基于團隊學習的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

蔣良孝，李超群

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）計算機學院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學（武漢）數(shù)學與物理學院，湖北 武漢 430074）

徐 琪， 曾衛(wèi)明， 章夏芬

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

基于團隊學習的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

蔣良孝1，李超群2

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）計算機學院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學（武漢）數(shù)學與物理學院，湖北 武漢 430074）

針對當前研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題，分析研究生進行團隊學習的優(yōu)勢，以中國地質(zhì)大學（武漢）數(shù)據(jù)挖掘研究生學習團隊CUG-Miner為例，闡述構(gòu)建高效研究生學習團隊的具體舉措，提出培育研究生學習團隊成員的若干建議。

研究生教育；團隊學習；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)模式

團隊學習的概念[12]早在20世紀60年代由英國著名經(jīng)濟學家Reg Revans提出，20世紀80年代末美國組織專家對其重點研究，自此以后，團隊學習成了理論界和實務(wù)界廣為關(guān)注的一個熱點。學者們紛紛從各自的研究領(lǐng)域出發(fā)，對團隊學習進行概念界定[2]。研究生團隊學習就是在研究生中組建學習小組，提供相應(yīng)的學習條件，在一定的管理機制下，有計劃、有組織地進行創(chuàng)新性學習，通過小組成員的深度交流推動整個團隊的學習，實現(xiàn)個人與團隊的互動成長，提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量[3]。研究生團隊學習理念在西方高等教育界很受重視，并體現(xiàn)在高校硬件設(shè)施的建設(shè)中，比如圓桌會議室、餐桌會議室、帶投影和數(shù)字傳送功能白板的小隔間等。近年，我國研究生擴招帶來了一系列問題，為此，各研究生培養(yǎng)單位積極探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，不少科研院校紛紛嘗試研究生團隊學習，試圖以此為突破口解決當前研究生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題[4]。

1 當前研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題

（1）培養(yǎng)方式單一。自從教育部教研[2009]1號文件發(fā)布以來，我國碩士研究生主要包括學術(shù)型和專業(yè)型[5]。學術(shù)型研究生以培養(yǎng)教學和科研人才為主，授予學術(shù)型學位；專業(yè)型研究生以培養(yǎng)滿足市場緊缺的應(yīng)用型人才為主，授予專業(yè)型學位。二者具有不同的培養(yǎng)方向，理應(yīng)具有不同的培養(yǎng)方式。然而，在實際的研究生培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)方式區(qū)分不明，甚至幾乎共用相同的培養(yǎng)方式。

（2）課程體系涉及內(nèi)容范圍較窄。研究生課程主要包括學位必修課和選修課，然而無論是必修課還是選修課，涉及的內(nèi)容范圍都較窄，跨專業(yè)跨學科課程較少。這種課程體系的局限性導致研究生的基礎(chǔ)理論不能在專業(yè)基礎(chǔ)上拓寬, 研究生的知識面和研究視野狹窄, 適應(yīng)能力較差，不利于研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（3）教學方式本科化趨勢嚴重。由于課時設(shè)置等多方面的原因，研究生教學大都以任課教師大班課堂講課為主, 缺乏必要的課堂討論和上機實習環(huán)節(jié), 不利于研究生自學能力、創(chuàng)新能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)。

（4）培養(yǎng)單位對研究生導師的考核與評價體系存在不合理現(xiàn)象。以筆者所在的學校為例，研究生導師要同時接受導師資格考核和崗位聘任考核，在考核和評價導師的過程中，大都偏重科研指標的考核，并且主要關(guān)注導師為第一作者的研究成果，導致研究生導師無法潛心指導研究生，甚至出現(xiàn)導師和學生搶占第一作者的現(xiàn)象，畢竟學生在參評國家獎學金和優(yōu)秀碩士學位論文的時候也主要關(guān)注學生本人為第一作者的研究成果。

（5）部分研究生導師指導的學生數(shù)量過多。當前中國研究生培養(yǎng)大都實行導師責任制, 隨著碩士研究生招生規(guī)模的擴大, 盡管研究生導師的人數(shù)也在增加，但研究生招生還是相對集中在少數(shù)導師身上，導致部分研究生導師指導的學生數(shù)量過多，指導效果難以保證。

