圖像處理“立體化”教學體系探索

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與儀器專業(yè)的主干課程，該課程具有內容多、理論性和實踐性都很強等特點，教學難度較大。文章分析了圖像處理課程教學現(xiàn)狀及存在的問題，總結了湖南科技大學測控技術與儀器教學團隊關于圖像處理課程探索的成果——以教學活動“立體化”、教學資源“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”教學體系。

[關鍵詞]圖像處理;測控技術與儀器;教學改革;“立體化”教學體系

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

隨著計算機技術及電子信息技術的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術在工業(yè)自動化、機器人、國防軍工等領域均得到了廣泛的應用[1]。目前，社會對能從事圖像獲取與處理系統(tǒng)設計、軟件開發(fā)、應用調試及科學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與儀器專業(yè)的主干課程。

利用計算機對數(shù)字圖像進行各種處理的理論和技術均屬于圖像處理范疇。圖像處理課程具有內容多、理論性和實踐性都很強等特點[2-4]。現(xiàn)有的大學培養(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，學生要達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，能利用計算機編程實現(xiàn)圖像信息的各種處理的教學目標非常困難。

為適應不斷提高的社會需求，提升教學質量，本文針對圖像處理課程教學實踐中存在的問題，對圖像處理的全方位教學改革進行了探索。近年的教學實踐驗證了新教學方法的有效性。

一、圖像處理教學中存在的問題

圖像處理是測控技術與儀器專業(yè)一門難度較大的專業(yè)課。通過湖南科技大學專業(yè)教學團隊早年的教學實踐、對兄弟院校教學方法和教學效果調研、查閱文獻資料[5-7]可知，很多高校（專業(yè)）的數(shù)字圖像處理課程教學中存在類似的問題，可從教學內容、教學模式、學生學習興趣和積極性三方面進行概括。

（一）課程內容豐富，知識模塊互相交錯，難以厘清脈絡

圖像處理的教學內容包括圖像的數(shù)字化、圖像變換、圖像增強、圖像復原、圖像幾何變換與配準、圖像壓縮、形態(tài)學圖像處理、圖像分割、表示與描述等。每一知識模塊內容都十分豐富，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、主分量描述等內容，這些內容又涉及矩陣論、統(tǒng)計學、頻域變換等基礎理論。圖像處理擁有一個非常龐大的知識體系，要全面教授這些內容非常困難。

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

（二）教學模式難以滿足高質量圖像處理教學的要求

傳統(tǒng)的圖像處理教學一般采用教師講授，學生完成練習、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模式引入圖像處理教學中，如專題式教學法、可視化教學法、討論法、探究法等，取得了一定的效果。

但是，湖南科技大學測控技術與儀器教學團隊在圖像處理教學實踐中發(fā)現(xiàn)，要取得上述新教學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，上述新教學模式和方法的應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)教學團隊承擔了圖像處理相關應用領域的國家級項目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要求。

（三）學生的學習興趣難以持續(xù)

圖像處理課程有一定的新穎性，學生在課程初期往往學習興趣比較濃厚，但是隨著學習內容的深入，很多學生最后會完全喪失學習興趣。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)學推導需要熟悉和理解，某些章節(jié)還非?？菰铮ㄈ鐖D像變換）。其次，現(xiàn)有教學體系在課程教學中以及課程結束后無法給學生提供應用圖像處理課程知識、自主分析問題、解決問題的機會，學生無法建立煩瑣的數(shù)學公式與實踐及創(chuàng)新之間的聯(lián)系。

二、教學體系改革的主要內容

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

（一）面向學科專業(yè)發(fā)展方向的課程內容優(yōu)化

目前，許多高校的電子信息工程、地理信息科學、機械電子工程、測控技術與儀器等多個學科、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，知識脈絡不清晰。

湖南科技大學的測控技術與儀器專業(yè)隸屬于機電工程學院，與機械工程學科聯(lián)系十分緊密，主要培養(yǎng)具備測控技術與儀器學科領域專業(yè)理論基礎知識和實際應用能力，能在國民經(jīng)濟各部門從事測量與控制領域內儀器與系統(tǒng)的設計制造、科技開發(fā)、應用研究、運行管理等方面的高級工程技術人才。

針對湖南科技大學測控技術與儀器專業(yè)的學科專業(yè)特點，教學團隊以機械量檢測、監(jiān)測和工業(yè)環(huán)境感知作為圖像處理課程的應用背景，對課程知識點進行了全面梳理。首先，以機器視覺測量和環(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容和講授方法。如圖像分割的活動輪廓模型，在機械量測量中很少應用，則課堂講學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)中廣泛應用，教學團隊對霍夫變換的基本原理設計了多種形象、類比講解方法;挖掘了多個該算法潛在的應用場景供學生理解其特性。最后，結合視覺測量技術的發(fā)展，對知識點進行擴充。如尺度不變特征轉換（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算法。教學團隊在教學內容中補充了這一算法和相關知識點（圖像金字塔理論）。

