面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

盧桂馥，王 勇

（ 1.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096 ）

面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

盧桂馥1，2，王 勇1

（ 1.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096 ）

針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，為對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)進(jìn)行改革，設(shè)計(jì)了一種從工程應(yīng)用的實(shí)例現(xiàn)象中引入授課內(nèi)容，然后對(duì)圖像處理算法進(jìn)行理論分析，最后再在實(shí)踐中應(yīng)用圖像處理算法的教學(xué)模式。此外，對(duì)課程考核方式進(jìn)行改革，加大實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)在總成績(jī)中的比重，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)踐表明，新的教學(xué)方法可以極大地提高學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。

數(shù)字圖像處理； 工程應(yīng)用能力； 面向應(yīng)用

數(shù)字圖像處理技術(shù)最早源于20世紀(jì)20年代[1]，當(dāng)時(shí)通過(guò)海底電纜從英國(guó)的倫敦到美國(guó)的紐約采用數(shù)字壓縮技術(shù)傳輸了第一張數(shù)字照片。近年來(lái)，隨著新技術(shù)和新處理手段的不斷涌現(xiàn)，數(shù)字圖像處理技術(shù)已成為集計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、微電子學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科的一門新興交叉學(xué)科。目前，數(shù)字圖像處理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)和軍事等各個(gè)領(lǐng)域，且在這些領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

近年來(lái)，不僅本科、碩士研究生甚至博士研究生階段，有越來(lái)越多的專業(yè)開(kāi)設(shè)了數(shù)字圖像處理課程。安徽工程大學(xué)也有不少專業(yè)開(kāi)設(shè)有數(shù)字圖像處理課程。雖然數(shù)字圖像處理是一門實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用非常廣泛的課程[2]，在教學(xué)的過(guò)程中，我們卻發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍認(rèn)為“深?yuàn)W、枯燥、無(wú)用”，缺乏學(xué)習(xí)興趣。其原因如下：

（1）由于知識(shí)點(diǎn)多而雜，而課時(shí)偏少（安徽工程大學(xué)各個(gè)專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程的課時(shí)普遍在32-40學(xué)時(shí)左右）。因此，教師在上課的過(guò)程中總是偏向于盡可能多地傳授知識(shí)，而往往忽略了知識(shí)點(diǎn)之間的相互聯(lián)系，使得學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理課程不能建立起一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)體系[3]。

（2）數(shù)字圖像處理課程的理論算法涉及的先修課程知識(shí)較多，要求學(xué)生具備的理論知識(shí)較多（如概率統(tǒng)計(jì)，向量、矩陣和線性系統(tǒng)等方面的知識(shí)），并具備一定的編程能力。然而，應(yīng)用型本科院校的學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，不習(xí)慣從數(shù)學(xué)的角度對(duì)數(shù)字圖像處理算法進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)。因此，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生往往感覺(jué)本課程的內(nèi)容偏于深?yuàn)W。

（3）在教學(xué)的過(guò)程中忽視理論與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系。

為了解決上述問(wèn)題，進(jìn)一步提高數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)效果。我們從工程應(yīng)用出發(fā)，將其引入到數(shù)字圖像處理的課堂教學(xué)，通過(guò)精心選擇應(yīng)用實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目和學(xué)生競(jìng)賽，對(duì)圖像處理算法進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，以提高學(xué)生的動(dòng)手能力。上述做法在我校的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

1.面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式

現(xiàn)代工程教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)面向工程應(yīng)用，從應(yīng)用的角度組織知識(shí)點(diǎn)，重視學(xué)生的主體地位，挖掘?qū)W生自我學(xué)習(xí)的能力[4-5]。其主要教學(xué)思想是理論課堂采用實(shí)例化教學(xué)，從工程設(shè)計(jì)或產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的應(yīng)用入手，將課程的知識(shí)、原理同應(yīng)用實(shí)例有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成學(xué)生易于接受的從現(xiàn)象到原理分析，再到學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后回到工程實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式。

我校的數(shù)字圖像處理課程采用經(jīng)典的由岡薩雷斯編寫(xiě)的《數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）》教材。全書(shū)分為12章，即緒論、數(shù)字圖像基礎(chǔ)、灰度變換與空間濾波、頻率域?yàn)V波、圖像復(fù)原與重建、彩色圖像處理、小波和多分辨率處理、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)圖像處理、圖像分割、表示與描述、目標(biāo)識(shí)別等。教師在授課的過(guò)程中，往往偏向于算法原理的推導(dǎo)上，而對(duì)數(shù)字圖像處理的應(yīng)用相對(duì)涉及較少，從而使得學(xué)生覺(jué)得這門課理論太難，枯燥難學(xué)。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們從應(yīng)用出發(fā)，首先講授某圖像處理算法在工程中的應(yīng)用，通過(guò)MATLAB編程，演示此算法的應(yīng)用效果，然后從算法原理上來(lái)解釋推導(dǎo)改算法，最后給出算法流程圖。這里以圖像處理中的邊緣檢測(cè)的授課為例，說(shuō)明教師如何從面向應(yīng)用的角度來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程。

