以應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式探索

翟艷麗

（華北水利水電大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

以應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式探索

翟艷麗

（華北水利水電大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

根據(jù)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的專業(yè)特色和數(shù)字圖像處理課程的課程特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)式教學(xué)模式的不足，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，提出了以應(yīng)用為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式，并從教材選取、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、實(shí)踐教學(xué)、課程考核、后續(xù)跟蹤輔導(dǎo)六個(gè)方面描述了該課程教學(xué)模式。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該模式能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力，從而有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)模式；數(shù)字圖像處理；應(yīng)用

0 引言

圖像是人類感知和獲取外來信息的主要手段，隨著技術(shù)的日新月異，圖像處理技術(shù)獲得了空前快速的發(fā)展，逐步形成一門獨(dú)立的學(xué)科。數(shù)字圖像處理也成為各高等學(xué)校信息類專業(yè)必修或選修的一門重要課程。該課程具有理論內(nèi)容豐富、多學(xué)科交叉滲透、發(fā)展迅速、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，在教學(xué)中如何使學(xué)生在掌握基本理論的同時(shí)能夠很好地解決實(shí)際問題是一件比較困難的事情。本文針對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的專業(yè)特色，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，提出了以應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式。

1 課程的內(nèi)容及培養(yǎng)目標(biāo)

目前國內(nèi)的數(shù)字圖像處理教材非常豐富，但基本內(nèi)容大致相同，理論教學(xué)主要圍繞以下內(nèi)容展開：圖像的基本知識(shí)（包含取樣、表示、分辨率、灰度圖像、彩色圖像、動(dòng)態(tài)圖像、圖像格式等）、圖像增強(qiáng)（包含灰度變換、直方圖、空間濾波器、頻域?yàn)V波器等）、圖像復(fù)原（包含圖像復(fù)原模型、噪聲模型、估計(jì)退化函數(shù)、濾波器等）、圖像壓縮（包含圖像壓縮模型、信息論基礎(chǔ)、有損壓縮、無損壓縮、壓縮標(biāo)準(zhǔn)等）、數(shù)字形態(tài)學(xué)（包含膨脹、腐蝕、開操作、閉操作、應(yīng)用等）、圖像分割（包含邊緣檢測(cè)、基于區(qū)域的分割等）[1]。從教學(xué)內(nèi)容很容易可以看出，該課程理論知識(shí)比較多，需要用到其他課程的知識(shí)點(diǎn)也比較多，要求學(xué)生具備比較強(qiáng)的綜合能力。

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)是研究信息與計(jì)算技術(shù)的理科專業(yè)，培養(yǎng)的是既具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)思維能力又能夠解決實(shí)際問題的高級(jí)專門人才[2]。就筆者學(xué)校而言，數(shù)字圖像處理課程是信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)必修的一門專業(yè)課程，開設(shè)在大三下學(xué)期，學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生已經(jīng)修過分析類、代數(shù)類、計(jì)算機(jī)類、信息類、小波類的基礎(chǔ)課程，具備學(xué)習(xí)該課程的基礎(chǔ)。開設(shè)這門課程的初衷在于借助圖像這種人眼可視的方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，將填鴨式的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力，為以后學(xué)生的就業(yè)增加競(jìng)爭(zhēng)力。

2 問題分析

目前，各高校都認(rèn)識(shí)到數(shù)字圖像處理課程理論與應(yīng)用并重的特點(diǎn)，也都在積極地尋求教學(xué)改革，但是教學(xué)中也依然存在一些問題，主要有如下幾個(gè)方面：

（1）教材的問題。市面上可用于該課程的教材非常多，分為如下幾類：一類是側(cè)重理論內(nèi)容的教材。這類課本多數(shù)以推導(dǎo)為主，對(duì)于實(shí)際知識(shí)運(yùn)用講的很少。如果按照這類教材授課，通常會(huì)陷于繁瑣的推導(dǎo)證明中，學(xué)生看不到模型的實(shí)際應(yīng)用，即使學(xué)生足夠認(rèn)真地學(xué)習(xí)，但因?yàn)槿鄙賹?shí)際案例的引入，學(xué)生也不知道該怎么解決實(shí)際問題，更何況繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)會(huì)使得很多學(xué)生望而卻步。另一類是側(cè)重于應(yīng)用的教材。這類教材往往側(cè)重于案例的簡單介紹和演示，如果按照這類教材授課，學(xué)生往往只會(huì)一些簡單的應(yīng)用，只知其然而不知其所以然。真正能做到理論與應(yīng)用并重的教材不多，如何在良莠不齊的教材里，選擇合適的教材也是值得思考的問題。此外，圖像處理技術(shù)發(fā)展非?？欤蠖鄶?shù)的教材里并沒有最新的研究成果，學(xué)生根本無法從教材里獲得最新的研究狀況[3]。

