數(shù)字圖像處理課程本碩一體化分級(jí)教學(xué)的設(shè)計(jì)和建設(shè)

溫 靜，韓建棟

（山西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引 言

20 世紀(jì)60—80 年代，人類第一次嘗試使用計(jì)算機(jī)來增強(qiáng)月球表面圖像后，數(shù)字圖像處理技術(shù)就如雨后春筍一般應(yīng)用于社會(huì)生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，最先獲益的有醫(yī)學(xué)成像、地球資源遙感監(jiān)測(cè)和天文學(xué)等領(lǐng)域，其中最為成功，也是對(duì)人類最具影響力的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)[1]。從此，有大批的學(xué)者和學(xué)生都投身到數(shù)字圖像處理的研究中，由此發(fā)展出了數(shù)字圖像處理學(xué)科，以及相關(guān)學(xué)科如計(jì)算機(jī)視覺、多媒體技術(shù)等，進(jìn)而推動(dòng)了人工智能的進(jìn)步——人們努力讓計(jì)算機(jī)能具有人一樣的視覺感知和分析處理能力，進(jìn)而更好地服務(wù)于人類。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)早已應(yīng)用遍布于醫(yī)學(xué)、海洋學(xué)、遙感地理、無人駕駛等各個(gè)領(lǐng)域。

從圖像工程角度出發(fā)，數(shù)字圖像處理將所處理的圖像信息按照語義從低到高，進(jìn)行劃分設(shè)計(jì)如圖1 所示，圖像的獲取及數(shù)字化來自于光學(xué)成像和電子學(xué)原理，而預(yù)處理中的頻域/小波分析受啟發(fā)于信號(hào)處理；圖像分析中圖像的表示和描述會(huì)涉及數(shù)學(xué)中矩陣論的成果；而圖像理解中的檢測(cè)、識(shí)別，甚至是場(chǎng)景理解還會(huì)涉及神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等。數(shù)字圖像處理學(xué)科本質(zhì)上是由應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)發(fā)展起來的交叉學(xué)科，涉及物理中的光學(xué)成像原理和電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)學(xué)建模和計(jì)算、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等。

然而，數(shù)字圖像處理作為應(yīng)用型專業(yè)基礎(chǔ)課或者選修課，所涉及的相關(guān)學(xué)科及本學(xué)科近年來迅猛發(fā)展，使得該課程具有極強(qiáng)的專業(yè)性[2-3]，然而，在教學(xué)模式上卻長(zhǎng)期處于停滯的狀態(tài)，主要表現(xiàn)在：

圖1 圖像工程在語義上從低到高，并由相關(guān)學(xué)科支撐其理論內(nèi)容

第一，目前的教學(xué)模式?jīng)]有突破舊的課程內(nèi)容體系。無論作為專業(yè)基礎(chǔ)課或是選修課，分配給該課程的學(xué)時(shí)對(duì)于熟練掌握課程的整體知識(shí)架構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由于該課程的多學(xué)科交叉性，必須補(bǔ)充相關(guān)學(xué)科的理論基礎(chǔ)和背景，還要兼顧本課程內(nèi)容的完整性，并保證學(xué)生獲得相應(yīng)的較強(qiáng)工程能力，使得教師在教授過程或陷入太過詳細(xì)的背景理論的介紹，或疲于走馬觀花而流于知識(shí)的皮毛，亦或甚至陷入圖像處理的程序設(shè)計(jì)中。

第二，現(xiàn)行課程沒有對(duì)本科階段和研究生階段的差異性加以區(qū)分[4-5]，而處于分離狀態(tài)。受到目前教材的限制，本科階段停留在較為滯后的基礎(chǔ)理論階段，學(xué)生不清楚圖像處理的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀而無法了解發(fā)展的脈絡(luò)；而研究生階段的學(xué)習(xí)或者是尷尬地重復(fù)本科已經(jīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容[6-7]，或者是單獨(dú)挑取個(gè)別圖像處理的應(yīng)用做介紹，而缺乏源自基礎(chǔ)知識(shí)和科學(xué)問題的提升和延伸，沒有能形成課程系統(tǒng)和完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

