案例驅(qū)動的圖像處理與分析課程教學(xué)改革研究與實踐

朱 旗，關(guān)東海

（南京航空航天大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

1 圖像處理與分析課程教學(xué)改革的意義

圖像處理與分析是人工智能領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，是當前眾多圖像智能應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。當今社會的許多智能分析應(yīng)用需要對圖像數(shù)據(jù)進行分析，對圖像處理方面的人才需求巨大，對圖像處理與分析相關(guān)的課程改革順應(yīng)了人工智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景[1]。另外，數(shù)字圖像處理與分析是人工智能與計算機相關(guān)專業(yè)的重要課程之一，該課程的教學(xué)改革對相關(guān)專業(yè)教育具有重要意義。已有的課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)模式注重對處理方法的知識介紹[2]，對學(xué)生的實踐能力的培養(yǎng)體現(xiàn)不足。我們提出了一種基于案例驅(qū)動的圖像處理與分析課程教學(xué)改革方法，通過對課程內(nèi)容和教學(xué)模式的創(chuàng)新，提升學(xué)生對圖像處理方法的實踐運用能力。

圖像分析，其中包括智能交通、精準醫(yī)療、生物特征識別等。

在課堂教學(xué)上采用深入淺出的方式介紹復(fù)雜的處理方法，并提供大量圖像處理的范例和效果展示，有利于學(xué)生對處理方法的理解，并培養(yǎng)學(xué)生對該領(lǐng)域的學(xué)習興趣和動手實踐能力，為今后從事該領(lǐng)域相關(guān)研究或應(yīng)用開發(fā)打下基礎(chǔ)。并且在前沿技術(shù)討論和課程設(shè)計環(huán)節(jié)引入典型案例，提升學(xué)生綜合運用圖像處理方法的能力。

2 案例驅(qū)動的圖像處理與分析課堂教學(xué)

對于課程內(nèi)容的改革上，突出對經(jīng)典圖像處理與分析方法的介紹，并融入相關(guān)領(lǐng)域的前沿，體現(xiàn)課程的高階性。圖像處理與分析的教學(xué)內(nèi)容涉及圖像的基本概念、圖像采集與表示、圖像的空間域處理、圖像的頻率域處理、圖像增強、圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)操作、圖像壓縮等內(nèi)容[3]。在教學(xué)內(nèi)容上，新增了運動目標檢測與跟蹤、圖像識別與理解案例等。通過對其中每個案例的解析，將應(yīng)用問題中的具體需求轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，詳細介紹相關(guān)案例的數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和分類的過程。引導(dǎo)學(xué)生選擇適用的圖像處理與分析方法。在課堂教學(xué)中，充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，展開對案例處理過程的討論，加深學(xué)生對其中涉及方法的理解和掌握，從而為進一步的圖像處理實踐任務(wù)打下基礎(chǔ)。