（2）教學(xué)量與學(xué)時(shí)的問題。該課程在教學(xué)設(shè)置上一般可以分為基礎(chǔ)理論部分、基本處理與分析、高級(jí)處理與分析三個(gè)層次[4]，教學(xué)內(nèi)容非常多，需要運(yùn)用的基礎(chǔ)知識(shí)較多，如果按照教材章節(jié)先后次序進(jìn)行教學(xué)，需要很多學(xué)時(shí)才可以完成教學(xué)量。但目前很多高校該課程的學(xué)時(shí)均不是很多，一般在32學(xué)時(shí)到64學(xué)時(shí)之間，就筆者學(xué)校而言，該課程的理論學(xué)時(shí)僅有32學(xué)時(shí)，這顯然與教學(xué)量矛盾。在規(guī)定的學(xué)時(shí)之內(nèi)，如何使學(xué)生理解更多的知識(shí)也是困擾我們的一個(gè)問題。如若依然只依靠傳統(tǒng)的教學(xué)模式，顯然是無法應(yīng)對(duì)這一問題的。因此，對(duì)該課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

3 以應(yīng)用為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)方式通常側(cè)重于教師的教，側(cè)重于理論知識(shí)的講解，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)完數(shù)字圖像處理課程后，并不知道學(xué)習(xí)該課程的目的，也不知道如何利用學(xué)到的知識(shí)解決實(shí)際問題，更做不到學(xué)以致用。以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式最大的特點(diǎn)在于以應(yīng)用為教學(xué)的主線，從應(yīng)用中來到應(yīng)用中去，借助應(yīng)用激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)豐富的理論知識(shí)。這一教學(xué)模式并不是不需要學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而是將填鴨式的被動(dòng)理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的理論學(xué)習(xí)，將理論與實(shí)踐充分地結(jié)合，不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。這一教學(xué)模式需要教師和學(xué)生的共同參與，教師負(fù)責(zé)根據(jù)課程內(nèi)容進(jìn)行主題設(shè)計(jì)、理論和應(yīng)用教學(xué)等，需要更多地注意理論和應(yīng)用的并重，學(xué)生需要根據(jù)教師講述的內(nèi)容進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。這樣的模式更能很好地促進(jìn)教師和學(xué)生之間的交流，對(duì)教師而言，能夠更加有效地組織教學(xué)，對(duì)學(xué)生而言，能夠通過實(shí)踐應(yīng)用不斷地完善自我。

3.1 教材選用和教學(xué)內(nèi)容

以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式的第一環(huán)節(jié)是教材的選取。筆者認(rèn)為，比較適合信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的教材應(yīng)該既有經(jīng)典的理論又有方法和應(yīng)用，能使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際。目前，Rafael. C.Gonzalez的《數(shù)字圖像處理（MATLAB 版）》[5]是國內(nèi)外很多高校必選的經(jīng)典著作，該書不但包含了幾乎全部的經(jīng)典算法，而且還包括了許多常見的MATLAB命令，能夠達(dá)到算法原理服務(wù)于應(yīng)用的目的，也能夠有效地銜接算法原理和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。因此，筆者在實(shí)際教學(xué)時(shí)，選用取了該書作為教材。

