基于Halcon軟件的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)探索

摘? 要：針對(duì)高職?？圃盒！稊?shù)字圖像處理》課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了基于Halcon軟件的數(shù)字圖像處理教學(xué)方案。以線性變換為例，介紹了Halcon軟件在教學(xué)方案中的作用（讓理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、算法較多的數(shù)字圖像處理知識(shí)深入淺出，通俗易懂）。教學(xué)實(shí)踐表明，通過Halcon軟件教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用有效提高高職學(xué)生的綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力，保證高職學(xué)生在新形勢(shì)下的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像? Halcon? 高職? 教學(xué)? 實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：TP39 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）08（b）-0014-04

Teaching Exploration of Digital Image Processing Based on Halcon Software

HOU Liling

（Electronic Engineering Department of Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou， Fujian Province， 363000 China）

Abstract： In view of the current teaching situation of digital image processing course in higher vocational colleges， the teaching scheme of digital image processing based on Halcon software is proposed. Taking linear transformation as an example， those show that Halcon software makes the digital image processing knowledge easier to understand. Teaching practice shows that the application of Halcon software teaching platform can effectively improve students' comprehensive practical and innovation ability， and ensure students' employment competitiveness.

Key Words： Digital image; Halcon; Higher vocationaL; Teaching; Practice ability

隨著5G時(shí)代到來，沒有一家企業(yè)可以脫離人工智能去贏得市場(chǎng)。數(shù)字圖像處理技術(shù)在這萬物互聯(lián)的智能社會(huì)里被廣泛地應(yīng)用在機(jī)器視覺、軍事公安、醫(yī)學(xué)影像、交通運(yùn)輸、地理信息分析等領(lǐng)域，是人工智能研究的一大熱點(diǎn)。

1? 《數(shù)字圖像處理》課程特點(diǎn)及存在問題

近年來，不同層次的學(xué)歷教育，從博士研究生到高職生，越來越多的專業(yè)開設(shè)“數(shù)字圖像處理”這門課程，該課程是一門涉及多學(xué)科的交叉課程，主要講述數(shù)字圖像的基本原理、理論和方法，包括了圖像增強(qiáng)、變換、恢復(fù)、識(shí)別、重建、分割等重要知識(shí)，是一門理論結(jié)合實(shí)踐，原理與應(yīng)用并重的課程[1-2]。但在高職專科院校中，普遍存在著難以開展《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)的問題，其原因主要如下幾點(diǎn)：（1）高職專業(yè)課程內(nèi)容要突出應(yīng)用性和實(shí)踐性，使得理論課時(shí)數(shù)減少。而《數(shù)字圖像處理》課程知識(shí)點(diǎn)多且雜，同時(shí)隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，知識(shí)點(diǎn)也不斷增加。由于教學(xué)課時(shí)的緊湊，使得教師在傳授知識(shí)點(diǎn)的過程中往往忽略知識(shí)點(diǎn)的相互聯(lián)系，無法使學(xué)生建立完整的認(rèn)識(shí)體系[3-4];（2）目前高職高專學(xué)生普遍存在理論知識(shí)薄弱，尤其是對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握，嚴(yán)重影響了高職學(xué)生在校掌握專業(yè)性強(qiáng)的科目知識(shí)的能力。其中《數(shù)字圖像處理》就是一門典型科目，由于數(shù)學(xué)知識(shí)的受限性，學(xué)生往往無法形成有效的邏輯思維對(duì)算法進(jìn)行推理，造成對(duì)該門課程的畏懼感，最終產(chǎn)生厭學(xué)情緒[5];（3）在傳統(tǒng)高職院校的圖像處理的教學(xué)過程中，由于缺乏與社會(huì)企業(yè)專家的交流溝通，容易造成兩極分化，一種是過分強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)，忽略實(shí)踐，導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，造成學(xué)生的實(shí)際問題編程能力欠缺;另一種則是過分強(qiáng)調(diào)技能，把數(shù)字圖像處理技術(shù)等同于講授應(yīng)用軟件的使用，使學(xué)生難以深入學(xué)習(xí)圖像處理知識(shí)，影響對(duì)該課程的掌握，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2? 基于Halcon軟件的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)實(shí)施

2.1 課程教學(xué)實(shí)施軟件的選擇

針對(duì)不同生源、不同專業(yè)，課程中軟件的選擇對(duì)于數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的教學(xué)效果有著密切的關(guān)系。Halcon軟件屬于開放性的架構(gòu)，由一千多個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，以及底層的數(shù)據(jù)管理核心構(gòu)成，包含了各類濾波、色彩以及幾何、數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換、形態(tài)學(xué)計(jì)算分析、校正、分類辨識(shí)、形狀搜尋等基本的幾何以及影像計(jì)算功能，應(yīng)用范圍涵蓋醫(yī)學(xué)、遙感探測(cè)、監(jiān)控及工業(yè)上的各類自動(dòng)化檢測(cè)[6]。

