基于應(yīng)用的“數(shù)字圖像處理”課程工程化教學(xué)探索

鄧運生，鄭晨霞

（1.蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院；2.安徽財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院 安徽 蚌埠233030）

“數(shù)字圖像處理”是理工科高校信息、電子和通信類專業(yè)的重要必修課程，主要學(xué)習(xí)應(yīng)用計算機對數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理的基本理論與方法。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變和中國制造2025戰(zhàn)略的推進(jìn)，機器視覺技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個快速發(fā)展期，圖像便是機器視覺獲取信息的重要基本形式［1］。數(shù)字圖像處理是一門實踐性很強的課程，其方法和技術(shù)在智能交通、遙感衛(wèi)星、工業(yè)控制、現(xiàn)代醫(yī)療和機器人開發(fā)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

筆者試以工程師特有的視角來解析和講授這門課程，重點將典型工程案例與課程相關(guān)理論教學(xué)緊密結(jié)合起來，同時輔以圖像程序設(shè)計和仿真演示過程，預(yù)留一定時間讓學(xué)生參與工程實踐訓(xùn)練，形成以工程化應(yīng)用為主線的知識點分析和算法設(shè)計實現(xiàn)為目標(biāo)的課堂教學(xué)模式。筆者通過所在院校電子與電氣工程學(xué)院相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，此模式取得了良好的效果［2］。

一、面向工程實踐的課程教學(xué)模式

（一）注重工程理念引領(lǐng)

新工業(yè)革命加速進(jìn)行，新工科建設(shè)勢在必行。以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟(jì)呼喚新工科建設(shè)，國家一系列重大戰(zhàn)略深入實施呼喚新工科建設(shè)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新舊動能轉(zhuǎn)換呼喚新工科建設(shè)，提升國際競爭力和國家硬實力呼喚新工科建設(shè)［3］。筆者認(rèn)為工科課程都應(yīng)該與工程、產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合起來，加強課程建設(shè)與產(chǎn)業(yè)升級的聯(lián)動，突出應(yīng)用導(dǎo)向；同時將創(chuàng)新型工程教育理念滲透到專業(yè)培養(yǎng)方案、每一本教案和每一次課中，著力提升學(xué)生在工程科技方面的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，切實將工程的理念傳播到每一位學(xué)生心中，促使其傳化為工程實踐活動；通過對具有課程價值的實際案例進(jìn)行分析，激發(fā)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)熱情，增強課程應(yīng)用自信。

（二）堅持鮮活案例引入

隨著國家全面實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，各種創(chuàng)新案例不斷涌現(xiàn)，特別在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域更是全面開花，在智能交通和安防、工業(yè)控制、人臉識別、大數(shù)據(jù)圖像融合等領(lǐng)域大放異彩。蚌埠學(xué)院“數(shù)字圖像處理”課程目前采用賈永紅編著的國家級規(guī)劃教材《數(shù)字圖像處理》，全書分為11章，分別是導(dǎo)論、數(shù)字圖像處理的基本概念、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原與重建、圖像編碼與壓縮、圖像分割、二值圖像處理與形狀分析、影像紋理分析、模板匹配與模式識別技術(shù)等。教師在授課過程中經(jīng)常忙于原理和方法的講解，對數(shù)字圖像處理的應(yīng)用情況涉獵較少，容易使學(xué)生感到學(xué)習(xí)理論知識的枯燥、晦澀［4］。為了扭轉(zhuǎn)這種窘境，筆者堅持從鮮活案例出發(fā)引入相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，力圖使課堂變得生動、實用和有趣。

