研究生“數(shù)字圖像處理”課程的理論與實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)探討

許佳奕 崔晨 李黎

摘要：數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，越來越多的信息被以圖像載體的方式進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、處理和傳播。物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得由數(shù)字圖像處理引申而出的視頻圖像處理、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析、機(jī)器視覺及人工智能技術(shù)逐漸成為產(chǎn)業(yè)高地和科研領(lǐng)域前沿，吸引越來越多高等院校、科研院所和高新企業(yè)加大相關(guān)領(lǐng)域人才的引進(jìn)和培養(yǎng)力度。在此背景下，本文將重點(diǎn)研究探討面向研究生教育的“數(shù)字圖像處理”核心課程體系理論與實(shí)踐教學(xué)改革思路，通過改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握能力，擴(kuò)展學(xué)生創(chuàng)新能力，提高學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域最新研究成果的應(yīng)用水平，為培養(yǎng)學(xué)生成為復(fù)合型人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；研究生教育；人才培養(yǎng)；課程體系建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）24-0093-04

● 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像作為人類感知世界的重要視覺基礎(chǔ)，成為我們?cè)谔摂M世界獲取信息、表達(dá)語義和傳遞數(shù)據(jù)的主要載體之一，與此同時(shí)，針對(duì)計(jì)算機(jī)圖像的分析處理技術(shù)也逐漸成為其他科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域中一項(xiàng)不可缺少的重要工具，并且已經(jīng)在醫(yī)學(xué)影像、安防監(jiān)控、公共安全、軍事測(cè)繪、天文遙感等領(lǐng)域得到了長足發(fā)展和深入應(yīng)用。在這樣的背景下，以“數(shù)字圖像處理”課程為核心的專業(yè)性、應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案越來越受到很多高等院校和科研院所的關(guān)注，“數(shù)字圖像處理”課程也逐漸成為本科甚至研究生階段的必修課程之一。[1]本文從研究生“數(shù)字圖像處理”核心課程建設(shè)及教學(xué)方案出發(fā)，針對(duì)研究生階段專業(yè)知識(shí)教育及技能應(yīng)用特點(diǎn)，主要針對(duì)該課程傳統(tǒng)教學(xué)的不足，從理論教育、實(shí)踐應(yīng)用、學(xué)研結(jié)合的角度對(duì)該課程的授課內(nèi)容、教學(xué)方法和應(yīng)用目標(biāo)等各方面進(jìn)行一些教學(xué)改革的探討，希望能對(duì)未來高等院校的研究生教育及數(shù)字圖像處理課程建設(shè)提供一些參考和啟發(fā)。

● 研究生“數(shù)字圖像處理”課程建設(shè)背景

1.數(shù)字圖像處理課程簡介

數(shù)字圖像處理又被稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程，目的是提高圖像實(shí)用性和應(yīng)用范圍，達(dá)到滿足不同領(lǐng)域或特定需求的結(jié)果。[2]相關(guān)課程以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論等課程為數(shù)學(xué)背景，在計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)與信息處理等應(yīng)用性課程的基礎(chǔ)上系統(tǒng)學(xué)習(xí)研究數(shù)字圖像處理的基本理論與分析方法，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息工程、軟件工程等專業(yè)的重要必修課程。國內(nèi)外眾多高校和科研院所將數(shù)字圖像處理作為重要的研究方向之一，為相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)一步深造提升提供了機(jī)遇與平臺(tái)。[3]國內(nèi)外的多家知名企業(yè)都在數(shù)字圖像處理的軟硬件開發(fā)上投入了大量的精力，提供了大量崗位需求。因此引導(dǎo)研究生學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字圖像處理基本知識(shí)和應(yīng)用工具，將為畢業(yè)生未來的發(fā)展提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備和研究基礎(chǔ)。

然而數(shù)字圖像處理的課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在一些亟待解決的問題，課程理論較深，大量模型和算法依賴嚴(yán)密的數(shù)學(xué)描述，在具體教學(xué)中，凡是涉及大量公式推導(dǎo)和證明描述的課時(shí)最終教學(xué)效果往往不盡如人意。此外，數(shù)字圖像領(lǐng)域最近幾年的蓬勃發(fā)展使得大量尖端研究成果和技術(shù)得以實(shí)踐應(yīng)用，而教學(xué)方案和應(yīng)用教材對(duì)最近技術(shù)的描述相對(duì)滯后，也使得很多研究生認(rèn)為課堂學(xué)習(xí)與自己研究進(jìn)展脫節(jié)，從而降低了對(duì)課程的接受度。如果能夠較好地解決這些問題，就意味著學(xué)生能縮短從事數(shù)字圖像處理領(lǐng)域各個(gè)具體方向的入門時(shí)間，改善數(shù)字圖像處理的人才培養(yǎng)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4]，從而減少學(xué)生所學(xué)知識(shí)與數(shù)字圖像處理市場需求之間的差異，使得學(xué)生畢業(yè)后能夠盡快勝任大部分圖像處理實(shí)踐工作并能為進(jìn)一步深造學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.研究生教育特點(diǎn)

