圖像處理“立體化”教學(xué)體系探索

王憲 楊書儀 凌啟輝

[摘 要]圖像處理現(xiàn)已成為許多高校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程，該課程具有內(nèi)容多、理論性和實踐性都很強等特點，教學(xué)難度較大。文章分析了圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，總結(jié)了湖南科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊關(guān)于圖像處理課程探索的成果——以教學(xué)活動“立體化”、教學(xué)資源“立體化”、授課教師層次“立體化”為核心特征的圖像處理“立體化”教學(xué)體系。

[關(guān)鍵詞]圖像處理;測控技術(shù)與儀器;教學(xué)改革;“立體化”教學(xué)體系

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0075-04

隨著計算機(jī)技術(shù)及電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在工業(yè)自動化、機(jī)器人、國防軍工等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前，社會對能從事圖像獲取與處理系統(tǒng)設(shè)計、軟件開發(fā)、應(yīng)用調(diào)試及科學(xué)研究的科技人才的需求量非常大，且還在逐年增加。圖像處理現(xiàn)已成為許多高校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程。

利用計算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行各種處理的理論和技術(shù)均屬于圖像處理范疇。圖像處理課程具有內(nèi)容多、理論性和實踐性都很強等特點[2-4]?，F(xiàn)有的大學(xué)培養(yǎng)體系能安排給圖像處理的課時十分有限，在有限的課時內(nèi)，學(xué)生要達(dá)到掌握圖像獲取與處理的基本理論，了解這些理論在工程實際中的作用，掌握一定的編程實踐技能，能利用計算機(jī)編程實現(xiàn)圖像信息的各種處理的教學(xué)目標(biāo)非常困難。

為適應(yīng)不斷提高的社會需求，提升教學(xué)質(zhì)量，本文針對圖像處理課程教學(xué)實踐中存在的問題，對圖像處理的全方位教學(xué)改革進(jìn)行了探索。近年的教學(xué)實踐驗證了新教學(xué)方法的有效性。

一、圖像處理教學(xué)中存在的問題

圖像處理是測控技術(shù)與儀器專業(yè)一門難度較大的專業(yè)課。通過湖南科技大學(xué)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊早年的教學(xué)實踐、對兄弟院校教學(xué)方法和教學(xué)效果調(diào)研、查閱文獻(xiàn)資料[5-7]可知，很多高校（專業(yè)）的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中存在類似的問題，可從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性三方面進(jìn)行概括。

（一）課程內(nèi)容豐富，知識模塊互相交錯，難以厘清脈絡(luò)

圖像處理的教學(xué)內(nèi)容包括圖像的數(shù)字化、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像幾何變換與配準(zhǔn)、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)圖像處理、圖像分割、表示與描述等。每一知識模塊內(nèi)容都十分豐富，如表示與描述又包括圖像中對象的表示、邊界描述、區(qū)域描述、主分量描述等內(nèi)容，這些內(nèi)容又涉及矩陣論、統(tǒng)計學(xué)、頻域變換等基礎(chǔ)理論。圖像處理擁有一個非常龐大的知識體系，要全面教授這些內(nèi)容非常困難。

核心知識模塊之間內(nèi)容相互交錯是圖像處理課程的另一個特點。圖像增強和圖像復(fù)原的目的都是改善圖像質(zhì)量，只是采用的技術(shù)路線不同：圖像增強以某一具體的應(yīng)用背景為核心，通過衰減不必要的信息，從而得到對這一應(yīng)用背景來說質(zhì)量更好的圖像;圖像復(fù)原則是通過建立圖像退化的數(shù)學(xué)模型，并對退化圖像進(jìn)行逆運算，恢復(fù)圖像本來的面目，很多時候難以把兩者清晰的分開。圖像分割原本應(yīng)是圖像增強（圖像復(fù)原）的后續(xù)處理步驟，然而，現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的趨勢又使得圖像增強（圖像復(fù)原）和圖像分割深度融合。各模塊之間復(fù)雜的關(guān)系使得學(xué)生學(xué)習(xí)起來更加困難。

（二）教學(xué)模式難以滿足高質(zhì)量圖像處理教學(xué)的要求

傳統(tǒng)的圖像處理教學(xué)一般采用教師講授，學(xué)生完成練習(xí)、實驗和考試的模式，效果不太理想。近年來，有許多高校教師嘗試將一些較為新穎的教學(xué)模式引入圖像處理教學(xué)中，如專題式教學(xué)法、可視化教學(xué)法、討論法、探究法等，取得了一定的效果。