（6）研究生的生源質(zhì)量下降。以筆者所在的學校為例，研究生招生的生源主要來源于本校的推免生和報考生。早些年，受限于國家教育部推免政策及相關(guān)規(guī)定，幾乎每個專業(yè)都只有綜合排名前兩名的本科畢業(yè)生才具有推免外校的資格，大部分具有推免資格的學生都只能推免本校相關(guān)專業(yè)，學生生源穩(wěn)定，質(zhì)量相對較高。近年來，隨著國家推免政策的全面放開，絕大部分能力較強的學生都選擇推免外校，人才流失嚴重，研究生生源質(zhì)量下降嚴重。

2 研究生進行團隊學習的優(yōu)勢

（1）研究生團隊學習有利于形成學生隊伍梯隊。研究生團隊學習的第一步就是要在研究生當中組建起不同的學習小組。學習小組的劃分往往根據(jù)學生的研究興趣和方向，同一組的學生往往具有相同或者相近的研究興趣和方向。同時在分組的時候，還要考慮到不同年級學生的交叉搭配，有利于形成學生隊伍梯隊。這樣，導師從原來對研究生個人的指導轉(zhuǎn)變?yōu)閷ρ芯可鷪F隊的指導，節(jié)約了導師的指導時間和精力，同時也提升了導師的工作效率。

（2）研究生團隊學習有利于提高學習效率。在討論研究生的學習效率之前，我們不妨先來看看與研究生學習生涯密切相關(guān)的幾件事情：文獻閱讀、實驗分析和論文寫作。然而，對于剛剛?cè)胄５牡湍昙壯芯可鷣碚f，無論是文獻閱讀還是實驗分析和論文寫作都缺乏學習經(jīng)驗和技巧。然而在團隊學習形式下，高年級研究生可以向低年級研究生分享學習經(jīng)驗和技巧，減少了低年級研究生獨自摸索帶來的時間和精力浪費。

（3）研究生團隊學習有利于拓展知識的廣度和深度。研究生首先需要完成的任務(wù)就是確定自己的研究方向，這往往需要研究生先對該研究方向相關(guān)的背景知識進行充分的積累和調(diào)研，從中找到自己真正感興趣的研究方向。在個體學習形式下，出于時間和精力的限制，獲取知識的廣度和深度非常有限。在團隊學習形式下，團隊中的每一個成員都有不同的研究方向和研究深度，都可以向團隊中其他成員學習，從而拓展了每一個成員的知識視野，增加了整個研究生團隊獲取知識的廣度和深度。

3 構(gòu)建高效研究生學習團隊的具體舉措

筆者于2012年組建了中國地質(zhì)大學（武漢）數(shù)據(jù)挖掘研究生學習團隊（地大礦工，CUGMiner）。團隊自組建至今，共培養(yǎng)碩士研究生14人，其中畢業(yè)9人，在讀5人。團隊成員以第一作者在中國計算機學會推薦的國際重要期刊和會議上發(fā)表學術(shù)論文10余篇，申報國家發(fā)明專利6項，獲計算機軟件著作權(quán)6項；3名成員遠赴德國、愛爾蘭、西班牙參加國際學術(shù)會議，其中1名還獲得2016年度國際人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會議學生旅費獎； 5名成員獲國家碩士研究生獎學金；4名成員主持過國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。CUG-Miner團隊先后斬獲2017年度湖北省第十一屆挑戰(zhàn)杯大學生課外學術(shù)科技作品競賽二等獎、2014年度中國數(shù)據(jù)挖掘競賽第四名、2012年度亞太地區(qū)知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘競賽學生組亞軍。下面在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上[2]，結(jié)合CUG-Miner團隊建設(shè)的實踐，談幾點構(gòu)建高效研究生學習團隊的具體舉措。

