基于理論實驗考核綜合改革的《數(shù)字圖像處理》課程實踐

鐘麗輝，趙毅力，苗 晟，禹月昀，戴正權(quán)

（西南林業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410205）

《數(shù)字圖像處理》是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)課，且該門課程理論性和實踐性強。該課程通過理論學(xué)習(xí)后，要能夠利用計算機對圖像進行去噪、增強、復(fù)原、分割、特征提取、編碼和識別等。學(xué)生通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求深入的理解數(shù)字圖像處理的基本概念、基礎(chǔ)理論以及解決實際工程項目問題的基本思想方法，掌握基本的數(shù)字圖像處理處理技術(shù)，了解與各個處理技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，并能夠創(chuàng)新地解決實際復(fù)雜的工程問題[1-3]。

《數(shù)字圖像處理》課程以微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程，信號與系統(tǒng)，數(shù)字信號處理和程序設(shè)計等課程基礎(chǔ)課程，廣泛應(yīng)用于幾乎所有學(xué)科領(lǐng)域。教學(xué)過程中，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣，并且將數(shù)學(xué)應(yīng)用于圖像處理技術(shù)中進行理解比較困難，但這是《數(shù)字圖像處理》的靈魂和本質(zhì)；實驗課程需要將圖像處理的技術(shù)，即數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化為程序?qū)崿F(xiàn)，一個一個圖像處理技術(shù)實現(xiàn)后，還需要能夠綜合利用這些技術(shù)解決實際項目工程問題，故實驗課程內(nèi)容多，學(xué)時非常緊張，故有的同學(xué)感覺理論和實驗均比較困難。因此《數(shù)字圖像處理》理論和實驗教學(xué)過程中，如何對整門課程進行改革，來幫助學(xué)生掌握理論、原理和工程算法的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生解決實際工程項目問題的能力，是該課程建設(shè)中急需解決的關(guān)鍵問題[4-6]。

1 目前理論實驗和考核過程中存在的問題

1.1 理論教學(xué)過程中存在的問題

目前該課程開設(shè)在大三下學(xué)期，以前理論學(xué)時32學(xué)時，現(xiàn)在新的培養(yǎng)方案，理論學(xué)時只有24學(xué)時，縮減了8學(xué)時。內(nèi)容頗多，學(xué)時緊張，理論課基本只能講解原理，無法顧及圖像處理算法的程序?qū)崿F(xiàn)問題；而且數(shù)字圖像處理講授過程中，數(shù)學(xué)公式較多，內(nèi)容抽象，老師向?qū)W生講解時，部分學(xué)生對原理內(nèi)涵的理解產(chǎn)生畏難心理，學(xué)習(xí)的積極性和主動性有待提高，學(xué)習(xí)的興趣和潛能有待進一步激發(fā)。

1.2 實驗教學(xué)過程中存在的問題

實驗學(xué)時24學(xué)時，每兩個學(xué)時的實驗完成跟理論課一致的實驗內(nèi)容，目前實驗課基本只能達到以下兩點：一是通過實驗，學(xué)生對數(shù)字圖像處理的基本原理有深入的理解；二是圖像處理的理論轉(zhuǎn)為處理算法程序設(shè)計實現(xiàn)的能力。通過圖像處理項目實踐培養(yǎng)和提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力比較欠缺。

1.3 考核過程中存在的問題

現(xiàn)有的教學(xué)以考試為主，考試為上機編程處理圖像，同時結(jié)合平時成績和實驗成績對學(xué)生進行評定。忽略了項目實踐能力、知識的綜合應(yīng)用能力和解決復(fù)雜工程項目的能力。

2 理論課程的改革實踐

目前24學(xué)時理論教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時安排如下：教學(xué)內(nèi)容為緒論和視覺傳導(dǎo)機理（2學(xué)時），圖像處理基礎(chǔ)（2學(xué)時），圖像的算術(shù)運算（2學(xué)時），圖像的幾何預(yù)算（2學(xué)時），圖像的灰度變換（2學(xué)時），圖像的空間域濾波（2學(xué)時），圖像的傅里葉變換（2學(xué)時），圖像的頻域濾波（2學(xué)時），彩色圖像處理（2學(xué)時），形態(tài)學(xué)處理（2學(xué)時）和圖像分割（4學(xué)時）。為了解決上課公式繁多，相對枯燥的問題，提高學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)生的積極和主動性，提高對理論的深入理解度，采用了兩種相對有效的方式：其一，上課進行小組分組，每組根據(jù)班級人數(shù)在4～6位同學(xué)一組，上理論和實驗課的時候坐在一起，課堂互動的時候，可以選擇小組競賽等方式，增加互動效果；同時組內(nèi)同學(xué)相互討論，提高學(xué)習(xí)的效果；其二，上理論課的時候要求每位同學(xué)把自己的筆記本電腦帶教室，每一個相對獨立的理論講解完場，授課老師給出相應(yīng)的Matlab函數(shù)，學(xué)生當(dāng)即自己調(diào)用函數(shù)嘗試最簡單的圖像處理方式，教師現(xiàn)場指導(dǎo)，并根據(jù)學(xué)生的反饋對理論內(nèi)容進一步做相應(yīng)的解釋。帶上數(shù)字圖像處理的運行環(huán)境的分組理論教學(xué)，授課效果得以大幅度地提升。

