面向能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理實(shí)踐體系設(shè)計(jì)

劉力雙，夏潤秋，孟浩，耿蕊，呂勇，劉洋，郎曉萍

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

在工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的指引下，為了加強(qiáng)學(xué)生的解決復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)，對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革，設(shè)計(jì)《數(shù)字圖像處理及應(yīng)用》的理論課和《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的教學(xué)體系。理論課環(huán)節(jié)設(shè)置多個(gè)視覺檢測系統(tǒng)相關(guān)的編程大作業(yè)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置基于MATLABGUI的視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行視覺檢測，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行評(píng)分競賽排名。調(diào)查表明，面向能力培養(yǎng)的教學(xué)改革激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能主動(dòng)投入較多的時(shí)間精力進(jìn)行課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

數(shù)字圖像處理；視覺檢測；解決復(fù)雜工程問題；工程實(shí)踐能力

0 引言

工程教育認(rèn)證理念對(duì)于助推高校持續(xù)深化教育教學(xué)改革，不斷提升我國工科專業(yè)建設(shè)水平與人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用[1]。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，也是培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的關(guān)鍵。

數(shù)字圖像處理類課程是信息類專業(yè)本科生重要的專業(yè)課，通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解數(shù)字圖像處理的概念和原理，能夠?qū)D像進(jìn)行各種處理，為模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、以及其他交叉學(xué)科等工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。隨著信息及電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)已應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化、通信、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、材料、航空航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域[2-6]。

1 傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理教學(xué)存在的問題

數(shù)字圖像處理課程具有理論與實(shí)踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合的特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，既對(duì)其實(shí)現(xiàn)功能和應(yīng)用前景充滿期待，又對(duì)其深?yuàn)W的理論和繁雜的公式推導(dǎo)喪失興趣。傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方式以教師講授為主，學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受比較被動(dòng)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)大都以算法效果對(duì)比為主。作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，卻與工程實(shí)踐相脫節(jié)。學(xué)生修完數(shù)字圖像處理課程，理解了數(shù)字圖像處理的基本原理，而對(duì)實(shí)際工程中常用的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)了解較少，不具備設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力，也不具備系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理算法程序的編寫能力。

在工程教育的背景下，需要對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革，從實(shí)踐環(huán)節(jié)入手，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力非常必要[7-14]。

2 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué)一直非常重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的《現(xiàn)代電子技術(shù)及應(yīng)用》課程，在前期的教學(xué)改革中，采用“做中學(xué)”的教學(xué)方法，取得了較好的效果。通過對(duì)完成課程學(xué)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，學(xué)生對(duì)這種方式對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的訓(xùn)練給予了高度認(rèn)可[15]。

在制定2016版培養(yǎng)方案時(shí)，課程教學(xué)小組按照工程教育的理念，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，基于“OBE”的教學(xué)理念，以學(xué)生為中心，“引入工程項(xiàng)目，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將上一版培養(yǎng)方案的《數(shù)字圖像處理》課程改為《數(shù)字圖像處理及應(yīng)用》（32學(xué)時(shí)）的理論課程和《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》（16學(xué)時(shí)+1周）實(shí)踐環(huán)節(jié)。兩個(gè)環(huán)節(jié)在同一學(xué)期開設(shè)，相互配合開展。這種教學(xué)體系，以學(xué)生能夠設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)為教學(xué)目標(biāo)，希望學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠獲得數(shù)字圖像處理理論知識(shí)的同時(shí)，能通過自主學(xué)習(xí)動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理算法，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的目的。

課程體系的教學(xué)目標(biāo)除掌握數(shù)字圖像處理相關(guān)知識(shí)外，還對(duì)學(xué)生的以下能力進(jìn)行訓(xùn)練：①數(shù)字圖像處理相關(guān)工程實(shí)踐的能力，包括設(shè)計(jì)圖像處理算法的能力，將算法轉(zhuǎn)換為程序的能力，調(diào)試程序的能力。②團(tuán)隊(duì)能力。實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)以小組形式進(jìn)行，每組2人，在總結(jié)報(bào)告中給出任務(wù)分工和工作量分配。③撰寫總結(jié)報(bào)告的能力。使學(xué)生具備完成內(nèi)容充實(shí)、格式規(guī)范的總結(jié)報(bào)告的能力。④自主學(xué)習(xí)、查找資料的能力。很多設(shè)計(jì)所需的資料、MATLAB圖像處理的函數(shù)等都需要學(xué)生自行查資料學(xué)習(xí)掌握。