（1）打造勇于創(chuàng)新的團隊文化。團隊文化是一個團隊發(fā)展的基石和靈魂，也是一個團隊能否長遠發(fā)展的根本所在。一個優(yōu)秀團隊的建設(shè)和發(fā)展，需要靠團隊文化支撐。一個研究生學習團隊的精神和氣質(zhì)往往由導師決定，導師一定要為研究生學習團隊注入勇于創(chuàng)新、敢于吃苦、甘于坐冷板凳的精神和氣質(zhì)。當然一個團隊的精神和氣質(zhì)最終要落實到每一個團隊成員身上來，這就要求導師在招生的時候嚴格把關(guān)，充分利用雙向選擇的優(yōu)勢，招收符合團隊精神和氣質(zhì)的研究生。

（2）明確學習團隊的共同目標。構(gòu)建高效研究生學習團隊的前提條件就是要為整個研究生團隊制定一個明確且被所有成員認同的共同目標。如果整個團隊的共同目標不夠明確或者不被所有成員認同，就會影響整個團隊的工作效率和凝聚力。研究生學習團隊的總體目標是培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力，具體目標可在不同的時間階段根據(jù)團隊學習的任務(wù)來定，比如課程學習、學術(shù)競賽、文獻調(diào)研與綜述、研究項目實施、學習經(jīng)驗交流等。

（3）配置合理的團隊成員構(gòu)成。就筆者多年帶研究生的經(jīng)驗來看，一個研究生學習團隊通常由同一個導師指導的不同年級的研究生組成。如果一個導師按平均一年招收2個碩士研究生計算，那么整個研究生學習團隊在同一時間階段的成員數(shù)為6人左右，這剛好是一個研究生導師的時間和精力可以顧得過來的范圍。導師可以充分發(fā)揮高年級學生“傳幫帶”的作用，幫助低年級學生快速、健康成長。此外，導師在招生的時候，還可以適當注意團隊成員在性別、性格、專業(yè)背景等方面的差異和互補性，以保證團隊成員構(gòu)成的多樣性，從而促進整個團隊全面積極地發(fā)展。

（4）發(fā)揮導師的團隊指導作用。首先，導師應(yīng)為團隊學習提供相應(yīng)的配套條件,此外, 還可創(chuàng)建QQ或者微信群等虛擬網(wǎng)絡(luò)交流平臺, 以便團隊成員之間探討問題，分享學習經(jīng)驗、技巧和成果。導師還應(yīng)對研究生團隊學習提供適度的指導, 參與團隊學習計劃制定、學習過程討論及學習效果評價。比如，導師可以為整個團隊定制“入團隊承諾書”“建議培養(yǎng)方案”“文獻閱讀模板”“算法實驗模板”“論文撰寫模板”“專利申報模板”和“軟件著作權(quán)申報模板”等一系列相關(guān)規(guī)定和模板文件。

（5）規(guī)范學習團隊的管理制度。具體來說，就是對團隊成員進行合理的考核評價, 并將其納入研究生日常管理體系。在導師的指導下, 團隊成員每周將學習內(nèi)容和階段性成果按團隊規(guī)定的模板和格式要求認真準備，以便在例會中充分討論和深入交流。把例會活動作為團隊的慣例活動，納入考勤范疇，對團隊成員參加例會活動的次數(shù)、學習計劃、學習總結(jié)、學習成果等進行考核，并將個人表現(xiàn)及團隊學習成效作為研究生評價和助教助研考核的重要參考指標。

4 培育研究生學習團隊成員的若干建議

1）打好基礎(chǔ)，跟對導師。

對一個計算科學與技術(shù)專業(yè)的研究生而言，所謂的基礎(chǔ)主要是指英語、數(shù)學和計算機編程能力。如果沒有掌握好這些基本的知識和技能，后期創(chuàng)新能力的培養(yǎng)肯定會受到影響。另外，研究生選擇導師同樣非常重要。研究生一定要想清楚自己到底想要什么，然后根據(jù)自己的需要和興趣來選擇適合自己的指導老師，找到和自己興趣和性格相投的導師是研究生學習成功的關(guān)鍵。