為了有效提高學(xué)生的興趣，筆者從工程案例出發(fā)，第一步說明某個具體圖像處理算法的工程應(yīng)用，用MATLAB編程來演示具體應(yīng)用的效果，接著通過修改算法和參數(shù)做出對比實驗，讓學(xué)生真正理解圖像處理的方法和原理，下面以圖像的二值化為例來說明。二值化是數(shù)字圖像處理中的一個重要知識點，從表面來看比較簡單；但從它的工程應(yīng)用情況看，二值化的效果直接影響到后續(xù)的過程。最典型的案例就是智能交通領(lǐng)域中的車牌識別技術(shù)，從圖像的預(yù)處理到車牌圖像的定位和識別，二值化的處理效果直接決定著車牌的定位和字符分割。影響圖像二值化的一個重要因素就是閾值的選取，那么如何通過案例教學(xué)逐步展示出閾值的選取過程和優(yōu)劣呢？筆者建議可以采用如下的教學(xué)過程。

（1）通過PPT展示二值化效果的差別和對定位的影響，見圖1～圖4。從圖1原始圖像到動態(tài)閾值法獲得的圖2；圖3是采用一定算法獲取的圖像；圖4得到定位后的效果。這樣緊密結(jié)合案例來展示圖片既能夠迅速引起學(xué)生的興趣，又可以直觀的看出閾值的選取對后續(xù)圖像處理的重要影響。

圖1 原始圖像

圖2 動態(tài)閾值設(shè)定法

圖3 采用一定算法獲取的閾值法

圖4 定位后的效果

（2）講解二值化的基本原理。所謂圖像的二值化，是指圖像中像素點的灰度置為0或者255，整幅圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。其本質(zhì)是將256個亮度等級的灰度圖像通過合適的閾值選取從而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值圖像。二值化后的圖像對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和壓縮都顯得非常方便。

（3）用MATLAB演示圖像在不同閾值下二值化的效果，同時展示給學(xué)生看［5］。

通過以圖像的二值化為例展示的教學(xué)過程，可以看出整個課堂通過具體案例和MATLAB的生動演示，提高了課程實用性和學(xué)生積極性，增強了學(xué)生學(xué)好這門課程的信心。

二、加強課程實踐分析，提升學(xué)生工程綜合應(yīng)用能力

“數(shù)字圖像處理”課程中有不少內(nèi)容直接與工程應(yīng)用直接相關(guān)，教師在具體的教學(xué)中既要巧妙地結(jié)合原理加以闡釋，更要通過應(yīng)用的對比分析讓學(xué)生知其所以然［6］。筆者以圖像的特征匹配為例來說明，教學(xué)步驟可分為幾個部分。

（1）先指出人的跟蹤實際案例，強調(diào)在公安破案和公共安全等領(lǐng)域的重要作用；同時結(jié)合前期的知識帶領(lǐng)學(xué)生思考，人臉等是怎么識別出來的。

（2）提出圖像特征匹配的基本概念，提醒學(xué)生注意匹配過程中的關(guān)鍵點。圖像匹配又叫圖像配準(zhǔn)，是完成目標(biāo)跟蹤和識別的必要環(huán)節(jié)。圖像配準(zhǔn)技術(shù)分為人工配準(zhǔn)和自動配準(zhǔn)，其中自動配準(zhǔn)是最終發(fā)展目標(biāo)；匹配的過程中應(yīng)該注意特征空間的選擇、相似性測度的選擇和搜素策略的選擇。

（3）配備標(biāo)準(zhǔn)方法的講解。圖像配準(zhǔn)的一般做法是，首先在參考圖上選取以某一目標(biāo)點為中心的圖像子塊，并稱它為圖像配準(zhǔn)的目標(biāo)窗口，然后讓目標(biāo)窗口在待配準(zhǔn)圖上有秩序地移動，每移到一個位置，就把目標(biāo)窗口與待配準(zhǔn)圖的對應(yīng)部分進(jìn)行相關(guān)比較，直到找到配準(zhǔn)位置為止［7］。

（4）匹配過程的展示和對比。對同一幅原始圖像分別采用歸一化直接互相關(guān)和先進(jìn)行邊緣處理再進(jìn)行歸一化互相關(guān)來匹配，通過圖像幀數(shù)和處理方法的不同來對比匹配的效果，見圖5、圖6。