在每個章節(jié)內(nèi)容的設(shè)置上，突出案例教學(xué)。通過案例對處理結(jié)果及性能進行對比，使得學(xué)生理解每種處理方法的特性。例如，將不同濾波器的處理效果同時呈現(xiàn)出來，并且將不同參數(shù)的處理結(jié)果也融入對比案例中。不僅讓學(xué)生掌握不同濾波器的特性，而且讓學(xué)生理解不同濾波器在不同參數(shù)下的響應(yīng)，從而使得教學(xué)過程能夠真正指導(dǎo)學(xué)生進行實踐。另外，注重采用先進技術(shù)手段，將圖像處理方法的重點和難點通過動畫的形式解析其中的過程，讓學(xué)生真正了解處理方法的流程和細節(jié)。在案例的選擇上，選取具有多種紋理、邊緣、拓撲特征的圖像[4]作為典型案例，使得處理方法對不同圖像特征的處理效果都能得以展現(xiàn)。特別對于一階和二階邊緣增強算法，通過案例展示出高階方法對于帶有噪聲的圖像具有較強的敏感性，使得學(xué)生能夠深刻理解在使用相關(guān)邊緣增強方法時為什么要進行圖像去噪，從而獲得更好的處理效果。在形態(tài)學(xué)方法的教學(xué)上，以往的教學(xué)方法是通過教師講授或靜態(tài)的方法展示使學(xué)生理解形態(tài)學(xué)處理方法，在我們的教學(xué)過程中將形態(tài)學(xué)的處理過程，以及過程中結(jié)構(gòu)元素與目標之間的關(guān)系進行動態(tài)展示，并能夠根據(jù)學(xué)生理解和反饋的情況，動態(tài)控制這些案例的呈現(xiàn)。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，隨著課程的介紹引入關(guān)于知識點的問題，使學(xué)生的學(xué)習效果能夠及時反饋，從而教師能夠把握學(xué)生掌握知識點的程度。對于通過反饋發(fā)現(xiàn)的掌握薄弱的知識點，教師可進行進一步的講解，使得學(xué)生能夠理解和掌握。同時，課上的教學(xué)內(nèi)容具有一定的高階性，在介紹基本的圖像分析與處理方法的過程中，引導(dǎo)學(xué)生進行思考和創(chuàng)新。包括將已有的方法應(yīng)用于新的領(lǐng)域，或者針對新問題設(shè)計創(chuàng)新的處理方法。在課堂上進行當堂作業(yè)，通過引入與課上內(nèi)容相關(guān)的知識點測試，考查學(xué)生對知識點的掌握水平。另外進行一定的延展，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵學(xué)生通過創(chuàng)新的方法解決問題，或者將已有的算法應(yīng)用于新的領(lǐng)域。另外，在教材的選用上，教師需要經(jīng)過多方面的比較，選用教學(xué)內(nèi)容完整，可讀性強，并被廣泛采用的教材。使得學(xué)生能夠通過課堂上的學(xué)習，了解到圖像處理分析與處理方法的經(jīng)典內(nèi)容，并能夠?qū)ζ渲械慕?jīng)典方法進行復(fù)現(xiàn)。在教學(xué)的章節(jié)安排上，教師需要根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和教學(xué)目標進行重新組織，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，循序漸進地進行課堂教學(xué)，使得教學(xué)過程中前面的知識點能夠為后面的知識點進行有效支撐，后面的知識點能夠作為前面知識點的延展，并且能夠在有限的學(xué)時內(nèi)向?qū)W生介紹更多的處理方法。

3 案例驅(qū)動的圖像處理與分析實踐教學(xué)

在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過典型案例的MATLAB源碼介紹，使得學(xué)生不知掌握圖像處理方法和原理，并且使其能夠?qū)唧w的圖像處理問題進行編程實現(xiàn)。例如對不同濾波器的介紹中，傳統(tǒng)的教學(xué)過程中只涉及濾波器的函數(shù)，而我們的課程中將多種濾波器的代碼在課堂上進行演示。不僅讓學(xué)生了解濾波函數(shù)的數(shù)學(xué)表達，更能讓學(xué)生靈活運用各類濾波函數(shù)。對于頻域變換方法，我們將頻域變換過程的代碼在課堂上展現(xiàn)給學(xué)生，包括對圖像進行預(yù)處理，對圖像進行傅里葉變換，通過頻域濾波保留圖像的有用的頻域成分，然后對頻域信號進行傅里葉逆變換，最后進行圖像的后處理。將以上過程的每一步通過代碼讓學(xué)生掌握其應(yīng)用方法，并將每一步的變換結(jié)果在課堂中進行展示，使得學(xué)生對頻域處理方法這一圖像處理與分析課程中的難點進行深刻理解和掌握。此外，我們還在課堂中對典型圖像處理工程問題的關(guān)鍵步驟進行代碼展示，提高學(xué)生的編程水平和解決實際問題的能力。

