圖像編程仿真的實驗教學(xué)

張學(xué)軍

摘要：本研究針對高校理工科專業(yè)電子信息學(xué)科本科生“數(shù)字圖像處理”課程的課堂教學(xué)模式，運用互聯(lián)網(wǎng)+等現(xiàn)代信息技術(shù)手段實施互動型教學(xué)，并基于對照結(jié)果對其今后的發(fā)展和健全提出改善方案和建議，以期達(dá)到“金課”標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1. 引言

數(shù)字圖像處理這門課程的基本原理常常需要用抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行說明，學(xué)生不能形成直觀感性的認(rèn)識和理解。從掌握知識的規(guī)律而言應(yīng)該是”百聞不如一見，百見不如一練“，但是數(shù)字圖像處理程序編程語言多樣，學(xué)生掌握的編程基礎(chǔ)與技巧不一，很難在課堂上形成有效的知識傳輸體系【1-5】，不利于讓學(xué)生在興趣驅(qū)動下進(jìn)行學(xué)習(xí)【6-8】。由此可見建立簡單易操作的仿真實驗非常重要。而圖像因其數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)計算處理時延嚴(yán)重。本實驗采用了網(wǎng)絡(luò)編程與邊沿計算相結(jié)合的方式，有效地解決了實時響應(yīng)的難點，使學(xué)生能隨時隨地使用移動設(shè)備進(jìn)行實驗。

2. 課程功能設(shè)計

數(shù)字圖像處理課程虛擬仿真教學(xué)實驗的構(gòu)建是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)而形成的各種虛擬實驗交互環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣，學(xué)習(xí)課程的知識要點，完成各種預(yù)定的實驗項目。該教學(xué)實驗項目主要劃分為學(xué)習(xí)體驗?zāi)K、動手實踐模塊，以及課堂輔助模塊三大類。學(xué)生能夠僅僅使用普通手機(jī)就能進(jìn)行全程實驗，無需安裝任何插件。在虛擬平臺獲取得實驗結(jié)果必須最終回歸現(xiàn)實環(huán)境，用真實的自選計算機(jī)語言來進(jìn)行編程。相信該“虛實結(jié)合”的實驗方式將成為未來數(shù)字圖像處理技術(shù)教學(xué)的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

通過基于網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字圖像處理技術(shù)綜合虛擬仿真實驗，學(xué)生應(yīng)該熟練掌握以下幾個方面的基礎(chǔ)知識：

（1）圖像分割技術(shù)

（2）圖像增強(qiáng)與復(fù)原技術(shù)

（3）紋理特征分析

（4）圖像特征量的提取技術(shù)

（5）醫(yī)學(xué)圖像的格式

并且能夠利用學(xué)習(xí)到的基本理論知識，使用系統(tǒng)提供的功能模塊選項，對特定題目進(jìn)行求解。比如圓形目標(biāo)的提取，三維醫(yī)學(xué)圖像的建模等。該實驗教學(xué)平臺為學(xué)生提供了一種不受時間、地點、實驗設(shè)備限制的虛擬實驗環(huán)境，使學(xué)生能在互聯(lián)網(wǎng)上以生動直觀、經(jīng)濟(jì)、精確以及安全等特征的虛擬仿真教學(xué)，將課堂上抽象的內(nèi)容具體化、形象化;使教師可以以更加開放的方式進(jìn)行教學(xué)活動，從而提高實驗教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，克服實驗場地、實驗器材、課時數(shù)、實驗?zāi)芎牡葘W(xué)生實踐能力培養(yǎng)的限制，為培養(yǎng)具備解決圖像處理復(fù)雜性工程問題能力的本科人才服務(wù)。

3. 實驗效果

項目面向?qū)崟r虛擬仿真和遠(yuǎn)程在線虛擬仿真兩種模式為學(xué)生提供不受時空約束的實驗環(huán)境，整個綜合虛擬仿真實驗體系模擬了真實圖像處理軟件設(shè)計的編程方式，構(gòu)建了流程圖結(jié)構(gòu)的“搭積木”式的虛擬仿真實驗環(huán)境。針對《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)目標(biāo)要求對其中的圖像分割技術(shù)、圖像增強(qiáng)與復(fù)原技術(shù)、紋理特征分析、圖像特征量的提取技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像建模等要素開展虛擬仿真實驗，通過三維建模、虛擬仿真、人機(jī)交互等技術(shù)，實時再現(xiàn)圖像處理編程的每個過程場景，跟蹤三維建模系統(tǒng)中每一步驟的動態(tài)過程，探究控制參數(shù)對圖像處理性能的影響規(guī)律，然后回歸真實的計算機(jī)編程。該虛擬仿真實驗體系包括基本算法驗證實驗和2個綜合設(shè)計實驗。

如圖1所示，在真實場景下圖像處理的編程活動需要針對具體的編程語言平臺以及操作系統(tǒng)。而該虛擬仿真平臺模擬了通常使用的程序流程圖結(jié)構(gòu)，大大降低了學(xué)習(xí)圖像編程的難度，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境下快速掌握圖像處理技巧。也提供了從虛擬平臺到實際編程指導(dǎo)意見，最終在網(wǎng)上實驗成功后再用實際編程語言去實現(xiàn)該功能。

4. 結(jié)語

鑒于在新冠疫情期間網(wǎng)上授課的要求，我們開發(fā)并投入使用的《數(shù)字圖像處理》課程的網(wǎng)上數(shù)字圖像處理系統(tǒng)平臺，同學(xué)們可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和要求使用瀏覽器進(jìn)行正在講授的圖像處理各個知識點的實驗，通過互動式網(wǎng)上系統(tǒng)選擇不同的算法觀察圖像處理后的結(jié)果，加強(qiáng)對書本上各種函數(shù)，算法的理論理解。每節(jié)課上有約40位同學(xué)同時在線使用了該系統(tǒng)，程序運行正常流暢，達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

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基金項目

該研究受到2021年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程立項項目“后疫情時代背景下"互聯(lián)網(wǎng)+"課堂教學(xué)模式探索與實踐一以電子信息工程專業(yè)為例” （項目編號：2021JGB121）;廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展專項“人工智能的交互式智能云音箱研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”（項目編號：桂科 AA21077007）的資助。