數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程探索與研究

任瑞治 顧玲 嘉吳戈

摘要：本文主要針對(duì)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革進(jìn)行研究，結(jié)合本校數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程，就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、考核方式等方面進(jìn)行了創(chuàng)新與改革。實(shí)踐表明，數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程的改革可以幫助學(xué)生更好的理解基礎(chǔ)理論知識(shí)和技術(shù)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)考核；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）18-0174-02

數(shù)字圖像處理是一門由多學(xué)科知識(shí)交叉的課程，涉及光學(xué)、電子學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域，課程具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性。[1]該課程包含圖像生成基礎(chǔ)知識(shí)和圖像處理技術(shù)的基本原理，如：圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像特征提取和圖像檢索等內(nèi)容。課程涉及的一些理論很抽象，概念和原理難以理解，僅采取講授方式的教學(xué)方法無(wú)法讓學(xué)生很好地掌握這些內(nèi)容，所以實(shí)驗(yàn)課程是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。如何利用實(shí)驗(yàn)課程幫助學(xué)生克服這些困難、提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。[2]隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容也需要與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅要涵蓋課程的基本理論與概念，還要針對(duì)技術(shù)熱點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷地更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高課程的創(chuàng)新性和應(yīng)用性。我校電子科學(xué)與工程學(xué)院為電子信息工程專業(yè)開(kāi)設(shè)了《數(shù)字圖像處理》講授課程和實(shí)驗(yàn)課程，選課人數(shù)在150人左右。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、考核方式等方面進(jìn)行了一些創(chuàng)新和改革，并取得了較好的教學(xué)效果。

一、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容改革

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)之一是幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)理論知識(shí)和技術(shù)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。首先，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要包含課程的重要知識(shí)點(diǎn)，如：數(shù)字圖像技術(shù)基礎(chǔ)、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理等圖像處理方法。[2]目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)校的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程都是以這些知識(shí)點(diǎn)作為課程的主要教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是常規(guī)的灰度或者彩色數(shù)字圖像。但是，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，僅僅學(xué)習(xí)常規(guī)圖像的處理方法已經(jīng)無(wú)法保證課程的應(yīng)用性和創(chuàng)新性。所以，實(shí)驗(yàn)課程需要增加不同的圖像源作為研究對(duì)象，同時(shí)針對(duì)不同的圖像源開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我院在本門實(shí)驗(yàn)課程中增添了無(wú)人機(jī)影像、高分辨率遙感影像等圖像源，并針對(duì)這些圖像開(kāi)設(shè)了圖像拼接、圖像融合等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上，增加了“人臉檢測(cè)實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生在課堂上利用攝像頭采集自己的人臉信息，并通過(guò)算法提取特征點(diǎn)完成人臉檢測(cè)工作。通過(guò)不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加新的實(shí)驗(yàn)方法，讓課堂知識(shí)緊密的跟隨技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展學(xué)生的視野，幫助學(xué)生了解專業(yè)領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)，把握科研發(fā)展方向。

二、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程是教師首先通過(guò)多媒體課件形式對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、步驟、代碼進(jìn)行講解與分析，然后學(xué)生按照教師的指導(dǎo)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)功能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用Matlab軟件來(lái)完成，學(xué)生需要具有一定的編程基礎(chǔ)。但是，多數(shù)高校在本科期間沒(méi)有開(kāi)設(shè)相關(guān)的課程來(lái)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)軟件，所以在教學(xué)過(guò)程中大多數(shù)的學(xué)生無(wú)法獨(dú)立編程完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，只能輸入授課教師準(zhǔn)備好的程序代碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到預(yù)期的結(jié)果，這種教學(xué)方法很難培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力和創(chuàng)新能力，也無(wú)法達(dá)到幫助學(xué)生理解理論和概念的教學(xué)目的。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究和實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)方法沒(méi)有很好的調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在教學(xué)過(guò)程中多數(shù)的學(xué)生只是被動(dòng)的參與。數(shù)字圖像處理是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域也很廣，僅通過(guò)課堂的有限時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)是無(wú)法讓學(xué)生真正掌握這門學(xué)科知識(shí)的，所以自學(xué)和預(yù)習(xí)顯得更為重要。針對(duì)這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們基于Matlab軟件開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)字圖像技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字圖像變換、數(shù)字圖像增強(qiáng)、數(shù)字圖像分割、數(shù)字圖像處理綜合實(shí)驗(yàn)等6個(gè)模塊組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互界面設(shè)計(jì)采用Matlab軟件的圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface），學(xué)生可以點(diǎn)擊主界面上的功能按鈕進(jìn)入各個(gè)功能模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。[3]每個(gè)模塊中包含若干個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目界面都有實(shí)驗(yàn)名稱、要求、目的等提示信息，界面上還設(shè)置了功能按鈕、參數(shù)輸入窗口和顯示窗口。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)版本，分別為教師版和學(xué)生版，主講教師可以利用教師版在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)說(shuō)明、程序講解和演示結(jié)果；學(xué)生版內(nèi)不包含程序，學(xué)生可以按照教師的指導(dǎo)，在系統(tǒng)上完成程序設(shè)計(jì)，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是基于軟件開(kāi)發(fā)的，無(wú)需其他硬件設(shè)備，學(xué)生只要在電腦上安裝本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就可以操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在課外時(shí)間提前學(xué)習(xí)相關(guān)的軟件程序。在實(shí)驗(yàn)課堂上，教師講解實(shí)驗(yàn)涉及到的概念和理論，并解決學(xué)生在預(yù)習(xí)中或編程過(guò)程中遇到的問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生使用該系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)課程分為提前預(yù)習(xí)、課堂實(shí)踐、解決問(wèn)題等3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考的能力，使得學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了數(shù)字圖像處理技術(shù)，還掌握了Matlab軟件的編程方法。