從教學(xué)內(nèi)容上來說，由于課程學(xué)時(shí)的原因，無法按照章節(jié)前后順序?qū)χR(shí)點(diǎn)一一講解，因此根據(jù)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的專業(yè)特色，我們將以應(yīng)用領(lǐng)域作為教授知識(shí)的主線，將課程細(xì)分為六個(gè)主題，即圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)算子、圖像分割、對(duì)象識(shí)別[5]進(jìn)行講解。這種教學(xué)內(nèi)容安排，沒有嚴(yán)格遵循教材的前后次序，而是在實(shí)際授課時(shí)，根據(jù)主題所需的內(nèi)容，在不影響課程完整性的同時(shí)，重新組織授課內(nèi)容。比如小波方法可以根據(jù)主題將其分別歸納到去噪主題和分割主題中，不再像教材那樣單獨(dú)成章。在進(jìn)行每個(gè)主題算法講解時(shí)，也可以有選擇有重點(diǎn)地講解。比如在圖像增強(qiáng)主題中，需要講述灰度變換。教材[5]中對(duì)于灰度變換這一知識(shí)點(diǎn)講述的有多種算法，比如圖像反轉(zhuǎn)、對(duì)數(shù)變換、冪次變換、分段線性變換函數(shù)等。但是在實(shí)際教學(xué)過程中，由于學(xué)時(shí)的原因，很難將所有方法都講得很細(xì)致。其實(shí)，灰度變換實(shí)質(zhì)上就是對(duì)灰度圖像的像素在保持位置不變的前提下對(duì)灰度值組成的矩陣進(jìn)行各種線性變換和非線性變換。因此，只要將其中一兩個(gè)方法講清楚，其他的方法可讓學(xué)生自行查閱資料進(jìn)行學(xué)習(xí)和上機(jī)操作，這樣就能夠在保證教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)使用較少的學(xué)時(shí)完成教學(xué)。此外，由于數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展較快，為了彌補(bǔ)教材內(nèi)容更新較慢的不足，在實(shí)際授課中，需要在每個(gè)主題中適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┳钚驴萍汲晒慕榻B，使學(xué)生及時(shí)捕捉國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

3.2 教學(xué)過程

以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式從教學(xué)過程上來說基本思想是理論與應(yīng)用的結(jié)合，同時(shí)，避開大量的理論推導(dǎo)，盡可能地通過引入應(yīng)用實(shí)例程序的方法講解算法原理。一般來說，首先講述該主題在實(shí)際問題中的應(yīng)用，然后將能夠進(jìn)行該處理的算法原理及實(shí)現(xiàn)方式給學(xué)生有側(cè)重性地分別講述，講述的過程中應(yīng)該要保證知識(shí)的完整性和避免大量公式的推導(dǎo)，最后，運(yùn)用MATLAB工具箱[6]演示算法的實(shí)驗(yàn)過程。這里以圖像復(fù)原主題中的圖像去噪這一子題為例說明以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)過程。第一步，演示受噪聲污染的圖像和去噪之后的圖像，前后的視覺落差能夠比較好地吸引學(xué)生的注意力，使得學(xué)生有興趣進(jìn)一步了解圖像去噪的方法和原理。第二步，講述圖像噪聲的分類，利用MATLAB演示一下圖像加上不同類的噪聲會(huì)變成什么模樣，借助于視覺化的效果，進(jìn)一步闡明圖像噪聲的原理。第三步，重點(diǎn)講述去除噪聲常見方法的原理及實(shí)現(xiàn)流程。筆者所在學(xué)校信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)學(xué)生在本課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過數(shù)字信號(hào)處理和小波分析類的課程，因此，在實(shí)際講解時(shí)，重點(diǎn)講授原理，不進(jìn)行大量公式的推導(dǎo)也能保證知識(shí)的完整度。第四步，利用MATLAB向?qū)W生展示不同算法在處理不同噪聲時(shí)的優(yōu)點(diǎn)與不足，并引導(dǎo)學(xué)生課下自己編寫MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)這些算法。從這一教學(xué)過程中可以看出來，圖像去噪這部分內(nèi)容的講解沒有很多晦澀難懂的理論，僅借助于MATLAB軟件演示，通過視覺效果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)好該課程的自信心。

3.3 實(shí)踐教學(xué)

學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程的最終目的在于應(yīng)用，因此，為了讓學(xué)生學(xué)到的知識(shí)更好地應(yīng)用于解決實(shí)際問題，實(shí)踐上機(jī)時(shí)要求不要利用MATLAB工具箱實(shí)現(xiàn)算法，要求學(xué)生必須自己設(shè)計(jì)算法編程實(shí)現(xiàn)，可以使用MATLAB編程，鼓勵(lì)利用C++編程。在筆者實(shí)際教學(xué)的過程中，通常鼓勵(lì)學(xué)生利用C++語言編寫位圖的讀圖程序，編寫程序的過程能夠使得學(xué)生更加理解位圖的結(jié)構(gòu)，這是使用MATLAB語言里“imread”函數(shù)達(dá)不到的效果。

實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵一環(huán)在于如何有效地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目必須以應(yīng)用為目的，圍繞理論教學(xué)內(nèi)容開展。筆者在實(shí)踐教學(xué)過程中，通常根據(jù)課程的內(nèi)容層次，設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目，項(xiàng)目任務(wù)分解具體如圖1所示。

圖1 實(shí)踐項(xiàng)目任務(wù)