通過相關(guān)討論課的引入，學(xué)生通過閱讀選擇圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的研究，并在課堂上分享所閱讀的文獻的背景、所提出的方法和實驗結(jié)果。通過前沿案例充分調(diào)動學(xué)習的積極性，將案例中的復(fù)雜工程問題的求解過程進行展示，提升學(xué)生的實踐能力，并有利于學(xué)生進一步深刻掌握圖像處理方法的特性[5]。另外，在討論環(huán)節(jié)的準備過程中，需要學(xué)生進行團隊配合。例如，同組內(nèi)一部分同學(xué)負責文獻調(diào)研，一部分同學(xué)負責文獻閱讀，一部分同學(xué)負責PPT制作等。另外，采用這種方式能夠結(jié)合學(xué)生的研究興趣和經(jīng)驗，在所關(guān)注的領(lǐng)域進行深入挖掘，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性，并實現(xiàn)了課堂學(xué)習和科研的相互促進。團隊共同將一個前沿的處理方法進行學(xué)習和展示，提升了學(xué)生的分工協(xié)作能力。在編程實踐環(huán)節(jié)，通過設(shè)計具有代表性和探索性的圖像處理任務(wù)，讓學(xué)生針對實際問題選擇使用課堂上學(xué)習的圖像處理方法，并通過查閱文獻，對問題中的一些處理環(huán)節(jié)進行編程解決。相比傳統(tǒng)的實驗課教學(xué)模式，我們的實驗課具有更強的創(chuàng)新性，學(xué)生能夠不拘泥于已有的教學(xué)內(nèi)容，針對所需要解決的問題的特性進行求解。相比單一或簡單的圖像處理問題，實際應(yīng)用中的圖像處理問題一般較為復(fù)雜，需要團隊中的每個人發(fā)揮自身的特長，共同展現(xiàn)集體的智慧。實際教學(xué)中可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對具有創(chuàng)新性的圖像問題較為感興趣，能夠切身深入?yún)⑴c到問題解決的過程中。

在圖像處理與分析及數(shù)字圖像處理課程中介紹智能框架的基本結(jié)構(gòu)和模型的設(shè)計方法。在課程中引入物體識別實驗、圖像分割實驗。在現(xiàn)有智能框架下，進行物體識別與圖像分割實驗的環(huán)境搭建。重點幫助同學(xué)熟悉已有智能框架，并鼓勵學(xué)生在后期的智能模型開發(fā)中使用智能框架。通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對有些圖像處理方法的原理能夠掌握，但是對其編程實踐尚有一定的距離，需要通過實驗和相關(guān)實際操作提升對方法的應(yīng)用能力。在實驗課中介紹編程平臺的基本操作，常用的函數(shù)等內(nèi)容，主要時間留給學(xué)生進行程序的編寫。在實驗課中除了能夠使得學(xué)生能夠搭建一般的圖像處理環(huán)境，而且能夠針對具體的圖像處理問題進行針對性的應(yīng)對和解決。

通過課程的開展，學(xué)生能夠?qū)D像處理方法進行靈活運用，先后開展了圖像紋理識別、車牌識別、身份證字符識別等課程設(shè)計。在實驗題目的選擇上，需要考慮其能包含他想處理與分析課程中的經(jīng)典方法，也能體現(xiàn)出一定的創(chuàng)新性和高階性。其中掌紋圖像識別實驗設(shè)計能夠?qū)φ萍y圖像進行分類的算法并編程實現(xiàn)。部分圖像作為訓(xùn)練集，構(gòu)建識別模型。其余圖像作為測試集，在預(yù)測模型統(tǒng)計每張測試圖像的預(yù)測結(jié)果，計算識別準確率。掌紋靜脈提取實驗，設(shè)計從掌紋圖像中提取靜脈區(qū)域的算法并編程實現(xiàn)。程序能夠輸出原始掌紋圖像及標注靜脈區(qū)域的圖像。車牌識別實驗?zāi)軌驅(qū)囕v圖片進行預(yù)處理，通過邊緣檢測方法或模板匹配方法找出車牌位置，對其中的數(shù)字和字母區(qū)域進行分割，采用閾值化方法將其轉(zhuǎn)換為二值圖像，并進行最終的車牌識別。設(shè)計字符識別實驗，學(xué)生根據(jù)已有的帶有字符圖像進行圖像增強和去噪，然后對圖像進行水平方向的校準以去除拍攝角度問題對字符識別帶來的影響，進一步通過投影、特征分析或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對字符區(qū)域進行精準標定，然后對其中的每個字符區(qū)域進行分割，進而使用不同分類器對字符語義進行識別。通過課程設(shè)計的開展，學(xué)生不僅掌握了圖像處理和智能分析平臺的搭建和配置，而且能夠綜合運用課堂上所學(xué)到的知識進行實際問題的解決。根據(jù)學(xué)生掌握圖像處理方法水平的不同，為一部分學(xué)有余力的同學(xué)提供參與科研項目的機會，使其課程學(xué)習與工程實踐進行有機結(jié)合[6]，相互促進。對學(xué)生學(xué)習過程中的問題進行答疑，使得對課程中的難點問題進行深入的學(xué)習和掌握。