3 《數(shù)字圖像處理及應(yīng)用》理論課教學(xué)設(shè)計(jì)

課程教學(xué)內(nèi)容方面增加了視覺檢測系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用方面的內(nèi)容，增加了圖像識(shí)別、人工智能方面的較新的熱點(diǎn)內(nèi)容，課程內(nèi)容更側(cè)重于數(shù)字圖像處理的工程應(yīng)用。

課程刪掉了以前效果不夠理想課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)置了多個(gè)編程大作業(yè)。大作業(yè)是從專業(yè)特色突出的工程項(xiàng)目中提煉出來的任務(wù)，需要學(xué)生投入較多的時(shí)間，并通過自主學(xué)習(xí)來完成作業(yè)要求的圖像處理算法設(shè)計(jì)，并對(duì)算法處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

大作業(yè)使學(xué)生由“被動(dòng)聽課”變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(xué)習(xí)”和“動(dòng)手編程”，提高了學(xué)生的興趣，提高了講授教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。首次開課設(shè)置的編程大作業(yè)有以下9個(gè)題目。

（1）圖像的點(diǎn)操作和灰度變換。要求自拍一張照片，完成以下數(shù)字圖像處理算法：①顯示圖像的灰度直方圖；②利用MATLAB對(duì)圖像進(jìn)行點(diǎn)操作，選擇合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化；③對(duì)照片臉部提升亮度的操作，給出變化前后的灰度直方圖對(duì)比；④對(duì)照片臉部打馬賽克；⑤對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化，給出變化前后的灰度直方圖對(duì)比；⑥灰度變換：分別對(duì)圖像的低灰度值和中間灰度值進(jìn)行擴(kuò)展，壓縮其他區(qū)域，給出變化前后的灰度直方圖對(duì)比。

（2）圖像濾波。要求自拍一張照片，完成以下數(shù)字圖像處理算法：①給圖像分別添加隨機(jī)噪聲和椒鹽噪聲；②采用不同的平滑濾波模板進(jìn)行濾波對(duì)比（不同模板、不同尺寸）；③采用中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行濾波對(duì)比；④對(duì)添加隨機(jī)噪聲的多幅圖片取平均。要求對(duì)比分析：①不同空間域卷積器模板的濾波效果有何不同？②空間域卷積器模板的大小的濾波效果有何影響？

（3）圖像的邊緣檢測。對(duì)給定圖像完成以下數(shù)字圖像處理算法：①采用Sobel算子、Roberts算子、LOG算子、Canny算子等多種方法處理得到圖像中的邊緣，并進(jìn)行算法的對(duì)比分析（重點(diǎn)對(duì)比Canny算子與其他算子的區(qū)別，分別從算法原理和實(shí)際處理結(jié)果分析）；②采用輪廓提取算法處理得到圖像中的邊緣（先閾值分割，將圖像與腐蝕后的圖像相減）；③選做：將圖像中的邊緣點(diǎn)輸出到一個(gè)文件中；④選做：實(shí)現(xiàn)邊緣點(diǎn)的亞像素定位算法（從函數(shù)擬合法、灰度矩法等任選一種算法）。

圖1 圖像的邊緣檢測

（4）圖像的頻域處理。對(duì)給定圖像實(shí)現(xiàn)以下數(shù)字圖像處理算法：①顯示圖像頻譜圖；②對(duì)圖像進(jìn)行低通濾波處理，對(duì)比不同參數(shù)時(shí)的處理結(jié)果并分析；③對(duì)圖像進(jìn)行高通濾波處理，對(duì)比不同參數(shù)時(shí)的處理結(jié)果并分析；④對(duì)比不同濾波器的處理結(jié)果并分析；⑤通過對(duì)圖像的頻譜矩陣操作，實(shí)現(xiàn)在圖像中添加某方向的正弦波條紋。

圖2 圖像的頻域處理

（5）彩色圖像處理。①實(shí)現(xiàn)圖像中某區(qū)域的顏色識(shí)別程序，首先實(shí)現(xiàn)讀入計(jì)算機(jī)生成圖片進(jìn)行識(shí)別，然后對(duì)手機(jī)拍攝的色卡照片進(jìn)行識(shí)別，并分析二者的差別；②選擇一幅灰度圖像，添加偽彩色；③選擇一幅彩色圖像，對(duì)圖像進(jìn)行分色處理，再組合為彩色圖像。

