面向工程的“數(shù)字圖像處理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革

呂秀麗 牟海維 韓建 趙麗華 楊韻桐

摘要：工程教育理念下，針對(duì)“數(shù)字圖像處理及應(yīng)用”課程存在的學(xué)時(shí)少、知識(shí)點(diǎn)多、教學(xué)與工程實(shí)際脫軌，學(xué)生編程能力低下等主要問題進(jìn)行教學(xué)改革。充分利用超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，線上線下結(jié)合教學(xué)，加大MATLAB語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)踐，合理設(shè)定考核內(nèi)容。實(shí)踐表明，學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決數(shù)字圖像處理工程實(shí)際問題能力均得到了大幅提高。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字圖像處理;教學(xué)改革;工程教育;MATLAB

中圖分類號(hào)：G64 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）25-0134-02

“數(shù)字圖像處理及應(yīng)用”課程是高校電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化類多個(gè)專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)課，涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、電子學(xué)、攝影和計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科，是一門綜合性交叉學(xué)科[1-2]。數(shù)字圖像處理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于視頻通信、遙感測(cè)繪、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)和軍事公安等各個(gè)領(lǐng)域，且在這些領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[3]。

1 課程存在的主要問題

（1）課時(shí)偏少，我校電子信息工程專業(yè)該課程總學(xué)時(shí)40，理論學(xué)時(shí)32，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8。涉及的先修課程知識(shí)多，先修課程包括：線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、信息論、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言等。然而在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍對(duì)先修課程知識(shí)掌握不夠扎實(shí)。

（2）課程知識(shí)點(diǎn)多而雜，教學(xué)上注重圖像處理的數(shù)學(xué)依據(jù)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)等，在教學(xué)的過程中忽視理論與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系，課堂教學(xué)與工程實(shí)際脫軌，學(xué)生對(duì)前沿研究熱點(diǎn)了解少[4-5]。

（3）不注重編程語(yǔ)言的運(yùn)用，學(xué)生只會(huì)調(diào)用MATLAB語(yǔ)言自帶函數(shù)，不利于編程能力培養(yǎng)，缺乏圖像處理技術(shù)的綜合應(yīng)用能力。

因此，針對(duì)教學(xué)過程中存在的問題，對(duì)“數(shù)字圖像處理及應(yīng)用”課程進(jìn)行教學(xué)改革迫在眉睫。

2 教學(xué)改革

（1）教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展教學(xué)活動(dòng)

由長(zhǎng)期從事圖像處理算法開發(fā)的主講教師和實(shí)驗(yàn)教師組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，其中教授2人，副教授3人，集體研究課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，科學(xué)制訂教學(xué)方案，課程教學(xué)網(wǎng)站建設(shè)方案，保證各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)的有序開展。

（2）使用國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教材

我校電子信息工程專業(yè)采用的教材是章毓晉教授主編的第4版《圖像工程——上冊(cè)：圖像處理》，包括4個(gè)單元。第1單元圖像增強(qiáng)，第2單元圖像恢復(fù)，第3單元圖像編碼，第4單元圖像拓展，內(nèi)容包括圖像處理的基本概念、基本原理、典型方法、實(shí)用技術(shù)以及國(guó)際上有關(guān)研究的新成果。

（3）利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)輔助教學(xué)

利用超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)輔助教學(xué)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)通App完成各項(xiàng)任務(wù)。先修課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)資料、課堂教學(xué)PPT課件、題庫(kù)習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、作業(yè)、考試試卷樣例均發(fā)布到學(xué)習(xí)通平臺(tái)，便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)。從近五年學(xué)術(shù)期刊中挑選數(shù)字圖像處理及應(yīng)用相關(guān)的前沿科技論文，發(fā)布到學(xué)習(xí)通平臺(tái)上，使學(xué)生們涉獵一定的工程實(shí)踐，達(dá)到了解圖像工程研究熱點(diǎn)的目的。課堂上學(xué)生通過學(xué)習(xí)通App簽到、教師提問利用“選人”功能隨機(jī)點(diǎn)名回答問題，驅(qū)使學(xué)生認(rèn)真聽課。

（4）多種教學(xué)方法相結(jié)合開展課堂教學(xué)

課堂主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、案例、對(duì)比、研討等教學(xué)方法相結(jié)合的方式授課。例如在講解圖像平滑濾波時(shí)，首先顯示幾幅帶有噪聲的圖像，然后提出怎樣去除或衰減噪聲，改善圖像質(zhì)量？帶著任務(wù)展開講解。首先顯示幾幅鄰域平均法處理后的圖像，再講基本原理，然后對(duì)比不同尺寸模板的鄰域平均效果，討論得出鄰域平均法去噪的優(yōu)缺點(diǎn)。接著引入幾個(gè)改進(jìn)的方法，如：超限鄰域平均、加權(quán)平均、有選擇保邊緣平均法，先對(duì)比圖像處理結(jié)果，再講基本原理，分析得出結(jié)論。最后結(jié)合車牌識(shí)別等幾個(gè)工程實(shí)例講解鄰域平均法的實(shí)際應(yīng)用。