第三，缺乏對(duì)不同相匹配的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)有的國內(nèi)外教材在編撰時(shí)以理論基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，所涉及的實(shí)踐環(huán)節(jié)也更偏向經(jīng)典方法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[7]，往往不能跟進(jìn)最新的研究成果，使得圖像處理這門課程無論在本科還是研究生階段都難以令學(xué)生體會(huì)到該學(xué)科的“高級(jí)”性和新穎性。

在此背景之下，圖像處理課程在面向不同學(xué)習(xí)階段學(xué)生開展課程教學(xué)時(shí)，有必要根據(jù)不同階段的學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)以及培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)定有針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐應(yīng)用，同時(shí)必須保證教授內(nèi)容的科技導(dǎo)向性和前沿性。

1 本碩一體化分級(jí)教學(xué)改革的思路

本碩課程一體化分級(jí)教學(xué)的模式如圖2 所示。在該教學(xué)模式中，最關(guān)鍵的是保持教學(xué)內(nèi)容一致性的前提下，從內(nèi)容的深度和廣度上針對(duì)不同教學(xué)階段的特點(diǎn)有所區(qū)別，特別是從教學(xué)內(nèi)容選擇、實(shí)踐教學(xué)安排、教學(xué)學(xué)時(shí)分配等方面確保本科學(xué)習(xí)和研究生階段的層次獨(dú)立性，因而我們提出了一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的一體化分級(jí)教學(xué)模式，其主要內(nèi)容包括：

第一，在水平層次上，主要區(qū)分各個(gè)級(jí)別的教學(xué)內(nèi)容中理論部分和實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重差異。

圖2 數(shù)字圖像處理本碩一體化分級(jí)教學(xué)模型

（1）夯實(shí)本科階段的理論基礎(chǔ)，對(duì)理論相應(yīng)的實(shí)踐內(nèi)容做初級(jí)的探索。由于圖像這種數(shù)據(jù)形式自身的特殊性，在處理它時(shí)必須對(duì)于圖像的獲取和產(chǎn)生，以及人眼視覺對(duì)圖像感知的特點(diǎn)等問題有深刻的認(rèn)識(shí)，因而本科階段必須保證課程內(nèi)容的理論奠基性地位。該階段的理論學(xué)習(xí)，主要是通過圖像這種特殊的數(shù)據(jù)形式打開學(xué)生了解世界的另一個(gè)視角，在理論上不求深度，但要保證處理圖像語義由低到高的完整性；在同一階段的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，例如通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于同一幅圖像在加入不同噪聲后的直方圖的差異，如圖3 所示，或者同一幅圖像加入相同的噪聲（但不同數(shù)值的參數(shù)）的區(qū)別。

圖3 分別加入指數(shù)、均值以及椒鹽噪聲后的圖像（第一行）和直方圖（第二行）

（2）提升研究生對(duì)本科理論的理論水平，深化對(duì)圖像處理不同研究方向的認(rèn)識(shí)，保持領(lǐng)域的前瞻性：在該階段的教學(xué)應(yīng)面向具備一定圖像處理基礎(chǔ)的研究生，對(duì)于本科階段的理論加深難度，以具體問題為出發(fā)點(diǎn)結(jié)合最新的算法進(jìn)行研討式和引導(dǎo)式的教學(xué)；在實(shí)踐環(huán)節(jié)，將以“翻轉(zhuǎn)課堂”的形式以學(xué)生為主體，不限制思路和方法，通過對(duì)具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)解決方案，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力；同時(shí)，也將穿插有關(guān)研究方向最新的進(jìn)展。

第二，在垂直方向上，本科階段和研究生階段只是理論深度不同，而不是分離的，強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)體系的延伸性和完整性，因而在內(nèi)容上是從淺到深。

（1）確保理論上邏輯連貫，同時(shí)廣度有延伸。例如在本科階段對(duì)于信號(hào)濾波的學(xué)習(xí)如果僅限于圖像的增強(qiáng)，那么在研究生階段就可以對(duì)于信號(hào)濾波這一工具深入使用，比如可以挖掘頻域系數(shù)的科學(xué)內(nèi)涵，進(jìn)行圖像水印的嵌入以及圖像壓縮。