在實(shí)踐教學(xué)上機(jī)時(shí)，將學(xué)生分成若干組，每組大概3—6人，每組學(xué)生首先選擇一組圖像，圖像可以是醫(yī)學(xué)圖像、指紋圖像、人臉圖像、車牌圖像等，然后學(xué)生根據(jù)學(xué)過的理論知識(shí)，按照實(shí)踐項(xiàng)目任務(wù)，從增強(qiáng)到識(shí)別逐一編程實(shí)現(xiàn)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于實(shí)踐學(xué)時(shí)比較少，小組內(nèi)部必須有明確的分工，每個(gè)同學(xué)各司其職，協(xié)同合作，才能完成該實(shí)踐項(xiàng)目。這樣有效避免了一些學(xué)生在實(shí)踐上機(jī)課上渾水摸魚的情況，最大限度地調(diào)動(dòng)了學(xué)生動(dòng)手操作的積極性。

3.4 課程考核

課程考核的方式主要有：考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、試卷等。該課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，考核的重點(diǎn)應(yīng)該是學(xué)生利用理論知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力，因此筆者在實(shí)際教學(xué)中將考核分為三個(gè)部分：一部分是理論知識(shí)的掌握程度，筆者所在學(xué)校該課程為考查課，因此，實(shí)際考核中，主要以出勤、課堂提問、隨堂作業(yè)等為主，該部分占總成績的30%；第二部分是利用算法原理解決應(yīng)用問題的效果，主要參看學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目的完成度，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫情況、項(xiàng)目分析情況等給分，該部分占60%；第三部分是學(xué)生課外利用C++編程實(shí)現(xiàn)圖像處理的程度，該部分占10%。這種全過程式的課程考核形式能夠全面評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，實(shí)現(xiàn)師生之間的良性互動(dòng)，從而真正提高教學(xué)質(zhì)量。

3.5 后續(xù)跟蹤輔導(dǎo)

近年來，國家在不斷提倡提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，作為信息與計(jì)算科學(xué)這一理學(xué)類的專業(yè)，能夠讓學(xué)生有機(jī)會(huì)創(chuàng)新的課程不多，但是數(shù)字圖像處理自身強(qiáng)大的實(shí)用性留給學(xué)生足夠大的創(chuàng)新空間。因此，筆者通常在課程結(jié)束后，對(duì)愿意進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究的學(xué)生進(jìn)行再輔導(dǎo)，組織、指導(dǎo)他們申報(bào)校級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目。校級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目的申報(bào)、實(shí)施、結(jié)項(xiàng)激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的靈感，使學(xué)生的綜合能力得到了進(jìn)一步的提高，也使學(xué)生初步了解了科學(xué)研究，為以后進(jìn)一步深造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，筆者指導(dǎo)的校級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目均順利結(jié)項(xiàng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)、研究的過程中也產(chǎn)生了一些創(chuàng)新成果。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前提倡培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的大背景下，作為高校教師，必須要改革該課程的教學(xué)模式。教學(xué)改革本身是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要教師了解本專業(yè)的專業(yè)特色、培養(yǎng)目標(biāo)，了解課程的工程應(yīng)用，具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)要改革教學(xué)方式，只有這樣，才能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，才能培養(yǎng)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的人才。

（責(zé)任編輯 楊文忠）

[1] 張弘.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 教育部數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)教學(xué)規(guī)范[J].大學(xué)數(shù)學(xué),2003(1):6-8.

[3] 吳冬梅.融入研究性教學(xué)模式的數(shù)學(xué)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),2011(S2):160-162.

[4] 朱虹.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[5] Rafael C. Gonzalez, Richard E. Wood.數(shù)字圖像處理（MATLAB版）第二版[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6] 張志涌,楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

Study on the Teaching M ode of Digital Image Processing Oriented by App lications

ZHAI Yan-li
(School of Mathematics and Information Science, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

According to professional characteristics of the major called information and computing science, characteristics of the digital image processing course and the shortcom ing of the traditional teaching mode, this paper proposes an application-oriented teaching mode that comes from our own teaching practice. In the paper, we describe the teaching mode from six aspects: teaching materials, teaching content, teaching process, practice teaching, curriculum evaluation and follow-up counseling. The practice shows that the mode can stimulate students' interest in learning, improve students' comprehensive ability to solve practical problems, and effectively improve the quality of teaching.

teaching mode; digital image processing; applications

G642

A

1008–2093(2017)02–0075–04

2016-12-29

華北水利水電大學(xué)教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究”

翟艷麗（1982―），女，河南遂平人，講師，博士，主要從事數(shù)字圖像處理研究。