高職生理論知識(shí)薄弱，在校學(xué)習(xí)時(shí)間較短，但畢業(yè)后重在實(shí)踐工程應(yīng)用，工作崗位多樣化，所對(duì)應(yīng)的設(shè)備種類繁多，選擇Halcon軟件作為數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)軟件，可以滿足高職生在理論算法知識(shí)不足的情況下，借助Halcon軟件平臺(tái)超2000個(gè)算子的超大處理能力，在交互式的程序設(shè)計(jì)界面HDevelop下直接撰寫、修改程序代碼，執(zhí)行程序，從而快速、有效地掌握一定的圖像處理技術(shù)。同時(shí)學(xué)生可以進(jìn)行圖像處理軟件的二次開發(fā)[6]，掌握如何選擇、應(yīng)用各種圖像處理方法及應(yīng)用工具正確地獲取各種信息，真正將理論與實(shí)際緊密結(jié)合起來，從而解決工程、生產(chǎn)及科研中遇到的各種具體圖像信息交流問題，提高高職學(xué)生在不同崗位的應(yīng)用創(chuàng)新能力，保證高職學(xué)生在新形勢(shì)下的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 Halcon軟件的教學(xué)實(shí)施

2.2.1 課程教學(xué)設(shè)計(jì)理念

目前圖像處理技術(shù)的方法、應(yīng)用日新月異，圖像處理應(yīng)用人才供不應(yīng)求。如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)符合市場(chǎng)技術(shù)需求的人才是我們不斷進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新與改革的目標(biāo)。高職院校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性相對(duì)薄弱，過于強(qiáng)調(diào)理論算法的講解容易使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，不利于開展課程教學(xué)。該課程采用以“學(xué)生為主，教師為輔”師生互動(dòng)的“項(xiàng)目式”教學(xué)，在Halcon軟件的支持下根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況及時(shí)更新圖像處理的新技術(shù)、新方法，以精簡(jiǎn)空洞示例和晦澀數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的講解，重點(diǎn)使學(xué)生掌握選擇和運(yùn)用算子類別的能力為教學(xué)準(zhǔn)則，以常用的圖像處理技術(shù)為主線，在基礎(chǔ)性驗(yàn)證型項(xiàng)目和綜合應(yīng)用實(shí)踐型項(xiàng)目的層層遞推下[7]，學(xué)生通過分組形式，從軟件輸出的圖像處理效果，從算子的接口參數(shù)進(jìn)行分析推導(dǎo)，最后分析得出圖像處理的數(shù)學(xué)模型及其適用場(chǎng)合。此方法有效地幫助學(xué)生理解復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式理論背后的物理意義及實(shí)踐價(jià)值，掌握數(shù)字圖像處理的基本原理和掌握實(shí)際算子具體選擇及應(yīng)用方法，保證了高職學(xué)生在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)薄弱的情況下能依然有效地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，掌握?qǐng)D像處理的實(shí)際應(yīng)用技能，同時(shí)通過分組實(shí)施項(xiàng)目大大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性及協(xié)作能力。

2.2.2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施

該課程以工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用及實(shí)際生活實(shí)踐中具有較強(qiáng)的代表性和實(shí)用性的項(xiàng)目為教學(xué)內(nèi)容，從專業(yè)崗位實(shí)際需要出發(fā)設(shè)計(jì)了圖像濾波、變換、分割、點(diǎn)運(yùn)算4個(gè)基礎(chǔ)項(xiàng)目以及尺寸測(cè)量、物品檢測(cè)、顏色識(shí)別這3個(gè)綜合型項(xiàng)目。該文以點(diǎn)運(yùn)算中的線性變換為例，點(diǎn)運(yùn)算的實(shí)質(zhì)就是圖像增強(qiáng)處理，主要包括直方圖處理、線性變換、對(duì)數(shù)變換、指數(shù)變換和冪運(yùn)算。因課時(shí)有限，課前通過任務(wù)目標(biāo)布置事先安排學(xué)生查閱資料進(jìn)行預(yù)習(xí)，課中重點(diǎn)講解一兩種，其他由學(xué)生分組進(jìn)行自學(xué)驗(yàn)證。