（2）實(shí)踐環(huán)節(jié)中基本處理手段使用的常態(tài)化。圖像處理中去噪、增強(qiáng)、空/頻域分析等基本的處理技術(shù)必須在本科階段熟練掌握，以保證在后續(xù)的應(yīng)用及研究中快速準(zhǔn)確地解決基本問題。

（3）注重應(yīng)用相關(guān)學(xué)科解決圖像處理的問題。如果在本科階段的實(shí)踐更注重的是基本的處理方法，以及低級(jí)語義階段的技術(shù)，那么由于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，就需要注重相關(guān)學(xué)科算法對(duì)于解決圖像一些研究方向的技巧和方法。例如，我們可能會(huì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法解決圖像處理高級(jí)語義信息處理時(shí)的問題，諸如生物信息識(shí)別，自然場(chǎng)景的理解，視頻語義的標(biāo)注等。

（4）前沿方向和算法的介紹。這部分在本科階段是選作部分，主要視本科水平層次中兩個(gè)主要環(huán)節(jié)的掌握程度而定。但在研究生階段，這部分是和理論實(shí)踐交融在一起的重要環(huán)節(jié)，主要在這部分引入課本上沒有涉及的新問題和新理論。

通過該一體化課程的分級(jí)教學(xué)，可以使各個(gè)階段的學(xué)生獲得相應(yīng)的培養(yǎng)氛圍和目標(biāo)，為繼續(xù)教育階段的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，尤其是攻讀研究生從事相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)深造，一體化課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)有助于提高解決科學(xué)問題的素養(yǎng)，也為從事圖像領(lǐng)域相關(guān)的工作培養(yǎng)基礎(chǔ)的工程能力。

第三，全面的考核指標(biāo)。

（1）在本科階段側(cè)重于導(dǎo)向基礎(chǔ)理論的掌握，同時(shí)考查學(xué)生對(duì)于理論在實(shí)踐中的驗(yàn)證能力，兼顧部分愿意開展高層研究或者工程開發(fā)的本科學(xué)生。

（2）在研究生階段更側(cè)重于問題的理解和解決，延續(xù)部分最新的理論知識(shí)，引導(dǎo)研究生使用各自熟悉的理論工具理解圖像處理中的問題，并設(shè)計(jì)解決方案加以實(shí)現(xiàn)，以及分析在此過程中的新問題，此時(shí)，基礎(chǔ)理論已默認(rèn)學(xué)生已經(jīng)掌握，因而會(huì)更偏重實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2 數(shù)字圖像處理課程一體化分級(jí)教學(xué)改革的途徑和建設(shè)情況

由于數(shù)字圖像處理及相關(guān)學(xué)科都處于快速發(fā)展之中，而學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)也在不斷豐富，如何將數(shù)字圖像處理各方面知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的整合，梳理出不同深度、廣度及難度的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同階段的學(xué)生；使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中明晰該課程與其支撐課程（見圖1）之間的聯(lián)系和區(qū)別，清楚該課程在學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃的知識(shí)體系中所處的位置。根據(jù)以上對(duì)該課程教學(xué)思路的分析和闡釋，山西大學(xué)視像分析教研組目前的建設(shè)情況如下。

2.1 理論上既延續(xù)又區(qū)分

在本科階段保留了傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，目前采用岡薩雷斯等編撰的《數(shù)字圖像處理》為教材，相關(guān)的國內(nèi)外著作為參考，在32 課時(shí)內(nèi)使得學(xué)生建立對(duì)圖像處理要解決的問題范疇和基本方法有初步的和全面的認(rèn)識(shí)。

在研究生階段則采用國外的研討會(huì)的形式，以本科理論問題的延伸和擴(kuò)展，綜合多種教材內(nèi)容體系的理論結(jié)構(gòu)，在36 課時(shí)內(nèi)在本科內(nèi)容的基礎(chǔ)上補(bǔ)全加深。