（5） 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高理論聯(lián)系實(shí)際

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要組成部分，目的是鞏固課堂內(nèi)容，理論聯(lián)系實(shí)際，熟練掌握MATLAB語(yǔ)言的數(shù)字圖像處理編程，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決數(shù)字圖像處理類復(fù)雜工程問題的能力。該課程設(shè)置了空域增強(qiáng)、頻域增強(qiáng)、圖像恢復(fù)和數(shù)字水印4個(gè)實(shí)驗(yàn)，涉及數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

為提高M(jìn)ATLAB編程語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)能力，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求先調(diào)用MATLAB自帶函數(shù)實(shí)現(xiàn)，然后不調(diào)用函數(shù)自行編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)比調(diào)用函數(shù)和自行編程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如：在直方圖均衡化實(shí)驗(yàn)中，先調(diào)用imhist（ ）函數(shù)顯示幾幅圖像的直方圖，調(diào)用histeq（ ）函數(shù)進(jìn)行直方圖均衡化，然后通過自行編程的方式統(tǒng)計(jì)每幅圖的灰度級(jí)，并繪制灰度級(jí)分布圖，根據(jù)課堂講解的直方圖均衡化步驟編程實(shí)現(xiàn)圖像的直方圖均衡化處理，對(duì)比兩種編程方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生可以使用自己拍攝的圖像或電腦繪制的圖像。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生從教師提供的多幅具有不同亮度、對(duì)比度、紋理特性的圖像以及自行拍攝或繪制的圖像中挑選圖像做實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)哪些方法適合處理哪些圖像。例如：通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)直方圖均衡化適合處理偏暗、偏亮、對(duì)比度差的圖像;中值濾波比鄰域平均去除椒鹽噪聲效果好。

將由于實(shí)驗(yàn)課堂學(xué)時(shí)有限，必須充分利用預(yù)習(xí)，要求學(xué)生課前閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路，畫出程序流程圖，至少M(fèi)ATLAB編程實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）并手寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

為提高數(shù)字圖像處理綜合應(yīng)用能力，設(shè)定一個(gè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：數(shù)字水印。實(shí)驗(yàn)要求在載體圖像的DCT（離散余弦變換）域嵌入一個(gè)有意義黑白二值水印，利用校園網(wǎng)查閱相關(guān)期刊文獻(xiàn)至少3篇，設(shè)計(jì)數(shù)字水印嵌入和提取算法，繪制程序流程圖，可以利用基于紋理、基于DCT系數(shù)關(guān)系等方法。水印的攻擊測(cè)試采用通用攻擊方法如：JPEG壓縮、低通濾波、高通濾波、尺寸縮放、圖像旋轉(zhuǎn)等至少5種處理。計(jì)算含水印圖像峰值信噪比PSNR，提取水印的位錯(cuò)誤率BER。該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了數(shù)字圖像處理很多知識(shí)點(diǎn)，包括圖像幾何變換、離散余弦變換、頻率域圖像濾波、圖像壓縮、圖像間變換、函數(shù)映射、像素間關(guān)系等，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)解決問題的能力，提高程序設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

（6）合理設(shè)定考核

為科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生成績(jī)，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控，課程考核由三部分組成：平時(shí)占20%、實(shí)驗(yàn)占20%、期末考試占60%。平時(shí)包括利用MATLAB語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)幾何變換、壓縮編碼的作業(yè);通過網(wǎng)絡(luò)查閱期刊文獻(xiàn)至少5篇調(diào)研數(shù)字圖像處理某個(gè)方向（人臉識(shí)別、數(shù)字簽名、手勢(shì)識(shí)別、車牌識(shí)別等）的研究熱點(diǎn)，撰寫調(diào)研報(bào)告。實(shí)驗(yàn)課成績(jī)由預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告組成，分別占實(shí)驗(yàn)成績(jī)的15%、35%、50%。實(shí)驗(yàn)課上，教師對(duì)每位學(xué)生單獨(dú)提問，教師根據(jù)回答問題，編程調(diào)試完成情況綜合給出課堂表現(xiàn)成績(jī)。

3 總結(jié)

“數(shù)字圖像處理及應(yīng)用”課程教學(xué)在東北石油大學(xué)電子信息工程專業(yè)（4個(gè)班，110人）進(jìn)行了研究探索，與往屆學(xué)生對(duì)比發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的MATLAB語(yǔ)言編程、理論聯(lián)系實(shí)際解決實(shí)際問題能力均有大幅提高，增強(qiáng)了數(shù)字圖像處理綜合應(yīng)用能力，為學(xué)生以后的科技活動(dòng)、科學(xué)研究、工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：王力】