改革開放40年來， 我國已跨入世界研究生教育大國行列，研究生教育規(guī)模不斷擴(kuò)大，教學(xué)條件明顯改善，學(xué)科建設(shè)和教育質(zhì)量也有了顯著提高[5]，作為基于本科知識(shí)脈絡(luò)，專注于研究某一領(lǐng)域最新成果和未來發(fā)展的高層次教育，研究生教學(xué)培養(yǎng)一方面注重對(duì)本科階段所學(xué)課程的固化和引申，另一方面注重基本學(xué)術(shù)素養(yǎng)和研究性技能的傳授，教育層次始終處于知識(shí)發(fā)展和應(yīng)用轉(zhuǎn)型的最前沿，它對(duì)知識(shí)變革的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他層次的教育。相對(duì)而言，研究生教育面對(duì)的是原生性的尖端知識(shí)，而本科教育面對(duì)的則是系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，歷經(jīng)檢驗(yàn)的知識(shí)[6]，這也就要求教師在課堂講授時(shí)需要與科學(xué)研究相結(jié)合[7]，根據(jù)自己的理解篩選整合，去粗取精，根據(jù)領(lǐng)域發(fā)展和專業(yè)相關(guān)增加與最新成果的結(jié)合度，進(jìn)一步提高教學(xué)層次，提升學(xué)生視野和知識(shí)接受意愿。

以數(shù)字圖像處理課程為例，該課程既需要學(xué)生掌握本科所學(xué)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)與信息處理等先導(dǎo)性課程上的一些基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)，并在相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上講授課程核心內(nèi)容，如圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像恢復(fù)、圖像編碼等，同時(shí)還需要教師結(jié)合圖像處理在工程、科研、企業(yè)等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展落地方向，如數(shù)字水印、影像識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等，傳授學(xué)生最新工具、模型、算法的使用和操作技巧，并能時(shí)時(shí)對(duì)相關(guān)內(nèi)容予以擴(kuò)展引申。因此研究生階段“數(shù)字圖像處理”課程需要針對(duì)研究生學(xué)習(xí)、教育、科研特點(diǎn)，有的放矢，充分發(fā)揮學(xué)生已學(xué)知識(shí)優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)式接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)思考應(yīng)用方向、擴(kuò)展應(yīng)用場景。

● 研究生“數(shù)字圖像處理”課程建設(shè)探討

1.課堂理論教學(xué)改革探討

研究生“數(shù)字圖像處理”課程涉及理論較深，大部分理論和算法都有著嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義描述，而課堂教學(xué)作為學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固既學(xué)知識(shí)重要環(huán)節(jié)之一，既要采用適當(dāng)方法引導(dǎo)學(xué)生對(duì)以往所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效的梳理和回顧，也要避免過多涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)從而降低學(xué)生接受意愿，拖延學(xué)習(xí)進(jìn)程。例如，圖像處理理論中的正交變換是高等代數(shù)中的頻域變換，傅里葉變換、離散余弦變換、小波變換、K-L變換等可用于圖像編碼和濾波等用途，學(xué)生知道這些應(yīng)用可以促進(jìn)對(duì)相關(guān)矩陣?yán)碚摰膹?fù)習(xí)和深入理解，反之，對(duì)這些矩陣?yán)碚摰纳钊肜斫庖矔?huì)促進(jìn)圖像相關(guān)算法的改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)經(jīng)典算法的理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)改革探討

“數(shù)字圖像處理”課程涉及的知識(shí)面廣泛，通過研究其他院校本科、研究生同類課程教學(xué)大綱發(fā)現(xiàn)，針對(duì)本課程實(shí)踐教學(xué)多以軟件仿真為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括圖像位置變換、圖像代數(shù)運(yùn)算、灰度映射、直方圖變換、空頻域增強(qiáng)、圖像分割、彩色圖像處理等幾部分內(nèi)容。傳統(tǒng)的“數(shù)字圖像處理”實(shí)踐教學(xué)體系主要通過各知識(shí)點(diǎn)由點(diǎn)至面的結(jié)構(gòu)邏輯及各類圖像處理方法的層次遞進(jìn)關(guān)系引申而來，從教學(xué)效果來看，這一實(shí)踐體系對(duì)學(xué)生初步掌握?qǐng)D像處理方法、形成對(duì)相關(guān)領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用基本架構(gòu)有一定的幫助。例如在“圖像增強(qiáng)”的章節(jié)中，雖然方法眾多，但是各種處理方法相關(guān)性較小。因此，為了讓學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理的知識(shí)體系有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，梳理“數(shù)字圖像處理”課程的知識(shí)點(diǎn)、尋找合適的主線將各知識(shí)點(diǎn)連接起來是當(dāng)前急需解決的問題。