這就要求該一體化課程組的老師將全部的理論內(nèi)容做甄別，分難易，劃層次。

2.2 實(shí)踐上兼顧寬度和深度

本科階段由于是對(duì)圖像處理技術(shù)驗(yàn)證性的掌握，因而重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生思考的是基本的圖像處理技術(shù)對(duì)人眼感知圖像時(shí)的影響，在16 課時(shí)內(nèi)要掌握（例如以Matlab 為主要工具[8]）圖像的基本運(yùn)算，圖像的空域?yàn)V波和頻域?yàn)V波，及其對(duì)圖像去噪和銳化的作用，圖像的基本分割等。

在研究生階段則建立項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的項(xiàng)目庫，項(xiàng)目數(shù)據(jù)主要來源于公開的測(cè)試數(shù)據(jù)集，在熟練運(yùn)用本科階段圖像處理技術(shù)的前提下，以小組（2～3 人）為單位自組形成對(duì)問題的分析和解決。目前項(xiàng)目庫以開放課題的形式面向研究生，已建立的開放課題有：①行人檢測(cè)；②車牌識(shí)別；③自然場(chǎng)景的增強(qiáng)（雨天、霧霾天、夜晚等）；④圖像的顯著性檢測(cè)和分割；⑤自然場(chǎng)景中的文本檢測(cè)等。學(xué)生可以自由選擇該實(shí)踐環(huán)節(jié)的編程語言，如C++、Python 或Matlab。

2.3 方向上保持前瞻性

這方面主要是針對(duì)研究生階段的學(xué)習(xí)，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組（2～3 人）形式在18課時(shí)內(nèi)從指定的主題列表中，自主選擇一篇最新的優(yōu)秀論文精講，并就論文中涉及的數(shù)學(xué)問題進(jìn)行推演。精講環(huán)節(jié)要求小組成員充分考慮到以下因素：?jiǎn)栴}的背景及研究現(xiàn)狀、論文所提方案的出發(fā)點(diǎn)和解決切入點(diǎn)、論文的主體思路和核心貢獻(xiàn)點(diǎn)、復(fù)現(xiàn)論文的方案并對(duì)復(fù)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論、能否發(fā)現(xiàn)論文中的局限性并提出改進(jìn)。

3 一體化課程分級(jí)教學(xué)建設(shè)方案的效果和現(xiàn)狀

從2013 年開始，研究生階段的數(shù)字圖像處理課程已經(jīng)完整開設(shè)了7 次，本科階段的課程開設(shè)了3 次，學(xué)生（特別是研究生）對(duì)這種模式表現(xiàn)出濃厚的興趣，獲得山西大學(xué)相關(guān)專家的肯定。本科學(xué)生了解到圖像處理領(lǐng)域的新思路和方法，對(duì)于該方向產(chǎn)生濃厚的興趣，本科已畢業(yè)繼續(xù)更高學(xué)術(shù)深造的學(xué)生，其專業(yè)素養(yǎng)也獲得了從事相關(guān)領(lǐng)域研究生導(dǎo)師的好評(píng)；而對(duì)于研究生學(xué)生，以課題組老師精心挑選的開放課題項(xiàng)目庫為范例，獲得了系統(tǒng)的科學(xué)分析問題、解決問題、查閱資料、做口頭報(bào)告以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

4 結(jié) 語

當(dāng)前，山西大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院已成立了視像分析教研組，對(duì)于教研組所設(shè)計(jì)的一體化分級(jí)教學(xué)模式仍處于探索和不斷建設(shè)階段，在理論和實(shí)踐的一體化融合、分階段甄別過程中還需要任課老師長(zhǎng)期實(shí)踐和摸索。該課程的內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)，就要時(shí)時(shí)把握理論基礎(chǔ)的扎實(shí)和前沿方向的平衡，不斷擴(kuò)充課程架構(gòu)中的開放課題庫和技術(shù)方法，立足于各階段學(xué)生對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)要求，從而提升數(shù)字圖像處理課程一體化分級(jí)模式的教學(xué)質(zhì)量。