三、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程考核方式改革

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)作為選修課，以往都采取開(kāi)卷的考試方式，教師將設(shè)計(jì)好的題目分發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生在課堂以外的時(shí)間完成考試內(nèi)容，最后打印并上交考試要求的題目分析、程序代碼和處理結(jié)果，教師根據(jù)這些試卷的完成情況給予學(xué)生本門課程的成績(jī)。這種考試方式很難杜絕學(xué)生的抄襲現(xiàn)象，不能考核出學(xué)生的真實(shí)水平。針對(duì)這些問(wèn)題，我們進(jìn)行了考試改革，主要方法是建立了數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)的試題庫(kù)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中的重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)計(jì)了500個(gè)題目，考試時(shí)學(xué)生隨機(jī)抽題，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成考試內(nèi)容?？荚囈髮W(xué)生按照題目要求，編寫程序?qū)崿F(xiàn)功能，然后對(duì)題目中涉及到的理論、概念、處理結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明，最后以書面形式提交分析報(bào)告?？荚嚨攸c(diǎn)是電子科學(xué)與工程學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，時(shí)間為兩個(gè)小時(shí)，學(xué)生只能在固定的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，考試期間學(xué)生不能攜帶通訊工具和存儲(chǔ)設(shè)備?？荚嚱Y(jié)束后，教師會(huì)對(duì)每個(gè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢查，根據(jù)程序設(shè)計(jì)、處理結(jié)果、分析報(bào)告給予上機(jī)考試成績(jī)。實(shí)踐表明，在上機(jī)考試過(guò)程中，學(xué)生抽到的題目完全不一樣，考試題目的多樣化可以有效地杜絕學(xué)生的抄襲現(xiàn)象。除此之外，課程還增設(shè)了創(chuàng)新能力考查環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)要求學(xué)生對(duì)創(chuàng)新性較強(qiáng)的綜合實(shí)驗(yàn)提交設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)總結(jié)，這部分成績(jī)與上機(jī)考核成績(jī)經(jīng)加權(quán)后成為本門課程的最終成績(jī)。通過(guò)這些方法可以考察出學(xué)生掌握課程內(nèi)容的真實(shí)情況以及運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力和水平。真實(shí)的考試成績(jī)，可以幫助教師不斷地改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。

四、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程改革取得的成效

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐與研究，數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)取得了一些成效，得到了學(xué)生和同行的好評(píng)。具體成果如下：（1）不斷地完善與更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。除了完成基本教學(xué)內(nèi)容以外，還不斷地將新的技術(shù)研究引入實(shí)驗(yàn)課程，幫助學(xué)生了解最新的科技動(dòng)態(tài)，拓展了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新動(dòng)力。（2）設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)課程的教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，幫助學(xué)生在課堂內(nèi)、外都可以學(xué)習(xí)課程知識(shí)，充分培養(yǎng)了學(xué)生自學(xué)和獨(dú)立思考的能力。（3）提出了新的實(shí)驗(yàn)課程考核辦法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建立了上機(jī)考試題庫(kù)，確保學(xué)生獨(dú)立完成考試內(nèi)容，杜絕抄襲現(xiàn)象。通過(guò)撰寫綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)為學(xué)生以后的科技活動(dòng)、科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，力爭(zhēng)將學(xué)生培養(yǎng)成為高水平的創(chuàng)新型人才。

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