2）參與科研，潛心研究。

經(jīng)過前面兩個環(huán)節(jié)的精心準備，研究生還需要以主人翁的心態(tài)參與到科學研究活動的各個環(huán)節(jié)中去。

（1）積累專業(yè)英語詞匯。最重要的途徑就是自學幾本與自己研究方向緊密相關(guān)的國外優(yōu)秀教材，最好是有中英文對照的教材。學習的時候，兩個版本同時購買?？吹臅r候，也交替著看。具體說來，可以分三遍制：第一遍以中文版為主，英文版為輔；第二遍以英文版為主，中文版為輔；第三遍只看英文版，不到迫不得已不要看中文版。通過對幾本英文原著的閱讀，可以積累必備的專業(yè)英語詞匯，提高自己外文文獻的閱讀能力，為后續(xù)的創(chuàng)新活動打基礎(chǔ)。

（2）廣泛閱讀文獻資料。在閱讀文獻的時候可以先看綜述性論文，后看創(chuàng)新性論文，同時粗看和細看相結(jié)合。看綜述性論文旨在整體把握，縮小閱讀范圍；看創(chuàng)新性論文旨在比較研究，找到問題突破口。粗看一般只需看摘要、引言和結(jié)論部分；細看則需要仔細閱讀論文的每一個細節(jié)，哪怕是一個參數(shù)的設(shè)置也不要放過。

（3）跟蹤同行現(xiàn)有的研究成果。跟蹤同行研究的手段和方法有很多種，如跟蹤作者、跟蹤會議、跟蹤研究室、跟蹤關(guān)鍵詞、跟蹤參考文獻等。一般來說，在任何一個研究領(lǐng)域，都有一些知名的專家教授、會議和研究室，只要把握住他們的研究動態(tài)，就不會失去研究的方向。關(guān)鍵詞跟蹤一般應(yīng)用在研究者對自己要找尋的東西沒有太多了解的情況下，這種方法的不足之處在于查找的結(jié)果往往比較多，還需要進一步篩選。參考文獻跟蹤的方法就是在看論文的時候，根據(jù)需要把文章所引用的論文也找來看看。

（4）學術(shù)論文的撰寫。一個好的想法還遠不能等同于一篇好的論文，至少還需要在語言和結(jié)構(gòu)上下一番工夫。關(guān)于論文語言，筆者認為有一種行之有效的方法就是在平時閱讀文獻的時候，專門用一個筆記本把別人論文中用得比較好的語句記錄起來，以備寫作時模仿。關(guān)于論文結(jié)構(gòu)，盡管論文的類型不同，論文的結(jié)構(gòu)會有些出入，但基本上都會包括這樣幾個部分：標題、作者及其工作單位、摘要、關(guān)鍵詞、引言、相關(guān)工作評述、新方法的提出部分、實驗結(jié)果與分析、結(jié)論與展望、參考文獻。其實科技論文的寫作頗有幾分八股文的味道，每次論文寫作幾乎都是先套用論文的一般結(jié)構(gòu)，然后用填鴨式的方法去充實和完善論文的細節(jié)。

5 結(jié) 語

社會和科學發(fā)展日新月異，隨著學科交叉和信息融合的不斷深入，研究生團隊學習已經(jīng)成為各科研院校培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的有效途徑?；趫F隊學習的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，可以有效提高研究生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，對新時代背景下的高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有十分重要的意義。中國地質(zhì)大學（武漢）數(shù)據(jù)挖掘研究生學習團隊CUGMiner的實踐與探索已經(jīng)取得了一定的成效，希望今后在學院和學校的支持下，進一步提升研究生成果產(chǎn)出的質(zhì)量和數(shù)量，為我校計算機科學進入ESI排名前1%、甚至成為一流學科貢獻力量。

[1] 姚廣濤, 資新運, 張衛(wèi)鋒. 基于科研團隊的研究生培養(yǎng)模式研究[J]. 軍事交通學院學報, 2014(3): 82-85.

[2] 王軍會, 李雷鳴, 車誠, 等. 團隊學習與高效研究生學習團隊的構(gòu)建[J]. 中國成人教育, 2012(6): 51-52.

[3] 邢以群, 姚靜. 研究生團隊學習模式的實踐與探討[J]. 學位與研究生教育, 2004(2): 23-26.