3 實驗課的改革實踐

在理論課，學(xué)生已經(jīng)掌握了數(shù)字圖像處理的理論及實現(xiàn)理論的Matlab函數(shù)。所以將實驗內(nèi)容進行難度和綜合性提升。如第二次讀圖像和算術(shù)運算的實驗，改革前的實驗內(nèi)容為：1.從Matlab圖像庫中讀取二值，灰度，真彩和索引圖像各一幅并顯示；2.一次性將文件夾中的150幅圖像讀取并顯示；3.讀取圖像，分別嘗試圖像的加法，減法，乘法和出發(fā)運算；改革后的實驗內(nèi)容為：1.采用算法運算對圖像A和圖像B進行處理，將圖像A隱藏在圖像B中，實現(xiàn)信息隱寫，得到圖像C，要求圖像B和圖像C在視覺上沒有任何差異；2.利用讀圖像的方式，對血管進行重建。根據(jù)拍照得到的血管平行切片數(shù)字圖像100張，格式均為BMP，512×512個像素。單從實驗內(nèi)容就可以得出，在理論課改革的基礎(chǔ)上，實驗課就可以順利進行改革，提升每個實驗的難度和綜合性，并且通過實驗將三維重建和數(shù)字水印等知識融會貫通。提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，同時也提高了同學(xué)們對《數(shù)字圖像處理》的興趣，使學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃雍头e極。

4 考核的改革實踐

由于本課程以實際操作為主，原來要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論，然后通過編程處理把理論知識內(nèi)化，故考試一直采用無紙化上機考試，考試用軟件為：Matlab。成績評定：平時成績和實驗成績占總評成績的30%，上機考試成績占總評成績的70%?，F(xiàn)在考核采用做一個綜合的小項目方式進行考核。在學(xué)期中間，學(xué)生對《數(shù)字圖像處理》有一定的認識的情況下，兩人一組自由組合，根據(jù)班級人數(shù)，任課教師出20多個題目，每組抽一個題目，在該門課程結(jié)課兩周后，每組學(xué)生帶著做好的設(shè)計報告及其編寫好的程序，現(xiàn)場講解整個小項目解決思路，方案及其程序?qū)崿F(xiàn)的效果，教師分別對兩位同學(xué)進行提問，該環(huán)節(jié)占整個考核的80%，平時和實驗成績占20%?？己顺龅男№椖啃鑿膱D像的增強，即預(yù)處理（多種增強方法的嘗試和綜合）開始，邊緣檢測，形態(tài)學(xué)處理和圖像分割等最終實現(xiàn)如車牌字符的分割，木材三種缺陷的分割等。這樣彌補了原來一直的考核方式存在的問題，即考核了項目實踐能力、知識的綜合應(yīng)用能力和解決復(fù)雜工程項目的能力。

5 結(jié)束語

為解決原來教學(xué)中存在的問題，如理論公式繁多枯燥，原理理解深奧隱晦，學(xué)生沒有主動，積極和興趣，還有如何將理論轉(zhuǎn)為實踐，并且將實踐能力提升，讓學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力。我們對《數(shù)字圖像處理》這門課進行綜合系統(tǒng)的改革，首先學(xué)生4～6位同學(xué)一組，理論和實驗課每組集中坐一起，方便交流討論，同時開展組間競賽，增加互動，提升課堂教學(xué)氛圍，而且要求每位學(xué)生攜帶數(shù)字圖像處理運行環(huán)境進課堂，將相對獨立的理論知識點講解完成后立馬在運行環(huán)境嘗試相應(yīng)的理論部分的函數(shù)；然后，對實驗內(nèi)容全面升級，實驗提升難度和綜合度，并將教材外的圖像處理的知識通過實驗方式呈現(xiàn)給學(xué)生，開闊學(xué)生的視野；最后對考核采用綜合小項目實現(xiàn)方式，兩人一組，對整學(xué)期知識點的綜合應(yīng)用，解決實際工程復(fù)雜問題。三個部分改革是一體，相互融合相互支撐，完全達到了該門課程的教學(xué)目標(biāo)，也完全符合現(xiàn)在工程認證理念下對該門課程的要求。