數(shù)字影像采集與處理的實驗設計和教學*

孫 江 李 旭

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)

孫 娟

(河北大學計算機科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)

王春生

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)

科學界和哲學界都普遍認為：物質(zhì)世界是由物質(zhì)、能量和信息這三大要素組成的.其中信息是物質(zhì)的屬性，用來描述事物運動的狀態(tài)和方式，是物質(zhì)世界必不可少的組成部分[1].隨著科技的不斷發(fā)展，我們已經(jīng)步入了信息社會.當前，在所有人類能夠獲得的信息總量中，光信息占據(jù)了80%以上的比重.隨著計算機技術(shù)的廣泛應用，影像作為光信息中最典型的代表，已經(jīng)大量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息進行存儲與處理[2～5].

作為光信息的重要載體，數(shù)字影像已經(jīng)深入到當今社會的方方面面.當前典型的數(shù)字影像包括數(shù)字格式的照片和錄像.智能手機的普及為數(shù)字影像的獲得提供了極大的便利，使數(shù)字影像徹底融入到人們的日常生活.因此掌握數(shù)字化影像信息的采集、處理、存儲、檢索、傳輸及輸出的信息處理技術(shù)的有關知識和技能對光電信息專業(yè)的本科生尤為重要[6].基于此，數(shù)字影像采集與處理實驗課程被設計并開設.我校在光電信息專業(yè)實驗課中加入了數(shù)字影像采集與處理的實驗內(nèi)容.光電信息專業(yè)實驗課是光電信息科學與工程專業(yè)本科教學中重要的實踐環(huán)節(jié)，屬于專業(yè)發(fā)展核心課程.教學目標為通過實驗使學生加深對課堂專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)學生使用專業(yè)儀器設備的能力以及運用實驗方法解決實際問題的能力.

針對日益普及的數(shù)字影像信息，本文詳細介紹了對數(shù)字影像采集與處理這門實驗課程的設計和教學.通過指導學生采用數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機和掃描儀作為數(shù)字影像的獲取設備，對獲取的照片、錄像和掃描文檔分別進行修圖、剪輯和文字識別處理，之后進行存盤、打印和刻錄光盤的存儲操作，使學生系統(tǒng)掌握數(shù)字影像采集和處理的常用方法.

1 數(shù)字影像采集與處理實驗課程的構(gòu)建

數(shù)字圖像信息處理技術(shù)，是一項關于數(shù)字化影像信息的采集、處理、存儲、檢索、傳輸及輸出的信息技術(shù).我們設計的數(shù)字影像采集與處理系統(tǒng)硬件由數(shù)字影像采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和存儲輸出系統(tǒng)組成.其中采集系統(tǒng)由用于獲得照片的數(shù)碼照相機、用于獲得錄像資料的數(shù)碼攝像機和用于獲得掃描圖像的掃描儀組成，處理系統(tǒng)為微型計算機，存儲輸出系統(tǒng)由微型計算機、光盤刻錄機和彩色打印機組成.

1.1 數(shù)碼相機

數(shù)碼相機是一種數(shù)字化的現(xiàn)代化辦公設備[7].目前廣泛使用的智能手機中都集成了數(shù)碼相機的功能，形成了人人隨身攜帶手機，隨時隨地可以拍照采集數(shù)字影像的全新局面.但是手機的數(shù)碼照相功能相對數(shù)碼相機存在不可避免的先天不足，其鏡頭和感光單元CCD的面積都過小，采光和感光嚴重不足，造成了圖像變形、細節(jié)信息丟失等缺陷.因此為了獲得高質(zhì)量的數(shù)字圖像，必須選取性能良好的數(shù)碼照相機.

我們的實驗選取了專業(yè)消費級全手動操作的佳能G1X數(shù)碼相機作為圖像采集工具.該相機配備了1.5英寸的CMOS感光元件，尺寸大小比絕大多數(shù)數(shù)碼相機的感光元件要大，因此可以獲得更為豐富的圖像細節(jié)信息[8].

1.2 數(shù)碼攝像機

數(shù)碼攝像機一般是由光學系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、圖像信號處理系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等組成.本實驗采用了松下HDC-SD5數(shù)碼錄像機，作為當年松下家用高端數(shù)碼攝像機的HDC-SD5，不但支持1 920×1 080像素全高清AVCHD標準格式攝像機，而且發(fā)揮了閃存存儲卡優(yōu)勢，使得產(chǎn)品的體積更小巧，重量更輕薄[9,10].