（二）教學活動向多個培養(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)綜合課程設計、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計、學生學科競賽等多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)協(xié)同?！靶鹿た啤苯逃砟詈凸こ探逃龑I(yè)認證[8-9]的要求都非常注重教學活動理論聯(lián)系實際和學生解決實際工程問題能力的培養(yǎng)。為提高教學質量，教學團隊將圖像處理課程向多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透。從大一下半學期開始選拔、吸收優(yōu)秀學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)實習中安排有關視覺測量的內容，為專業(yè)綜合課程設計、畢業(yè)設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生課程開始以前即有機會接觸圖像處理知識及應用;課程結束以后仍有機會在教師指導下自由探索和實踐應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)教學活動的學生帶動全體學生更好地理解圖像處理算法理論的實際應用，以取得更好的教學效果。

（三）多渠道擴充教學資源

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資源的缺乏限制了專題式教學法、可視化教學法、討論法、探究法等新型教學方法在圖像處理教學實踐中的應用。如何完全依靠教學團隊自主開發(fā)教學資源十分費時費力，也容易與工程實際脫節(jié)，達不到理想的教學效果。

湖南科技測控技術與儀器專業(yè)教學團隊從多個渠道同時推進擴充圖像處理教學資源。

1.將教師科研項目開發(fā)的測量系統(tǒng)轉化為教學資源

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

2.將學生工程實踐成果轉化為教學資源

新培養(yǎng)體系“教學活動向多個培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透”實施以后，學生在不同培養(yǎng)階段的實踐也會產(chǎn)生大量教學素材，這些素材加以利用也可以轉化為有效的教學資源。如圖2是2017級某學生完成畢業(yè)設計“基于機器視覺的藥片邊界破損檢測系統(tǒng)設計”開發(fā)的簡單測試程序。這一畢業(yè)設計就可轉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內容，學生理解起來也更為容易。

3.從合作企業(yè)獲取教學資源素材

教學團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)合作關系，從這些企業(yè)獲取的教學資源可作為以上兩個教學資源獲取途徑的有益補充。

（四）多層次“教師”協(xié)同教學

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

在新教學體系中，面授講課由主講教師主導，本科生、研究生、企業(yè)技術人員共同參與。主講教師負責基本理論知識點的講授;在主講教師完成教學重點、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，讓他們結合自己的學習過程談如何理解相關知識點以及該知識點在工程實際中的應用。在數(shù)字圖像基礎知識、圖像變換、圖像增強和圖像復原等模塊講授教學內容結束后，安排合作企業(yè)的高級專業(yè)技術人員做“圖像的數(shù)字化與質量提升”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)技術人員做“數(shù)字圖像信息獲取”專題講座。

在新的教學體系中，四類“教師”具有不同的知識結構和技術工作經(jīng)歷，可從不同的視角對教學內容進行闡述。四類“教師”的講授互為補充，可為學生提供知識點的“全景圖像”。

三、教學改革初步成效

湖南科技大學測控技術與儀器教學團隊2016年開始探索圖像處理課程“立體化”教學體系，并根據(jù)教學實踐的效果不斷完善，現(xiàn)已初見成效。2016年開始，逃課的學生人數(shù)明顯減少，特別是2017年和2018年，學生基本上能保持全勤，這表明學生對該課程的學習興趣顯著提升;課程中穿插的討論專題由于有豐富的教學資源支撐，大部分學生能很快進入角色并積極發(fā)言，專題討論氣氛非常活躍;學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，這表明新教學體系能使得學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生學科競賽的學生中，多名考取了研究生繼續(xù)深造，其中一名被世界百強大學瑞典隆德大學（Lund University）錄取。

四、結語

社會對能從事圖像獲取與處理系統(tǒng)設計、軟件開發(fā)、應用調試及科學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與儀器專業(yè)的主干課程。然而，圖像處理課程具有內容多、難度大，理論性和實踐性都很強的特點，教學質量難以保證。本文分析了圖像處理教學中存在的問題，總結了湖南科技大學測控技術與儀器教學團隊關于圖像處理課程探索的成果——以教學活動“立體化”、教學資源“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”教學體系。教學實踐初步驗證了新體系的有效性。堅持“立德樹人”為根本，結合“新工科”建設和工程認證的要求，面向社會對測控技術與儀器高級專門人才的需求，持續(xù)對圖像處理“立體化”教學體系進行改進和完善是下一步工作的方向。

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[責任編輯：陳 明]