圖5 歸一化直接互相關(guān)匹配結(jié)果

圖6 先采用邊緣處理再利用歸一化互相關(guān)匹配結(jié)果

圖5 展示了在歸一化直接互相關(guān)法的跟蹤過程和結(jié)果；圖6展示了先進(jìn)行邊緣處理再進(jìn)行歸一化互相關(guān)法的跟蹤過程和結(jié)果。在同一方法下，可以直觀地看到幀數(shù)對圖像跟蹤的影響；在采用的算法角度看，先進(jìn)行邊緣處理再用歸一化互相關(guān)來匹配的跟蹤效果更好。經(jīng)過這樣的推理和演示，學(xué)生會對圖像匹配的概念和基本方法有了更深入的理解；同時加強了學(xué)生實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

三、基于工程的課程教學(xué)考核

課程考核是全面檢驗學(xué)生所學(xué)情況和教師授課水平的重要方式，常見的課程考核形式有試題、課程設(shè)計、大作業(yè)等。對于“數(shù)字圖像處理”這門課程來說，大多數(shù)考核方式分為兩部分展開：一部分為平時課堂考勤、實驗環(huán)節(jié)和作業(yè)完成情況，權(quán)重為20%～30%；另一部分就是期末考試，這部分權(quán)重為70%～80%。針對這樣的考核權(quán)重比，根據(jù)課程應(yīng)用型特點，筆者對考核方式進(jìn)行了如下調(diào)整：平時成績（包括課堂考勤、課后作業(yè)完成情況等）占20%，實踐成績（包括課程實驗成績、具體模塊項目應(yīng)用情況和課程設(shè)計等）占40%，期末考試成績占40%［8］。

平時成績的組成主要側(cè)重考核學(xué)生的課程學(xué)習(xí)態(tài)度和課堂表現(xiàn)情況，主要通過課堂考勤、提問和互動環(huán)節(jié)來體現(xiàn)。隨著科技的快速發(fā)展，“數(shù)字圖像處理”課程的工程應(yīng)用性表現(xiàn)得越來越突出，在智能控制、航天遙感、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通和家居等領(lǐng)域均有廣泛而深入的應(yīng)用?；谶@樣的大背景，應(yīng)加大對實踐成績的考核力度，可分為驗證性實驗、設(shè)計型實驗和基于工程項目的綜合性實驗。

通過對學(xué)生課內(nèi)實驗進(jìn)行現(xiàn)場驗收、打分，要求學(xué)生做出對比實驗和分析，形成實驗考核系列；同時結(jié)合課程相應(yīng)內(nèi)容開設(shè)設(shè)計性實驗和基于工程項目的綜合性實驗，有利于提高學(xué)生的學(xué)科應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新素質(zhì)，具體的實驗設(shè)計見表1。

表1 實驗項目及實施

四、結(jié)語

結(jié)合學(xué)?！暗胤叫浴?yīng)用型、工程化”辦學(xué)定位，依據(jù)“數(shù)字圖像處理”課程特點對教學(xué)進(jìn)行了一定的探索和實踐；對照課程章節(jié)內(nèi)容挖掘了一系列的工程案例和實踐項目，通過課堂演示、講解和課下綜合工程訓(xùn)練等多種形式對學(xué)生進(jìn)行了課程工程化思想的引導(dǎo)和傳授；同時改進(jìn)了課程考核體系，將帶有鮮明工程項目特色的實踐成績作為重要環(huán)節(jié)納入到終評成績中。實踐表明：學(xué)生的課程應(yīng)用能力得到明顯加強，其工程化思維初步形成，課程工程化教學(xué)改革取得了階段性成效。筆者將進(jìn)一步完善工程化課程教學(xué)體系，著力提升學(xué)生工程應(yīng)用能力，為其成為應(yīng)用型和工程化人才打下良好的基礎(chǔ)。