1.3 掃描儀

掃描儀是一種捕獲圖像并將之轉(zhuǎn)為計算機可顯示、編輯、儲存和輸出的數(shù)字化輸入設備[11].我們采用了中晶(Microtek)320掃描儀，該掃描儀采用高感光CCD傳感器，光學分辨率達3 600dpi，支持48位色彩輸出，掃描速度快，輸出的影像品質(zhì)卓越.

1.4 微型計算機和DVD刻錄機

作為用于高速計算的電子計算機器，電子計算機可以進行數(shù)值計算和邏輯計算，具有存儲記憶功能，是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設備.本實驗中我們選取了聯(lián)想的臺式計算機揚天T4900c作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).該計算機的cpu為i5-4590，具有四核心，其主頻高達3.3 GHz，加上8G的內(nèi)存和1G的獨立顯卡，可以輕松勝任數(shù)字影像的處理任務.同時該計算機還帶有DVD刻錄機，可以實現(xiàn)影像信息存儲中的光盤刻錄功能.

1.5 彩色激光打印機

打印機是辦公用電腦的常用外部設備，打印機的功能就是把已存儲在計算機內(nèi)的文檔、圖像等內(nèi)容打印輸出，形成相應的紙質(zhì)材料.我們選用了惠普的1600彩色激光打印機，該打印機的最大打印幅面為A4，最高分辨率600×600dpi ，打印速度達8頁/分，可以滿足實驗教學的要求[13].

1.6 數(shù)字影像處理的相關軟件

本實驗的數(shù)字影像包括由數(shù)碼照相機拍攝的圖像、由數(shù)碼攝像機拍攝的視頻和由掃描儀掃描文本獲得的掃描圖像.我們分別采用圖像處理軟件、視頻編輯軟件和文字識別軟件對其進行處理.

用于處理圖像信息的圖像處理軟件的種類很多，其中專業(yè)的圖像處理軟件以Adobe公司的Photoshop系列代表，操作簡便,只簡單處理圖像的軟件以美圖秀秀代表.基于實驗課時的限制，我們選取了圖像處理大師，該軟件是一個易于使用、功能強大的圖像瀏覽編輯軟件，可以快速增強數(shù)碼照片的品質(zhì)，編輯出滿意的數(shù)字圖像.

視頻編輯軟件是對圖片、視頻、音頻等視頻源進行重組編碼組合的多媒體視頻編輯軟件.目前使用最廣泛的是加拿大Corel公司制作的軟件——會聲會影，該軟件具有圖像抓取和編修功能，并提供有大量的編制功能與效果，操作簡單，適合家庭日常使用.我們采用了會聲會影的X5版本作為實驗軟件.

光學文字識別系統(tǒng)(OCR)是通過掃描儀對文字稿件進行掃描后，利用計算機識別系統(tǒng)對稿件的圖像信息進行識別，并轉(zhuǎn)化成為文字信息的計算機軟件.OCR軟件種類比較多，雖說都不能達到100%的精確文字識別效果，但都能做到盡量提高識別精度.我們采用了其中的老牌軟件尚書七號作為實驗軟件.

2 數(shù)字影像采集與處理實驗課程的開展

我們將該實驗安排在光電信息專業(yè)的大學本科四年級上半年進行.通過大學的3年學習，光電信息專業(yè)的學生已經(jīng)掌握了數(shù)字影像信息技術(shù)相關知識的理論基礎.本實驗的開設有利于學生的理論和實踐相結(jié)合.具體教學環(huán)節(jié)上，要求學生結(jié)合實驗指導書和實驗講義，獨立完成實驗預習報告，培養(yǎng)自學能力；通過實驗設計與操作，訓練自主動手能力；根據(jù)實驗結(jié)果，以科研論文的形式撰寫實驗報告，提高科技寫作能力；同時，要求學生嚴格遵守實驗室規(guī)章制度，按時完成實驗，培養(yǎng)良好的品性.教學方式以學生的實驗操作為主.學生獨自進行預習，在教師指導下分組實驗操作，課下撰寫實驗報告.倡導以學生為主體的教育思想，使學生能夠?qū)W會如何學習，成為學習的主人；整個教學不是以最后的考試為唯一考核依據(jù)，平時的預習、操作、實驗報告等是衡量學生是否達到教學目的的主要標準.

