例：

式（1）中：

對(duì)于以上圖像變換的數(shù)學(xué)算法，若讓學(xué)生死記硬背的記住變換公式，學(xué)生往往會(huì)覺(jué)得很難理解，且不清楚這些變換用途是什么。因此，為有助于學(xué)生理解，應(yīng)該輔以圖像處理的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)這樣的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行分析。以Matlab軟件環(huán)境環(huán)境為例，要求對(duì)一幅輸入圖像進(jìn)行二維離散余弦變換；對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行與原圖像像素灰度值進(jìn)行比較；對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行一定的閾值處理，舍棄較小系數(shù)，進(jìn)行圖像反變換，觀察系數(shù)舍棄情況與反變換圖像效果情況。

實(shí)驗(yàn)程序段如下（離散余弦變換可以采用Matlab自帶的函數(shù)“dct2”、“idct2”實(shí)現(xiàn)，也可以鼓勵(lì)學(xué)生自己根據(jù)算法公式自己編寫(xiě)變換函數(shù)）：

對(duì)應(yīng)上述程序段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　圖像離散余弦變換壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3（a）為原始圖像，對(duì)應(yīng)程序段中的變量I；圖3（b）為對(duì)原始圖像進(jìn)行二維離散余弦變換后，不對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行任何處理，直接進(jìn)行反變換后的變換圖像，對(duì)應(yīng)程序段中的變量B；圖3（c）為系數(shù)閾值設(shè)為40，舍棄絕對(duì)值小于系數(shù)閾值的變換系數(shù)后，再進(jìn)行反變換后的變換圖像，對(duì)應(yīng)程序段中的變量D；圖3（d）為系數(shù)閾值設(shè)為80，舍棄絕對(duì)值小于80的變換系數(shù)后，再進(jìn)行反變換后的變換圖像；圖3（e）和圖3（f）分別為原始數(shù)據(jù)與離散余弦變換后系數(shù)數(shù)據(jù)分布的示意圖。

由圖3（e）和圖3（f）的對(duì)比可以看出，原始數(shù)據(jù)的均勻分布，經(jīng)過(guò)離散余弦變換后，系數(shù)的能量分布變得相對(duì)集中，因此可以舍棄較小的系數(shù)，而對(duì)圖像信息的表達(dá)并不產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由圖3（c）和圖3（d）的對(duì)比可以看出，舍棄的系數(shù)越多，對(duì)反變換圖像信息的影響越大。

由以上的程序仿真實(shí)驗(yàn)示例，可以看出對(duì)于式（1）所示的繁雜的數(shù)學(xué)算法及其作用，可以由圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀的反映出來(lái)，因此輔以這樣的實(shí)驗(yàn)更有利于學(xué)生對(duì)算法的理解。

2.視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

在學(xué)生具有一定的程序編寫(xiě)能力和圖像算法理解力的基礎(chǔ)上，可以在實(shí)驗(yàn)環(huán)境上進(jìn)一步加入硬件設(shè)施，在綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)［10］。本文以線陣相機(jī)、滾筒傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置說(shuō)明。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由線陣相機(jī)、鏡頭、LED線光源、滾筒傳動(dòng)臺(tái)、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

圖4　線掃描相機(jī)視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

線陣相機(jī)的一次曝光采集一條線的信息內(nèi)容，因此需要被測(cè)物與相機(jī)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能夠采集到有意義的信息。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，相機(jī)固定安裝，被測(cè)圖像粘貼在滾筒上，當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)起來(lái)，相機(jī)以一定頻率曝光，即可采集到被測(cè)圖像。滾筒不動(dòng)時(shí)，采集圖像如圖5（a）所示；滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，采集圖像如圖5（b）所示。

在圖像采集程序中，加入圖像處理函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)圖像的檢測(cè)分析。例如對(duì)圖5（b）所示的圖像加入色選程序，可以進(jìn)行顏色塊的色選。