但是，湖南科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊在圖像處理教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，要取得上述新教學(xué)方法的效果并不容易。圖像處理是一門理論難度大、抽象程度較高的課程，上述新教學(xué)模式和方法的應(yīng)用需要大量演示程序、工程實例、有豐富材料支持的討論專題。雖然湖南科技測控專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊承擔(dān)了圖像處理相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的國家級項目8項、省科技計劃重點項目等省級項目5項、企業(yè)科技攻關(guān)項目近10項，科研實力較強，但要從這些科研項目中提出圖像處理教學(xué)素材還有大量的工作要做;這些科研項目中包含的知識點也不能全面覆蓋圖像處理的教學(xué)要求。

（三）學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣難以持續(xù)

圖像處理課程有一定的新穎性，學(xué)生在課程初期往往學(xué)習(xí)興趣比較濃厚，但是隨著學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入，很多學(xué)生最后會完全喪失學(xué)習(xí)興趣。造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的。首先，圖像處理課程本身理論性較強，有大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)需要熟悉和理解，某些章節(jié)還非?？菰铮ㄈ鐖D像變換）。其次，現(xiàn)有教學(xué)體系在課程教學(xué)中以及課程結(jié)束后無法給學(xué)生提供應(yīng)用圖像處理課程知識、自主分析問題、解決問題的機(jī)會，學(xué)生無法建立煩瑣的數(shù)學(xué)公式與實踐及創(chuàng)新之間的聯(lián)系。

二、教學(xué)體系改革的主要內(nèi)容

針對圖像處理教學(xué)中存在的問題，湖南科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊探索了一套 “立體化”教學(xué)體系——緊密結(jié)合學(xué)科專業(yè)發(fā)展方向優(yōu)化課程內(nèi)容，通過教學(xué)活動向多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透實現(xiàn)教學(xué)活動“立體化”，通過多渠道擴(kuò)充教學(xué)資源實現(xiàn)教學(xué)資源“立體化”，通過多層次“教師”協(xié)同教學(xué)實現(xiàn)授課教師層次“立體化”。

（一）面向?qū)W科專業(yè)發(fā)展方向的課程內(nèi)容優(yōu)化

目前，許多高校的電子信息工程、地理信息科學(xué)、機(jī)械電子工程、測控技術(shù)與儀器等多個學(xué)科、專業(yè)均把圖像處理作為一門專業(yè)課程，但不同專業(yè)針對的應(yīng)用場合是有顯著區(qū)別的。現(xiàn)有的各種圖像處理的教材需滿足不同專業(yè)的需求，內(nèi)容的選擇和章節(jié)偏排起來非常困難，往往知識點過多，知識脈絡(luò)不清晰。

湖南科技大學(xué)的測控技術(shù)與儀器專業(yè)隸屬于機(jī)電工程學(xué)院，與機(jī)械工程學(xué)科聯(lián)系十分緊密，主要培養(yǎng)具備測控技術(shù)與儀器學(xué)科領(lǐng)域?qū)I(yè)理論基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用能力，能在國民經(jīng)濟(jì)各部門從事測量與控制領(lǐng)域內(nèi)儀器與系統(tǒng)的設(shè)計制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究、運行管理等方面的高級工程技術(shù)人才。

針對湖南科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)科專業(yè)特點，教學(xué)團(tuán)隊以機(jī)械量檢測、監(jiān)測和工業(yè)環(huán)境感知作為圖像處理課程的應(yīng)用背景，對課程知識點進(jìn)行了全面梳理。首先，以機(jī)器視覺測量和環(huán)境感知的工程實現(xiàn)為主線，將圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強和圖像復(fù)原、圖像分割、特征提取、圖像理解等模塊連接起來。接著，確定各知識模塊重點講授的內(nèi)容和講授方法。如圖像分割的活動輪廓模型，在機(jī)械量測量中很少應(yīng)用，則課堂講學(xué)只需簡單描述基本思路即可，無須過多展開;而霍夫變換算法，在各教材中大多描述得非常粗略，而這一算法是一種魯棒性非常強而且思路獨特的基本幾何特征提取方法，在惡劣工業(yè)環(huán)境的視覺測量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，教學(xué)團(tuán)隊對霍夫變換的基本原理設(shè)計了多種形象、類比講解方法;挖掘了多個該算法潛在的應(yīng)用場景供學(xué)生理解其特性。最后，結(jié)合視覺測量技術(shù)的發(fā)展，對知識點進(jìn)行擴(kuò)充。如尺度不變特征轉(zhuǎn)換（Scale-invariant feature transform， SIFT）算法，現(xiàn)有圖像處理教材大多沒有介紹相關(guān)知識，而這一算法已成為攝影測量中的圖像拼接、雙目視覺測量的圖像匹配等步驟的基準(zhǔn)算法。教學(xué)團(tuán)隊在教學(xué)內(nèi)容中補充了這一算法和相關(guān)知識點（圖像金字塔理論）。