[4] 王軍會, 李雷鳴, 車誠. 從中外研究生培養(yǎng)談基于團隊學習的研究生培養(yǎng)模式[J]. 中國石油大學學報(社會科學版), 2011(2): 98-102.

[5] 裴明濤. 面向應(yīng)用的學術(shù)型研究生培養(yǎng)[J]. 計算機教育, 2017(2): 88-90.

1672-5913(2017)11-0055-03

G642

中國地質(zhì)大學（武漢）2017年度研究生教育教學改革研究項目（YJG2017214）。

蔣良孝，男，教授，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與機器學習，ljiang@cug.edu.cn。

（編輯：彭遠紅）

教育與教學研究

圖像增強算法的綜合實驗教學研究

徐 琪， 曾衛(wèi)明， 章夏芬

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

文章編號：1672-5913(2017)11-0058-04

中圖分類號：G642

摘 要：針對計算機圖像處理課程中算法公式復雜難懂，原理枯燥又抽象的問題，以圖像增強算法為例，設(shè)計并講解3個理論聯(lián)系實踐的綜合小實驗，引導學生進一步理解算法的原理和動機，為計算機圖像處理課程中圖像增強算法的教學提供參考。

關(guān)鍵詞：計算機圖像處理；圖像增強算法；圖像灰度分布調(diào)整；圖像平滑；圖像銳化

第一作者簡介：徐琪，女，講師，研究方向為圖像處理、模式識別， qixu@shmtu.edu.cn。

0 引 言

圖像增強是計算機圖像處理課程中算法的綜合性比較強的1章,面對枯燥而又抽象的算法公式，本科生在學習過程中普遍表示理解有困難，更重要的是學生對于這些算法的動機和算法的實際應(yīng)用沒有直觀清楚的認識。因此，在該課程章節(jié)配套的實驗教學環(huán)節(jié)，設(shè)計1套貼近學生平常能接觸到的實際問題的綜合實驗，使同學們通過編程實驗理解算法步驟，靈活融合各種相關(guān)算法以解決實際問題，從而能夠深刻領(lǐng)悟算法背后的動機是非常重要而有意義的。

1 圖像增強算法教學現(xiàn)狀

圖像處理是一門交叉性學科，其中的圖像增強是要通過對圖像的某些特征進行強調(diào)和銳化，以便顯示、觀察或進一步分析處理，其算法融合了矩陣運算、信號濾波、微分差分等比較復雜的數(shù)學計算和信息論原理。

有些教師認為，數(shù)字圖像在計算機中的表達就是1個數(shù)矩陣，對圖像進行增強操作，實際上是對矩陣進行操作，對矩陣表達和操作的深入了解是學好圖像增強不可缺少的條件。因此，大部分學時用來強調(diào)數(shù)學中的矩陣運算，但1個屏幕接1個屏幕的數(shù)學公式和矩陣使學生產(chǎn)生畏難情緒，影響學生學習圖像增強的興趣。

有些教師選擇避開數(shù)學原理，直接從計算機編程角度來進行實驗教學，利用較多學時來重點講解關(guān)鍵算法的編程實現(xiàn)，應(yīng)用背景講解缺乏細節(jié)。在這種教學方式下，學生是對關(guān)鍵算法進行了編程實現(xiàn)，卻很難將所學的基本理論知識與相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域建立起聯(lián)系，談不上靈活應(yīng)用與創(chuàng)新。這樣就使得原本很重要的實踐環(huán)節(jié)變成了理論學習的輔助，極大降低了圖像處理實驗對學生的吸引力，也影響到最終教學效果。

2 實驗教學資源建設(shè)

圖像增強的算法很多，但圖像增強的結(jié)果主要依靠人的主觀感覺來評價。要改變學生學習算法的畏難情緒，就要理論聯(lián)系實際，通過實際應(yīng)用來增強算法的效果意義。筆者結(jié)合教材中的基本經(jīng)典增強算法和學生這個年輕群體的日常相關(guān)問題，設(shè)計了1套簡化的針對自拍照片進行濾鏡處理的綜合小實驗：懷舊老照片濾鏡、美顏美膚濾鏡以及平面油畫濾鏡。