（6）視覺檢測圖像處理。①實(shí)現(xiàn)圖3所示圖像的邊緣檢測，并根據(jù)邊緣點(diǎn)擬合直線參數(shù)；②實(shí)現(xiàn)圖4所示圖像的邊緣檢測，并根據(jù)邊緣點(diǎn)擬合圓參數(shù)；③采用邊緣點(diǎn)擬合的方法對(duì)圖5所示圖像中4條邊的邊長和夾角的計(jì)算（注意邊緣點(diǎn)的直線歸屬判斷）；④采用hough變換，實(shí)現(xiàn)圖5所示圖像中4條邊的邊長和夾角的計(jì)算。

圖3 求出圖中直線的參數(shù)

圖4 求出圖中圓的 圓心位置和半徑

圖5 求4條邊的 邊長和相互夾角

（7）視覺檢測圖像處理。①求圖6中光斑的中心坐標(biāo)。采用邊緣擬合法和灰度重心法兩種方法實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行對(duì)比分析；②求圖7中光條的中心的位置；③實(shí)現(xiàn)圖像的某一區(qū)域的清晰度評(píng)價(jià)，并用實(shí)例測試效果（建議采用梯度向量平方法）。

圖6 求出圖中光斑的 中心位置

圖7 求光條的 中心的位置

（8）圖像清晰度評(píng)價(jià)。①在視覺檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)相機(jī)，拍攝一組從模糊到清晰再到模糊的圖片，選擇一種圖像調(diào)焦評(píng)價(jià)算法，對(duì)該組調(diào)焦過程圖片進(jìn)行調(diào)焦評(píng)價(jià)，給出評(píng)價(jià)值，并畫出調(diào)焦評(píng)價(jià)值變化曲線。②選做：理論分析并實(shí)驗(yàn)測試調(diào)焦圖像中邊緣點(diǎn)數(shù)量（高頻信息）和照明亮度對(duì)調(diào)焦靈敏度的影響。

（9）二維視覺檢測系統(tǒng)標(biāo)定。如圖8所示為二維視覺檢測系統(tǒng)采集的掩膜版制作的標(biāo)定板（圓心間距10mm，左下圓心為（0,0）點(diǎn)）：①標(biāo)定出圖像中像素與實(shí)際空間的比例變換關(guān)系；②標(biāo)定出兩個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度；③標(biāo)定出兩個(gè)坐標(biāo)系的變換關(guān)系；④選做：標(biāo)定出圖像的畸變情況。

圖8 二維視覺檢測系統(tǒng)標(biāo)定圖像

4 《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

《視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》實(shí)踐環(huán)節(jié)與《數(shù)字圖像處理與應(yīng)用》理論課同步開展，在學(xué)期中設(shè)置了16學(xué)時(shí)，前期主要任務(wù)是學(xué)習(xí)MATLABGUI界面的編寫，后期是將一些算法在GUI界面上實(shí)現(xiàn)，最后1周集中主要是程序調(diào)試、測試、完善、答辯和撰寫報(bào)告。

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)除要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)要求的數(shù)字圖像處理程序功能外，還參考2017年中國機(jī)器人大賽先進(jìn)視覺比賽項(xiàng)目的比賽規(guī)則，引入了競賽機(jī)制，制定了詳細(xì)的評(píng)分規(guī)則。定做了不同尺寸參數(shù)的掩膜板作為被測工件，要求學(xué)生給出被測值，將被測值與真值進(jìn)行比較，根據(jù)誤差大小進(jìn)行評(píng)分。根據(jù)最終分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序并給出該部分得分。

實(shí)踐環(huán)節(jié)的具體任務(wù)要求為：

（1）采用MATLAB編寫GUI界面，實(shí)現(xiàn)可讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的圖片顯示，以及USB相機(jī)的圖像采集、實(shí)時(shí)顯示和圖像存儲(chǔ)。（功能項(xiàng)）

（2）完成視覺檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組建。（功能項(xiàng)）

（3）編程實(shí)現(xiàn)圖像調(diào)焦實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，并將結(jié)果顯示到界面上。（功能項(xiàng)）