圖5　滾筒實(shí)驗(yàn)臺(tái)采集圖像

除圖像算法和程序編寫(xiě)的能力鍛煉外，利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可以鍛煉學(xué)生對(duì)焦距、物距、景深的計(jì)算，滾筒轉(zhuǎn)速與相機(jī)曝光頻率對(duì)采集圖像分辨率的影響，鏡頭光圈與相機(jī)曝光頻率對(duì)采集圖像亮度影響等，讓學(xué)生更深入理解光學(xué)成像原理，以及與視覺(jué)檢測(cè)相關(guān)的各參數(shù)的計(jì)算。

3.學(xué)生科技類實(shí)踐

當(dāng)學(xué)生對(duì)圖像處理算法、軟件編程能力、視覺(jué)檢測(cè)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算有一定的基礎(chǔ)后，可進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生參加智能小車、視覺(jué)機(jī)器人等學(xué)生科技競(jìng)賽類項(xiàng)目，讓學(xué)生學(xué)以致用，也進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

例如，“飛思卡爾（freescale）”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽是近年來(lái)理工類院校關(guān)注度較高的一項(xiàng)學(xué)生科技競(jìng)賽賽事，由高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦，采用邀請(qǐng)賽方式。比賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，旨在培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握和創(chuàng)新能力，以及從事科學(xué)研究的能力［11-12］。

賽事分光電組、攝像頭組和電磁組三類智能小車，以小車在不跑出賽道的情況下而跑完全程所用的時(shí)間作為比賽標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間最短者勝出。其中攝像頭組即為應(yīng)用視覺(jué)技術(shù)的智能小車。賽道圖像由小車前面的CCD（或CMOS）傳感器采集入處理芯片，由圖像算法進(jìn)行處理分析賽道位置，由控制算法調(diào)整小車運(yùn)動(dòng)軌跡，從而使小車在賽道內(nèi)完成全部行程。鼓勵(lì)學(xué)生參加此類賽事，對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用和動(dòng)手能力的增強(qiáng)將有極大益處。

圖6（a）為第八屆（2013年度）飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽場(chǎng)景，圖6（b）為該屆競(jìng)賽中，某參賽隊(duì)的攝像頭組智能小車。

圖6　第八屆飛思卡爾杯智能車競(jìng)賽

四、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)具有客觀、準(zhǔn)確、高效、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民生產(chǎn)生活中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，因此計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理類課程也逐步成為理工科專業(yè)的熱點(diǎn)課程。但因該學(xué)科是一門(mén)多技術(shù)交叉的密集型學(xué)科，特別是數(shù)學(xué)算法繁雜，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，理解和掌握具有較大的難度。理論與實(shí)踐相結(jié)合是讓學(xué)生更好的理解和掌握理論知識(shí)，并且學(xué)以致用的有效方法，由此，本文探討了針對(duì)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)類課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案。

本文提出由軟件程序仿真實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和學(xué)生科技競(jìng)賽實(shí)踐構(gòu)成的循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案。由軟件程序仿真實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生的算法理解和算法編程實(shí)現(xiàn)能力，由硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)鍛煉學(xué)生對(duì)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算能力，由學(xué)生科技競(jìng)賽實(shí)踐鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。實(shí)踐表明，本文探討的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置方案，對(duì)于學(xué)生對(duì)該類課程的理解和綜合能力的提高有較好的效果。

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（責(zé)任編輯：姚歆燁）

Experiment and Practice Teaching Plan for Image Processing and Computer Vision Courses

HAN Fangfang，ZHU Junchao，ZHANG Baofeng
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300381，China）

Due to its objectiveness，accuracy and high efficiency，computer vision has become very popular in the research and application of information technology in recent years，and vision information processing courses are also becoming more and more popular at science and engineering universities.Because of the complex algorithm and theories，those courses are usually very difficult for students.Combining theory with practice is an effective method for grasping the theoretical knowledge.Therefore，this paper put forward an experimental practice plan for image processing and computer vision courses，which is composed of a series of exercises such as software program simulation experiments，hardware laboratory experiments and students’science and technology competition activities.

experiment teaching；ability of practice；computer vision；image processing

G642.0

韓芳芳（1978—），女，講師，研究方向：數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

天津理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（YB12-61）。