實驗以《數(shù)字圖像處理（第二版）》中圖像增強章節(jié)中基于點運算的灰度分布調(diào)整算法、圖像平滑算法和圖像銳化算法3類算法為例[1]，并結(jié)合彩色圖像處理的基本概念，將作用于灰度圖像的圖像增強算法擴展到彩色圖像，達到彩色圖像增強的目的。實驗過程中，使用Matlab圖像處理工具箱[2]進行圖像處理程序開發(fā)與設(shè)計。Matlab圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，靈活運用這些函數(shù)可以完成大部分圖像處理工作，對不能直接調(diào)用庫函數(shù)完成的任務(wù)，Matlab也可通過自編的m文件來實現(xiàn)。數(shù)字圖像在計算機中的呈現(xiàn)就是一個數(shù)字陣列，即數(shù)字矩陣，Matlab擅長矩陣運算的特點使其用于數(shù)字圖像處理非常合適[3]。文章中所涉及的實驗使用Matlab圖像處理工具箱的優(yōu)點就是降低本科學生算法編程的難度，使得學生只要掌握了算法原理和算法基本步驟就能編程實現(xiàn)。

2.1 懷舊老照片濾鏡原理與實驗設(shè)計

懷舊老照片的特點是圖像低飽和度、低亮度、主色調(diào)偏黃，涉及的圖像增強相關(guān)算法為：線性動態(tài)范圍調(diào)整算法和彩色分量比例調(diào)整算法。

線性動態(tài)范圍調(diào)整算法的原理是進行像素點對點的、灰度級的線性映射。該映射關(guān)系通過調(diào)整參數(shù)來實現(xiàn)對圖像亮暗差異的改變。在設(shè)計老照片濾鏡的實驗中，引導學生思考怎樣選擇參數(shù)來達到老照片偏暗淡的效果，是整體亮度都線性調(diào)暗，還是只針對比較亮的像素進行部分調(diào)整。線性動態(tài)范圍調(diào)整的效果并不是最好的，還應(yīng)該引導學生拓展思考非線性的動態(tài)范圍調(diào)整算法，并思考其中的原因，得出人眼對亮度的識別是對數(shù)關(guān)系而非線性關(guān)系這一結(jié)論。

彩色分量比例調(diào)整是為了使圖像主色調(diào)偏黃色，根據(jù)顯示器彩色模型加色系統(tǒng)原理，將圖像紅色分量和綠色分量像素值增加50～100，則圖像色調(diào)將顯示偏黃色，具體要增加的像素值由學生根據(jù)實驗圖片自行調(diào)整。

圖1是一幅圖像按照上述算法做舊成老照片的示例。在1-1圖中，對讀入的彩色圖像，取其紅色通道分量和綠色通道分量，像素值分別增加100，即得到圖1-2的調(diào)整效果圖。然后，為使圖像整體亮度偏暗，需提取彩色圖像的亮度分量進行線性動態(tài)范圍調(diào)整，即將圖1-2的色彩空間調(diào)用rgb2hsv( )函數(shù)進行變換，取變換后的value分量（亮度分量）進行動態(tài)范圍調(diào)整：調(diào)用imadjust( )函數(shù)，輸入?yún)?shù)取值為[0, 1]，輸出參數(shù)取值為[0, 0.7]，即可得到圖1-3所示效果。

圖1 懷舊老照片濾鏡效果圖

2.2 美顏美膚濾鏡原理與實驗設(shè)計

對照片進行美膚美顏的一般要求是將圖像中人物皮膚進行“磨皮”，使其比真實圖像人物皮膚光滑，換句話說就是要使圖像中人物皮膚像素值分布更均勻；同時要調(diào)整圖像的整體亮度，使圖像看上去更為清晰明亮，涉及的圖像增強的相關(guān)算法為：邊緣保持類濾波器算法和直方圖均衡化算法。