（二）教學(xué)活動向多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透

工程類專業(yè)知識教育除了課題講授以外，還有專業(yè)綜合實驗、專業(yè)綜合課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)生學(xué)科競賽等多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)協(xié)同?！靶鹿た啤苯逃砟詈凸こ探逃龑I(yè)認(rèn)證[8-9]的要求都非常注重教學(xué)活動理論聯(lián)系實際和學(xué)生解決實際工程問題能力的培養(yǎng)。為提高教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)團(tuán)隊將圖像處理課程向多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透。從大一下半學(xué)期開始選拔、吸收優(yōu)秀學(xué)生參加教師的圖像處理、視覺測量研究項目;在專業(yè)綜合實驗和生產(chǎn)實習(xí)中安排有關(guān)視覺測量的內(nèi)容，為專業(yè)綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計提供一些需要圖像處理知識的題目選擇。這一舉措使得部分學(xué)生課程開始以前即有機(jī)會接觸圖像處理知識及應(yīng)用;課程結(jié)束以后仍有機(jī)會在教師指導(dǎo)下自由探索和實踐應(yīng)用圖像處理知識解決實際問題;還可“以點帶面”，由持續(xù)參與了圖像處理多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)教學(xué)活動的學(xué)生帶動全體學(xué)生更好地理解圖像處理算法理論的實際應(yīng)用，以取得更好的教學(xué)效果。

（三）多渠道擴(kuò)充教學(xué)資源

由前面分析可知，演示程序、工程實例、有豐富材料支持的討論專題等教學(xué)資源的缺乏限制了專題式教學(xué)法、可視化教學(xué)法、討論法、探究法等新型教學(xué)方法在圖像處理教學(xué)實踐中的應(yīng)用。如何完全依靠教學(xué)團(tuán)隊自主開發(fā)教學(xué)資源十分費時費力，也容易與工程實際脫節(jié)，達(dá)不到理想的教學(xué)效果。

湖南科技測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊從多個渠道同時推進(jìn)擴(kuò)充圖像處理教學(xué)資源。

1.將教師科研項目開發(fā)的測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

相關(guān)教師長期從事工業(yè)環(huán)境下的視覺測量理論與技術(shù)研究，積累了大量的素材。教學(xué)團(tuán)隊統(tǒng)一部署這些素材的教學(xué)資源轉(zhuǎn)化工作：將視覺測量軟件轉(zhuǎn)化為可在課堂演示的教學(xué)示例程序;將工程項目拆分成若干專題供學(xué)生研討。如相關(guān)教師完成的科研成果“大型擠壓機(jī)多活動部件五自由度監(jiān)測系統(tǒng)”就被轉(zhuǎn)化為了教學(xué)示例程序（如圖1所示）和“工業(yè)環(huán)境下圖像增強技術(shù)”“激光光斑亞像素定位技術(shù)”兩個討論專題。由科研成果轉(zhuǎn)化的教學(xué)資源其優(yōu)點在于非常貼近工程實際;缺點在于過于綜合，學(xué)生理解起來難度偏大。

2.將學(xué)生工程實踐成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

新培養(yǎng)體系“教學(xué)活動向多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透”實施以后，學(xué)生在不同培養(yǎng)階段的實踐也會產(chǎn)生大量教學(xué)素材，這些素材加以利用也可以轉(zhuǎn)化為有效的教學(xué)資源。如圖2是2017級某學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計“基于機(jī)器視覺的藥片邊界破損檢測系統(tǒng)設(shè)計”開發(fā)的簡單測試程序。這一畢業(yè)設(shè)計就可轉(zhuǎn)化為圖像連通分量分析和霍夫圓變化算法的演示程序，還可整理成不同方法用于物體（幾何形狀）完整性檢測的討論專題。這些教學(xué)資源雖然還與工程實際有一定的距離，但可以更為全面的覆蓋教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生理解起來也更為容易。