教學(xué)過程中，第一步，通過Halcon教學(xué)軟件演示經(jīng)過線性變換處理前后的對(duì)比圖像效果，引入課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn);第二步，講解圖像線性變換的原理及算子中參數(shù)的意義和使用方法。在曝光不足或過度的情況下，圖像將會(huì)模糊不清，這時(shí)可通過一個(gè)線性單值函數(shù)，對(duì)圖像內(nèi)的每一個(gè)像素做線性擴(kuò)展，暨將圖像中所有點(diǎn)的灰度按照變換函數(shù)進(jìn)行變換，達(dá)到改善圖像效果的目的。在Halcon軟件中，我們可采用scale_image（Image：ImageScaled：Mult，Add：）算子，其中Image表示輸入原圖，ImageScaled表示輸出變換后的結(jié)果圖像，Mult表示系數(shù)，Add表示偏移量。令變換公式y(tǒng)=ax+b，a為系數(shù)Mult，b為偏移量Add，則通過改變參數(shù)a、b，可改變圖像的對(duì)比度和亮度值從而實(shí)現(xiàn)圖像線性灰度值變換，得到不同的圖像效果圖，如圖1至圖4所示。第三步，通過Halcon軟件源程序逐步講解，使學(xué)生直觀觀察Halcon軟件中不同算子的具體應(yīng)用效果，如圖5至圖7所示，從而對(duì)不同算子的應(yīng)用加深與鞏固，同樣不同層次的學(xué)生還可自行添加項(xiàng)目實(shí)施難度來豐富圖像處理效果。

以上，整個(gè)教學(xué)過程借用Halcon軟件的教學(xué)平臺(tái)，通過項(xiàng)目式教學(xué)法，可將算法的理論知識(shí)與具體應(yīng)用緊密結(jié)合，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的主導(dǎo)性、能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高教學(xué)質(zhì)量[7]。

2.2.3 課程考核標(biāo)準(zhǔn)

為適應(yīng)高職高專院校工學(xué)結(jié)合的培養(yǎng)模式，本門課程采用項(xiàng)目式過程考核與期末作品相結(jié)合的多元化考核模式，該課程的算法算子種類多，解題思路多樣化，在項(xiàng)目過程考核中鼓勵(lì)學(xué)生通過多種渠道解決問題，學(xué)生可自行選擇實(shí)驗(yàn)的難易程度來完成該課程的考核。比如直接采用軟件現(xiàn)有的算子來完成較為簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性驗(yàn)證型項(xiàng)目;也可將若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)自行設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，提高項(xiàng)目實(shí)施難度，從而提高自身項(xiàng)目分值;另外，學(xué)生也可通過采用課外更新、更前沿的算法來提高自身分?jǐn)?shù)。由于考核過程不再以單次成績(jī)作為審核依據(jù)，而是貫穿整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)過程，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，提升了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。

該課程最終成績(jī)由項(xiàng)目總評(píng)成績(jī)、平時(shí)表現(xiàn)情況（含考勤、作業(yè)等）以及期末設(shè)計(jì)成績(jī)組成，三者按一定比例構(gòu)成，滿分100分。另外，附加20分用于學(xué)生在完成校外合作企業(yè)的項(xiàng)目、競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等分?jǐn)?shù)的折算，但課程總成績(jī)以滿分100封頂。在完成期末設(shè)計(jì)的過程中，不僅培養(yǎng)了學(xué)生將文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換為實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)的能力，也進(jìn)一步加深理解所涉及算法的的理論知識(shí)，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為畢業(yè)就業(yè)培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)，提供技術(shù)準(zhǔn)備[7]。

3? 結(jié)語

隨著社會(huì)智慧化技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用亦將更加多樣化、智能化，我們將持續(xù)關(guān)注探索，不斷提高教學(xué)質(zhì)量使高職畢業(yè)生可不需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間培訓(xùn)就能夠直接上崗參加企業(yè)的正常生產(chǎn)，使高職教育緊貼企業(yè)符合的需要和社會(huì)發(fā)展的需求，真正凸顯出高職教育的重要性。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡彬.面向?qū)嵺`創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2016（4）：118-119.

[2] 孟祥超，符冉迪，邵楓，等.《數(shù)字圖像處理》立體式教學(xué)方法改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2019（23）：136-138.

[3] 田學(xué)軍，趙娟.數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技資訊，2016，14（30）：108-109.

[4] 陳超文.計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐探索[J].中外企業(yè)家，2020（10）：180.

[5] 陸玲，李麗華.以應(yīng)用實(shí)例為主線、以程序設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法改革[J].大學(xué)教育，2016（9）：166-167.

[6] 張芝化，徐麗萍，李美蓮.“數(shù)字圖像處理”課程實(shí)踐教學(xué)改革探討[J].教改教法，2018（9）：68-69.

[7] 侯麗玲.“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)改革探討[J].漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（3）：85-88.