要使得圖像分布更為均勻，應(yīng)使用平滑濾波器對圖像進行低通濾波，但普通的平滑濾波在平滑圖像的同時會模糊圖像中的邊界。顯然，這與我們的濾鏡設(shè)計要求是沖突的，因此，我們設(shè)計使用邊緣保持類濾波器算法——KNN平滑濾波器來達到“磨皮”的同時又能保持邊界清晰的目的。實驗過程中，要求學生自行編程設(shè)計KNN平滑濾波器，編程過程中，引導學生通過經(jīng)驗調(diào)整KNN平滑濾波器中濾波窗口大小的設(shè)計、窗口大小和K值設(shè)定的關(guān)系。

直方圖均衡化算法依據(jù)信息論中數(shù)據(jù)分布越均勻，數(shù)據(jù)信息熵越大的原理，對圖像中像素個數(shù)多的灰度值進行展寬，對像素個數(shù)少的灰度值進行歸并，從而達到清晰圖像的目的。直方圖均衡化算法能夠?qū)Α澳テぁ敝蟮膱D像進行整體亮度調(diào)整，使圖像亮度的分布更符合人眼識別的特性。實驗過程中，可適當要求學生對直方圖均衡化算法自行編程，了解算法根據(jù)圖像灰度分布概率進行直方圖調(diào)整的算法本質(zhì)。直方圖均衡化之后，引導學生計算原圖像和均衡化之后圖像的對比度變化，進一步讓學生理解具有高對比度的圖像才是人眼識別過程中的“清晰”圖像。算法的最終效果可以與Matlab中histeq( )庫函數(shù)的均衡化效果進行對比。

圖2 顯示了一幅人臉圖像按照上述算法進行美顏美膚濾鏡后的效果。示例中2-1圖整體亮度偏暗，因此，在讀入圖像后通過調(diào)用rgb2hsv( )函數(shù)，取出vaule通道分量調(diào)用histeq( )進行直方圖均衡化，圖2-2是對原圖進行直方圖均衡化之后的效果。均衡化后，圖像整體清晰度得以提高，但人臉皮膚顏色和亮度的不均勻性更為明顯，因此，對均衡化之后的圖像需要使用KNN平滑濾波器進行圖像平滑，示例中濾波器窗口大小為5*5，K值取13，實驗結(jié)果如圖2-3所示。

需要說明的是，圖2-3顯示的美膚美顏效果與我們實際應(yīng)用自拍軟件中的美顏效果還是存在一定差距的，由此可引導學生了解在實際應(yīng)用中，只使用簡單的圖像處理算法有可能無法徹底解決問題，需要使用一些更為復雜、先進的算法才行。如圖2-4所示，對圖2-2使用雙指數(shù)邊緣平滑濾波器[4]進行平滑，其效果更為令人滿意。

圖2 美顏美膚濾鏡效果圖

2.3 平面油畫濾鏡原理與實驗設(shè)計

鏡頭拍攝的照片，由于色彩豐富，過渡自然因而非常真實，要將真實場景圖像做出平面油畫效果，就要減少圖像上的色彩種類并銳化圖像中的景物邊界，涉及圖像增強的相關(guān)算法為：降低圖像量化級別和圖像銳化算法。

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅為高校全面監(jiān)測和評估大學生的生活提供了強有力的技術(shù)支持，而且這種時效性與人性化特點突出的分析模式，多與大學生后期的成長與發(fā)展同樣具有極為重要的意義[2]。以一站式數(shù)據(jù)資源平臺為基礎(chǔ)建立的數(shù)據(jù)分析體系，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)分析手段的手勢，整合與大學生相關(guān)的飯卡消費狀況、勤工儉學、兼職以及學習成績等相關(guān)的信息，從而達到全面和準確掌握大學生信息的目的。此外，以移動終端為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，不僅對大學生參與社團、班級等相關(guān)活動進行了詳細的記錄，而且通過對大學生成長情況的分析，為學校與家長提供了具有針對性的建議，確保了大學生群體的健康發(fā)展。