（4）實(shí)現(xiàn)采集圖像的濾波算法，包括多圖像平均濾波算法、均值濾波、中值濾波、高斯濾波等，界面可選。（功能項(xiàng)）

（5）實(shí)現(xiàn)圖像的直方圖顯示、直方圖均衡化算法。（功能項(xiàng)）

（6）實(shí)現(xiàn)圖像的頻譜顯示、高通濾波和低通濾波。（功能項(xiàng)）

（7）實(shí)現(xiàn)圖像的顏色識(shí)別，識(shí)別教師指定的10種顏色色卡，并在界面上顯示結(jié)果。（競賽評(píng)分項(xiàng)）

（8）實(shí)現(xiàn)邊緣檢測，并在軟件界面上顯示結(jié)果。（功能項(xiàng)）

（9）實(shí)現(xiàn)待測工件的標(biāo)定，工件舉例如圖9所示。實(shí)現(xiàn)標(biāo)定程序，并完成系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的標(biāo)定。（黑框內(nèi)側(cè)邊緣的尺寸已知，橫向邊緣作為X軸方向）（評(píng)分項(xiàng)）

圖9 待測工件舉例

（10）實(shí)現(xiàn)圖9所示工件中圖形參數(shù)的計(jì)算，對(duì)測量結(jié)果按照精度進(jìn)行評(píng)分和排名。（注意：測試評(píng)分時(shí)，圖形的位置和方位都會(huì)發(fā)生變化）（評(píng)分項(xiàng)）

（11）撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，對(duì)程序設(shè)計(jì)原理、程序設(shè)計(jì)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。（要求：格式規(guī)范，清晰、有條理地表達(dá)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)結(jié)果）（報(bào)告評(píng)分）

5 課程教學(xué)改革效果

課程采用了超星公司的學(xué)習(xí)通軟件作為課程在線管理軟件，獲得了較好的效果，“在線簽到”避免了上課考勤浪費(fèi)時(shí)間，在線布置作業(yè)和提交作業(yè)、批改作業(yè)減少了以往交作業(yè)的中間環(huán)節(jié)，師生能夠在軟件上直接溝通，特別是對(duì)作業(yè)的及時(shí)反饋，提高了工作效率。

理論課的編程大作業(yè)要求學(xué)生獨(dú)立自主完成，課程組進(jìn)行了嚴(yán)格考核，對(duì)作業(yè)存在的問題進(jìn)行反饋，同時(shí)避免抄襲情況。布置大作業(yè)時(shí)，強(qiáng)調(diào)數(shù)字圖像處理的要求，并不指定實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了各種解決方案，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。鍛煉了學(xué)生動(dòng)手編程能力和自學(xué)能力。

實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)小組編寫了詳盡的課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，對(duì)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)所需的技術(shù)資料、報(bào)告要求等進(jìn)行了說明?；谠u(píng)分排名的設(shè)計(jì)，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣和積極性，學(xué)生能夠主動(dòng)在程序編寫上投入時(shí)間和精力，很多同學(xué)通宵調(diào)試程序。

課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)調(diào)查問卷，結(jié)果表明，雖然課程需要學(xué)生付出很多時(shí)間和精力，但絕大多數(shù)學(xué)生都對(duì)這種教學(xué)改革進(jìn)行了認(rèn)可。表示通過課程對(duì)數(shù)字圖像處理有了深入了解和濃厚興趣，部分同學(xué)表示做畢業(yè)設(shè)計(jì)和碩士研究生還要繼續(xù)做相關(guān)領(lǐng)域的研究。教學(xué)改革的第一年，學(xué)生根據(jù)課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容整理發(fā)表了2篇論文。擔(dān)任助教的研究生一年級(jí)學(xué)生也表示自己在助教過程中收獲很大，大大提高了自己數(shù)字圖像處理的算法設(shè)計(jì)和程序編寫能力。

課程的下一步發(fā)展計(jì)劃是逐漸完善課程實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，爭取引入更多的工程案例，讓學(xué)生搭建更多類型的視覺檢測系統(tǒng)[16-17]；同時(shí)引入相關(guān)企業(yè)的工程師進(jìn)入課堂，帶來更多更生動(dòng)的工程案例和前沿動(dòng)態(tài)，將能力鍛煉與企業(yè)需求接軌。

6 結(jié)語

通過將工程實(shí)踐引入課程教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程項(xiàng)目的能力。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念，提高學(xué)生解決工程問題的能力，同時(shí)對(duì)團(tuán)隊(duì)能力、自學(xué)能力和撰寫報(bào)告的能力進(jìn)行了鍛煉，提升了課程的教學(xué)效果。