指導(dǎo)學(xué)生在智能框架下進行物體識別與圖像分割實驗的環(huán)境搭建。重點幫助同學(xué)熟悉智能框架，并鼓勵學(xué)生在后期的智能模型開發(fā)中使用國產(chǎn)框架。通過物體識別實驗,使學(xué)生掌握計算機視覺中物體識別相關(guān)基礎(chǔ)知識點，了解物體識別中的圖像識別與視頻識別，同時掌握深度學(xué)習相關(guān)基礎(chǔ)知識，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。掌握不同相關(guān)的物體識別中比較成熟的物體識別網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原理，熟悉使用深度學(xué)習框架。通過圖像分割實驗，使學(xué)生掌握圖像分割任務(wù)難點，了解如何使用深度學(xué)習解決相關(guān)問題。掌握不同圖像分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計原理與核心思想，熟悉使用深度學(xué)習框架實現(xiàn)深度學(xué)習實驗的一般流程[7]，并能夠根據(jù)處理方法的結(jié)果對處理過程進行優(yōu)化[8]。優(yōu)化的過程涉及對算法的設(shè)計改進以及對參數(shù)的調(diào)優(yōu)，使得學(xué)生能夠?qū)σ延兴惴ńY(jié)合實際需求進行調(diào)優(yōu)，鍛煉學(xué)生優(yōu)化圖像處理方法的能力。

另外，在對學(xué)生學(xué)習效果的評價上，通過多維度的學(xué)生表現(xiàn)綜合考量，包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、大作業(yè)完成情況等融入評價過程中，建立對學(xué)生掌握圖像處理與分析能力綜合評價體系。特別是在對大作業(yè)的完成度考核中，除了考量對圖像的處理效果外，還要綜合評價學(xué)生在完成實驗過程中對方法的掌握程度，實驗報告的表述與書寫等方面。在教學(xué)過程完成后，對整個教學(xué)環(huán)節(jié)進行深入思考和剖析，結(jié)合學(xué)生對知識點掌握的程度和反饋進行總結(jié)，從而指導(dǎo)以后的教學(xué)工作，形成閉環(huán)[9]。例如，在以后的教學(xué)工作中對以往學(xué)生反饋的難點進行更為詳細的介紹，并通過更為豐富和生動的案例幫助學(xué)生理解其中的數(shù)學(xué)原理和思維。并結(jié)合行業(yè)和領(lǐng)域發(fā)展前沿[10-11]，對當前的研究熱點和技術(shù)進行介紹，體現(xiàn)課程的高階性，并能夠進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極積極性，提升教學(xué)的效果。

4 總結(jié)與展望

通過學(xué)習對圖像處理與分析的教學(xué)改革，可以使學(xué)生深入了解和掌握數(shù)字圖像處理的基本原理和當前主流的處理方法。培養(yǎng)學(xué)生解決實際圖像處理和分析領(lǐng)域工程問題的能力，為今后學(xué)習和科研打下堅實的基礎(chǔ)。啟發(fā)學(xué)生對圖像識別等任務(wù)進行智能分析方法設(shè)計，并將其應(yīng)用于實踐。通過介紹圖像處理和分析方法和技術(shù)的同時，注重融入思政元素。結(jié)合我國在圖像智能分析領(lǐng)域的發(fā)展水平與競爭力，培養(yǎng)學(xué)生的榮譽感和使命感。引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生開發(fā)針對實際應(yīng)用的智能分析方法，為實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)替代打下基礎(chǔ)。針對復(fù)雜的圖像分析任務(wù)，鼓勵學(xué)生進行團隊協(xié)作，樹立大局意識，發(fā)揚集體主義精神。