圖像的量化就是把數(shù)字圖像像素點上表示亮暗信息的連續(xù)量離散化后，用數(shù)值來表示。普通的灰度圖像量化級別為256，而彩色圖像由3個原色構(gòu)成，量化作用在每個原色上，能表達的顏色種類為256*256*256個，非常豐富多彩。因此，為了明顯地將自然場景圖像轉(zhuǎn)換成平面畫效果，需要大幅度降低量化級別。在實驗中，可通過線性范圍調(diào)整來對每個原色的分量直方圖進行范圍壓縮達到降低量化級別的目的。

自然圖像中景物邊界一般不會特別突兀，而畫出來的圖像最明顯的一個特征就是有著清晰的邊界，因此，在實驗中要指導學生使用圖像銳化算法去檢測原自然場景圖像中的邊界信息，并按自由度增強后疊加到原圖，達到清晰邊界的目的。實驗過程中，引導學生分別使用水平銳化算子、垂直銳化算子和Canny算子3種邊界檢測算法去提取邊界，最后，為提取的邊界圖像設(shè)定1個自由度權(quán)重（0～1），根據(jù)實際圖像情況，將邊界信息按自由度權(quán)重疊加至降低量化級別后的圖像上。

圖3 是一幅彩色建筑物圖像按照上述算法進行平面油畫濾鏡后的效果。為了說明問題，我們選擇一幅彩色建筑物圖像（見圖3-1）進行實驗，在將R、G、B三原色的每個分量的量化級別從256降為2之后，得到了圖3-2的效果，量化級別不夠所形成的偽輪廓現(xiàn)象正好體現(xiàn)了平面油畫色塊過渡不自然的特點。然后，我們將在原圖上用Canny算子提取的邊界信息（見圖3-3），按照0.5的自由度權(quán)重疊加至圖3-2中，即可得到最終的濾鏡效果（見圖3-4）。

圖3 平面油畫濾鏡效果圖

3 教學效果與討論

在教學過程中，由于圖像處理算法中包含很多數(shù)學模型和信號處理原理，學生們看到較復雜的數(shù)學公式就會產(chǎn)生畏難情緒，也因而陷于糾結(jié)算法步驟和算法實現(xiàn)上，反而將最重要的算法動機和算法原理給忽略了。實際上，圖像處理這門課程與人們的日常生活是息息相關(guān)的，像二維碼掃描、指紋識別、車牌識別等都是圖像處理算法的應(yīng)用。筆者在講解圖像增強算法的過程中，以本文所設(shè)計的3個自拍濾鏡實驗輔以驗證和說明，使得學生能夠立竿見影地看到圖像增強算法的實際應(yīng)用效果，大大激發(fā)了學生的學習興趣。同時，由于在試驗中對實驗問題的本質(zhì)進行了分析，討論了不同算法的選擇和融合，驗證了不同的算法參數(shù)，使得學生對算法原理理解得更加深刻，從而掌握算法背后的動機。

通過這種與學生日常生活相關(guān)的圖像的處理實驗設(shè)計，學生們對圖像處理課程的興趣大大增強，不再認為圖像處理課程僅僅是一門數(shù)學應(yīng)用困難、編程也困難的交叉性理論課程，很大程度上調(diào)動了學生的學習積極性。更為關(guān)鍵的是，在課程算法講解的同時，引導學生認識到任何算法模型的提出都是需要和解決的實際應(yīng)用問題的本質(zhì)相關(guān)，理解問題本質(zhì)，把握算法原理才是最重要的。

4 結(jié) 語

筆者所在的圖像處理教研小組的各位教師長期從事計算機圖像處理的相關(guān)研究，通過多年教學實踐發(fā)現(xiàn)，理論和實踐結(jié)合的教學方法可以大大調(diào)動學生的學習興趣和學習積極性，實踐和學生的日常生活聯(lián)系越密切，他們的積極性就越高[56]。今后，針對計算機圖像處理這門課程的其他章節(jié)，如圖像變換、圖像壓縮與編碼，也可設(shè)計一系列實際案例的實驗方案，并在最終課程結(jié)束后，將所有章節(jié)實驗整合，形成一個完整的圖像處理軟件工具箱，進一步激發(fā)學生的興趣和成就感。

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（見習編輯：景貴英）