2.1 實驗開始前的準備工作

在學生上本門實驗課之前，要求學生認真預習實驗講義，在講義的基礎上，掌握數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、掃描儀、光盤刻錄機和彩色打印機的工作原理和使用方法；掌握數(shù)據(jù)處理的基本原理，寫好預習報告.

2.2 實驗過程

本實驗中數(shù)字影像采集包括使用數(shù)碼相機拍照，使用數(shù)碼攝像機錄像和使用掃描儀掃描文本；數(shù)據(jù)處理分為數(shù)字照片的修改、數(shù)字錄像的剪輯和合成、對掃描文本進行文字識別、數(shù)字影像的輸出和存儲.

首先，進行數(shù)字影像的采集.在教師給學生簡單講解數(shù)字影像采集和處理的意義，講解數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機和掃描儀的使用方法和技巧后，學生使用數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機在校園內(nèi)拍照和攝像來采集影像，采集時間為半小時左右.學生回到實驗室后，每人分配一臺電腦，在D盤建立以“組名+自己名字”命名的自己的文件夾，在該文件夾里繼續(xù)建立名為“原始照片”和“原始錄像”的次級文件夾.在教師指導下，學生將采集來的數(shù)字影像分別從數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機中拷貝到自己文件夾內(nèi)相應的次級文件夾中.之后，由學生在攜帶的實驗講義中任取一頁作為掃描文本，利用和電腦配套的掃描儀進行文本掃描，并把掃描所生成的數(shù)字圖片保存到“組名+自己名字”的文件夾中.

其次，教師向?qū)W生講解各處理軟件的基本操作要領，讓學生對數(shù)字影像進行處理.首先，學生在自己的文件夾內(nèi)建立“處理照片”子文件夾，選取“原始照片”文件夾內(nèi)的一張數(shù)字照片，將其復制粘貼“處理照片”文件夾內(nèi).打開《圖像處理大師》軟件，對“處理照片”文件夾內(nèi)的照片進行調(diào)節(jié)色調(diào)、剪切圖片內(nèi)容、插入文字等處理.在得到滿意的處理照片后，將其另起名字保存在“處理照片”文件夾內(nèi).這時，“處理照片”文件夾內(nèi)存有處理前和處理后的照片各一張.其次，學生打開《會聲會影》軟件，對數(shù)字錄像文件進行處理.由于上課時間的限制，視頻文件的處理主要為多個視頻文件的剪輯和合成、添加轉(zhuǎn)場效果、添加視頻標題這幾項.處理后的視頻影像最終合成為一個avi文件，保存在學生自己的文件夾內(nèi).接下來，學生打開《尚書七號》軟件，對之前掃描儀獲得的數(shù)字圖片進行文字識別，將識別后的文字內(nèi)容以txt格式的文件保存在自己的文件夾里.最終在學生的“組名+名字”的文件夾中，包括“原始照片”“處理照片”和“原始錄像”3個子文件夾及處理后的視頻.avi，掃描照片.jpg和文字識別.txt 3個文件.

最后，進行數(shù)字影像的輸出和存儲操作.學生將“處理照片”文件夾中的兩張照片并排彩色打印在同一張A4紙上，然后利用刻錄機將自己的“組名+名字”的文件夾刻錄在一張DVD刻錄盤上.彩打的照片和DVD刻錄盤由學生帶回去作為本次實驗的實驗數(shù)據(jù)，課后和實驗報告一起交回.實驗用的所有計算機由路由器連接組成了一個局域網(wǎng).其中第一臺計算機的D盤設置為共享，該D盤中建有以實驗班級命名的文件夾.學生將自己文件夾通過局域網(wǎng)拷貝到共享D盤的實驗班級文件夾里，完成數(shù)字影像的計算機存儲.

3 結(jié)論

近年來，數(shù)字影像信息技術(shù)在科學研究和社會生活領域得到了廣泛的應用，有著巨大的經(jīng)濟效益與社會效益，并且這一技術(shù)應用的深度、廣度在不斷擴大.雖說數(shù)字影像處理技術(shù)已經(jīng)深入到人們生活的方方面面，但是通過實驗教學發(fā)現(xiàn)，學生對該技術(shù)的理論和實際操作的認識還較為片面和不成熟.本實驗課程的開展，使光電信息專業(yè)的學生較系統(tǒng)地掌握了數(shù)字影像的常見采集與處理方法，為其在以后的工作和生活中打下了數(shù)字影像處理的基礎.