3.教研結(jié)合引領(lǐng)性課堂教學(xué)研究

“數(shù)字圖像處理”的課程特性使得在教學(xué)過程中既要包括較強(qiáng)的理論性，也要包括較強(qiáng)的實(shí)踐性，在教學(xué)過程中教師不僅要講授圖像處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)模型，也要強(qiáng)調(diào)學(xué)生盡可能利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，跟隨授課進(jìn)度按時(shí)完成各個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)練習(xí)，這既是課程教學(xué)核心，也是該課程應(yīng)用性現(xiàn)實(shí)需求。因此，充分利用好課程特性，準(zhǔn)確把握課程定位，才能更好地完成教學(xué)任務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量，才能適應(yīng)新環(huán)境和新模式下的教學(xué)方法。

以此為目的，筆者引入教研結(jié)合的教學(xué)思路，重點(diǎn)利用最新領(lǐng)域成果補(bǔ)充教學(xué)重點(diǎn)，利用教學(xué)進(jìn)度引導(dǎo)科研進(jìn)程。課程設(shè)置致力于從研究生教學(xué)特點(diǎn)出發(fā)，注重培養(yǎng)學(xué)生提高發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)、解決問題、實(shí)踐應(yīng)用的能力，遵循理論教學(xué)分析和業(yè)務(wù)實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合并逐步驗(yàn)證的教學(xué)改革思路，采取理論分析指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)結(jié)果輔助下的應(yīng)用方法，將數(shù)字圖像領(lǐng)域及教學(xué)團(tuán)隊(duì)最新研究成果采用問題導(dǎo)向分析、引導(dǎo)學(xué)生初步建模、課堂分組討論優(yōu)化、學(xué)生仿真驗(yàn)證、橫向?qū)Ρ?、課后測(cè)試等特色教學(xué)方法，加強(qiáng)學(xué)生與教師、基礎(chǔ)知識(shí)與前沿成果碰撞反饋。具體展開如下教學(xué)方案。

（1）教學(xué)團(tuán)隊(duì)制作統(tǒng)一的課件，在每個(gè)章節(jié)的課件中講解國內(nèi)外最新的研究案例。在講授完大綱要求的內(nèi)容后，新增一個(gè)章節(jié)的課件，對(duì)國內(nèi)外最新的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，從基礎(chǔ)的算法引入復(fù)雜的算法，同時(shí)配合展示多種應(yīng)用成果。

（2）建設(shè)“數(shù)字圖像處理”課程網(wǎng)站，由專業(yè)人員審核選取國內(nèi)外最新科研成果、知名院校的慕課資源、企業(yè)相關(guān)人才需求等內(nèi)容發(fā)布，并開辟討論區(qū)為學(xué)生隨時(shí)答疑解惑。

（3）在講解基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，要求每個(gè)學(xué)生至少研讀一篇高水平的英文論文，提交讀書報(bào)告并在課堂與師生展開討論，由此培養(yǎng)學(xué)生英文讀寫及團(tuán)隊(duì)科研的能力。

（4）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。課程組選擇4個(gè)重點(diǎn)章節(jié)，以重點(diǎn)章節(jié)的算法布置編程作業(yè)。為了能因材施教，每章節(jié)的作業(yè)分為基礎(chǔ)型和進(jìn)階型，基礎(chǔ)型的題目要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)基本的算法功能，進(jìn)階型的題目要求學(xué)生在實(shí)現(xiàn)基本算法功能的基礎(chǔ)上，考慮算法的效率、魯棒性等優(yōu)化問題。以“圖像分割和邊緣提取”章節(jié)的編程作業(yè)為例，基礎(chǔ)型的題目為：采用閾值分割的方法將簡單場景中的物體分割成為背景與前景兩個(gè)部分；進(jìn)階型的題目為：采用基于區(qū)域分割的算法進(jìn)行多個(gè)物體的分割，可采用區(qū)域生長算法、分裂合并法、分水嶺算法中的至少一種。

（5）結(jié)合相關(guān)科研最新熱點(diǎn)，將圖像處理的一些難點(diǎn)與研究及應(yīng)用進(jìn)行關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生深刻理解其原理和研究的應(yīng)用點(diǎn)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過理論分析經(jīng)典算法的優(yōu)缺點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)已有算法的不足。例如，經(jīng)典圖像不等比縮放算法由于差值會(huì)帶來形變等誤差，舉例結(jié)合團(tuán)隊(duì)最新相關(guān)研究成果來啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。又如，將經(jīng)典理論和信息隱藏、圖像取證等研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生善于思考、勇于挖掘問題的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

● 結(jié)論

對(duì)“數(shù)字圖像處理”核心課程進(jìn)行綜合建設(shè)對(duì)進(jìn)一步增強(qiáng)筆者所在學(xué)校計(jì)算機(jī)學(xué)科優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展、提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)及核心競爭力均具有重要意義。通過改革教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的方法，創(chuàng)建具有基礎(chǔ)性、引導(dǎo)性、示范性、特色性的研究生核心課程，可達(dá)到加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)、擴(kuò)展學(xué)生應(yīng)用能力的目的。

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基金項(xiàng)目：本文受杭州電子科技大學(xué)研究生核心課程建設(shè)項(xiàng)目“數(shù)字圖像處理（HXKC2017014）”，杭州電子科技大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程教學(xué)改革與研究（YB201730）”資助。