3.從合作企業(yè)獲取教學(xué)資源素材

教學(xué)團(tuán)隊還與湖南睿圖智能科技有限公司、長沙市偉視創(chuàng)圖像技術(shù)有限公司等圖像處理、視覺測量系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)建立了科研和人才培養(yǎng)合作關(guān)系，從這些企業(yè)獲取的教學(xué)資源可作為以上兩個教學(xué)資源獲取途徑的有益補充。

（四）多層次“教師”協(xié)同教學(xué)

一個合格的課程主講教師應(yīng)具備系統(tǒng)、全面講授教學(xué)內(nèi)容的能力，熟悉課程各知識點和各章節(jié)的重點、難點。在傳統(tǒng)的教學(xué)體系中，面授講課教學(xué)環(huán)節(jié)通常由主講教師獨自完成。

在新教學(xué)體系中，面授講課由主講教師主導(dǎo)，本科生、研究生、企業(yè)技術(shù)人員共同參與。主講教師負(fù)責(zé)基本理論知識點的講授;在主講教師完成教學(xué)重點、難點的講授后，邀請參與了不同層次實踐活動的各年級本科生和研究生，讓他們結(jié)合自己的學(xué)習(xí)過程談如何理解相關(guān)知識點以及該知識點在工程實際中的應(yīng)用。在數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識、圖像變換、圖像增強和圖像復(fù)原等模塊講授教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，安排合作企業(yè)的高級專業(yè)技術(shù)人員做“圖像的數(shù)字化與質(zhì)量提升”專題講座。在圖形壓縮、圖像檢測與分割、圖像表示與描述等模塊講授完成以后，安排合作企業(yè)的高級專業(yè)技術(shù)人員做“數(shù)字圖像信息獲取”專題講座。

在新的教學(xué)體系中，四類“教師”具有不同的知識結(jié)構(gòu)和技術(shù)工作經(jīng)歷，可從不同的視角對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行闡述。四類“教師”的講授互為補充，可為學(xué)生提供知識點的“全景圖像”。

三、教學(xué)改革初步成效

湖南科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊2016年開始探索圖像處理課程“立體化”教學(xué)體系，并根據(jù)教學(xué)實踐的效果不斷完善，現(xiàn)已初見成效。2016年開始，逃課的學(xué)生人數(shù)明顯減少，特別是2017年和2018年，學(xué)生基本上能保持全勤，這表明學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣顯著提升;課程中穿插的討論專題由于有豐富的教學(xué)資源支撐，大部分學(xué)生能很快進(jìn)入角色并積極發(fā)言，專題討論氣氛非常活躍;學(xué)生考試成績提高顯著，不及格率和良好、優(yōu)秀率均明顯提升，這表明新教學(xué)體系能使得學(xué)生更好地掌握該課程主要知識點;參加了課程主講教師圖像處理、視覺測量研究項目和學(xué)生學(xué)科競賽的學(xué)生中，多名考取了研究生繼續(xù)深造，其中一名被世界百強大學(xué)瑞典隆德大學(xué)（Lund University）錄取。

四、結(jié)語

社會對能從事圖像獲取與處理系統(tǒng)設(shè)計、軟件開發(fā)、應(yīng)用調(diào)試及科學(xué)研究的科技人才的需求逐年增加。圖像處理現(xiàn)已發(fā)展成為許多高校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程。然而，圖像處理課程具有內(nèi)容多、難度大，理論性和實踐性都很強的特點，教學(xué)質(zhì)量難以保證。本文分析了圖像處理教學(xué)中存在的問題，總結(jié)了湖南科技大學(xué)測控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊關(guān)于圖像處理課程探索的成果——以教學(xué)活動“立體化”、教學(xué)資源“立體化”、授課教師層次“立體化”為核心特征的圖像處理“立體化”教學(xué)體系。教學(xué)實踐初步驗證了新體系的有效性。堅持“立德樹人”為根本，結(jié)合“新工科”建設(shè)和工程認(rèn)證的要求，面向社會對測控技術(shù)與儀器高級專門人才的需求，持續(xù)對圖像處理“立體化”教學(xué)體系進(jìn)行改進(jìn)和完善是下一步工作的方向。

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[責(zé)任編輯：陳 明]