教學(xué)內(nèi)容：邊緣檢測(cè)指的是圖像特性發(fā)生變化的位置，可以利用物體和背景在某種圖像特性上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種差異包括灰度、顏色或紋理特征。具體而言，邊緣檢測(cè)通過(guò)對(duì)圖像運(yùn)用一階微商算子或二階微商算子，然后根據(jù)各圖像點(diǎn)處的微商幅值或其它附加條件判定其是否為邊界點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。邊緣檢測(cè)算子比較多，如Sobel，Roberts，Prewitt，Canny等算子。在課時(shí)有限的情況下只需要詳細(xì)介紹其中的一、二種即可，其它可讓學(xué)生自學(xué)。這么多的邊緣檢測(cè)算子是如何得到的，其算法原理有何不同。學(xué)生腦海中自然會(huì)有這樣的疑問(wèn)，教學(xué)的時(shí)候就可以通過(guò)應(yīng)用實(shí)例來(lái)引出不同的邊緣檢測(cè)算子。

教學(xué)過(guò)程：第一步：演示圖像處理中的某個(gè)邊緣檢測(cè)實(shí)例，如圖1所示的圖像邊緣檢測(cè)前后結(jié)果。這種反差非常明顯的兩幅圖像可以緊緊抓住學(xué)生的眼球，學(xué)生會(huì)想進(jìn)一步弄清這種邊緣檢測(cè)效果的原理是什么。

圖 1 邊緣檢測(cè)實(shí)例

第二步：講解邊緣檢測(cè)的原理。Sobel算子的兩個(gè)卷積計(jì)算核分別為

第三步：用MATLAB演示各種邊緣檢測(cè)算子的效果，展示給學(xué)生看。

以上，以邊緣檢測(cè)為例闡述了面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)過(guò)程。這里可以看出，整個(gè)教學(xué)過(guò)程借用實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例和MATLAB軟件演示，可以極大地提高學(xué)生的上課興趣，從而也提高了學(xué)生掌握好數(shù)字圖像處理這門技術(shù)的自信心。

2.面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)考核

課程的考核是檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)與教師授課水平的重要手段，考核的方式常用的有試卷、大作業(yè)、課程論文等多種形式[6]。就數(shù)字圖像處理這門課程而言，常用的考核方式為：平時(shí)成績(jī)（20%）、實(shí)踐成績(jī)（40%）和考試成績(jī)（40%）。下面具體介紹這三個(gè)部分的詳細(xì)內(nèi)容。

平時(shí)成績(jī)就是考核學(xué)生平時(shí)課堂表現(xiàn)的成績(jī)，主要包括課堂考勤率、課堂積極性和課堂學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。實(shí)踐成績(jī)就是考核學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)。由于數(shù)字圖像處理課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用型，我們加大了這一部分成績(jī)，通過(guò)對(duì)學(xué)生的每次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收、打分，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告中學(xué)生課外完成的其他算法以及實(shí)驗(yàn)分析和心得體會(huì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)入課程總成績(jī)中。我們的實(shí)驗(yàn)主要有驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性工程實(shí)踐項(xiàng)目等（具體見(jiàn)表1）?？荚嚦煽?jī)就是課程最后采取的考試所得到的成績(jī)。教學(xué)實(shí)踐表明，這種考核不僅能反應(yīng)學(xué)生全過(guò)程的學(xué)習(xí)狀況，而且對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)實(shí)踐能力具有良好的促進(jìn)作用。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一覽表

3.結(jié)語(yǔ)

結(jié)合我校數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改革，將工程應(yīng)用引入到數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)中，研究了面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程從演示現(xiàn)象到理論分析的課程授課模式，并以邊緣檢測(cè)實(shí)例闡述了該授課模式的過(guò)程。通過(guò)改革考核模式，加大工程應(yīng)用在總成績(jī)的比重。我們運(yùn)用上述方法在我校相關(guān)專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程上進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。在近 2 年的全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能賽車競(jìng)賽攝像頭組中，我校學(xué)生屢屢獲得較好成績(jī)，驗(yàn)證了課程改革的效果。

[1] Gonzalez. R.C.數(shù)字圖像處理（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 吳冬梅.融入研究性教學(xué)模式的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012 ，（s2）：160-162.

[3] 馬衛(wèi)紅，倪晉平，田會(huì).“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2011，（31）：99-100.

[4] 肖來(lái)元.以需求為導(dǎo)向的軟件專業(yè)工程教育改革研究與創(chuàng)新實(shí)踐[J].高等工程教育研究， 2013，（6）：148-152.

[5] 郭范波， 邱戰(zhàn)洪.工程測(cè)量項(xiàng)目式教學(xué)改革研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014，（6）：128-130.

[6] 夏晶暉.應(yīng)用型本科教學(xué)中技能型課程考核方式的改革[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，（6）： 193-196.

Application-oriented Teaching Reform and Practice of Digital Image Processing Course

LU Guifu1,2, WANG Yong2
( 1. School of Computer and Information, AnHui Polytechnic University, WuHu, AnHui 241000; 2. School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China )

According to the characteristics of digital image processing course, we reformed the teaching model of digital image processing course. We designed a novel teaching model, which first introduces the course from engineering application examples, then gives some theoretical analysis of image processing algorithms, and finally applies the image processing algorithms into engineering practice. Besides, we also reformed the evaluation mode and increased the percent of experience practice. Then the students’ interests in image processing course is stimulated. The teaching practice demonstrates the new teaching schema can improves the manipulative ability and innovation ability.

digital image processing, engineering application capability, application-oriented

G642

A

1673-9639 (2016) 04-0101-04

（責(zé)任編輯 田 波）（責(zé)任校對(duì) 印有家）

2016-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（YJY-2011-17）；安徽省教育廳高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015jxtd018）；安徽工程大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目（2014xquz02）。

盧桂馥（1976-），男，安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院教師，博士，研究方向：圖像處理，模式識(shí)別。王 勇（1979-），男，安徽六安人，副教授，研究方向：人工智能，軟件工程。