圖像與視頻處理課程案例化課堂教學(xué)模式探索

崔子冠 盧官明 唐貴進(jìn) 李欣 劉峰

摘要：圖像與視頻處理課程是電子信息大類一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有知識(shí)面廣以及理論和實(shí)踐并重的特點(diǎn)。傳統(tǒng)單純課堂講授的教學(xué)模式存在知識(shí)點(diǎn)講授分散、基礎(chǔ)理論難以深入以及實(shí)踐教學(xué)難以開展的問題，而案例化教學(xué)可以較好地解決上述問題。對(duì)課程組進(jìn)行案例化、專題化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，提出結(jié)合理論最新研究進(jìn)展對(duì)知識(shí)模塊合理劃分以形成教學(xué)案例、根據(jù)所設(shè)計(jì)教學(xué)案例的特點(diǎn)選擇合適的教學(xué)模式以及根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)施案例差異化教學(xué)的措施。教學(xué)實(shí)踐表明，所提出的案例化教學(xué)措施有效提高了學(xué)生對(duì)本課程的興趣，學(xué)生對(duì)本課程的理論掌握程度和實(shí)踐能力都得到了較大提升。

關(guān)鍵詞：圖像處理;案例化;專題化;教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）19-0103-03

當(dāng)前，以經(jīng)典圖像處理理論為基礎(chǔ)、以最新機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法為代表的智能圖像分析與視頻處理技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用越來越廣泛[1]，實(shí)際產(chǎn)品落地的場(chǎng)景也越來越多，比如網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議、智能視頻分析、圖像識(shí)別與語義理解等。因此，國(guó)內(nèi)外高科技公司和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)圖像與視頻處理技術(shù)人才的需求日益增大。為了滿足社會(huì)需求，我國(guó)各大高校電子信息類相關(guān)專業(yè)比如廣播電視工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、數(shù)字媒體技術(shù)等都在本科階段開設(shè)了圖像與視頻處理類的課程，以使學(xué)生基本掌握?qǐng)D像與視頻處理的基礎(chǔ)理論、原理和實(shí)現(xiàn)方法，在圖像與視頻處理方面具有一定的開發(fā)和應(yīng)用能力，為在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域從事研究、開發(fā)和應(yīng)用打下扎實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

以南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院為例，目前南郵通信學(xué)院共有三個(gè)本科專業(yè)，即通信工程、電子信息工程和廣播電視工程，三個(gè)專業(yè)全都進(jìn)入國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)。其中電子信息工程和廣播電視工程都開設(shè)了圖像處理類專業(yè)課程，電子信息工程在大三下學(xué)期開設(shè)48課時(shí)的《數(shù)字圖像處理與圖像通信》，廣播電視工程在大三上學(xué)期開設(shè)40課時(shí)的《圖像與視頻處理》。此外，通信學(xué)院還在大三下學(xué)期為我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)工程和數(shù)字媒體技術(shù)等專業(yè)開設(shè)32課時(shí)的跨大類專業(yè)限選課《圖像與視頻處理》，供相近專業(yè)學(xué)生選修。目前，課程組教師在圖像處理類課程教學(xué)中，仍主要采用以教師講授為主的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，得到了一定的教學(xué)效果，并受到了學(xué)生認(rèn)可。但當(dāng)我們對(duì)教學(xué)實(shí)踐過程和效果進(jìn)行分析和總結(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)模式也存在一定的弊端。

本文首先根據(jù)圖像類課程的特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端進(jìn)行分析;之后，根據(jù)《圖像與視頻處理》課程初步進(jìn)行案例化教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，提出進(jìn)一步優(yōu)化圖像類課程案例化、專題化課堂教學(xué)模式的三個(gè)具體措施;最后，通過對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式與案例化教學(xué)模式的效果，驗(yàn)證了所提措施的有效性。

1 圖像類課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端

1.1 知識(shí)點(diǎn)講授分散

圖像與視頻處理技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，涉及的研究領(lǐng)域眾多，這也決定了圖像類課程的教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多樣，且有些知識(shí)點(diǎn)之間的基礎(chǔ)理論不同，內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立。以作者面向廣播電視工程專業(yè)所講授的40課時(shí)的《圖像與視頻處理》課程為例，教學(xué)大綱中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容包括：圖像與視頻處理基礎(chǔ)、圖像增強(qiáng)、形態(tài)學(xué)圖像處理、圖像分割、圖像與視頻壓縮編碼原理與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、圖像與視頻水印、圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)、圖像檢索和圖像識(shí)別等章節(jié)。

具體地，比如圖像增強(qiáng)與圖像復(fù)原從表面上看都是對(duì)降質(zhì)以后的圖像進(jìn)行質(zhì)量增強(qiáng)，以滿足人或機(jī)器對(duì)圖像觀察和識(shí)別的需求。但是這兩種圖像處理技術(shù)的目的和所利用的原理具有本質(zhì)區(qū)別。圖像增強(qiáng)方法不考慮圖像降質(zhì)的原因，也不要求改善后的圖像去逼近原始圖像，只是根據(jù)一定的要求對(duì)感興趣的部分進(jìn)行處理，如改善對(duì)比度、突出邊緣等。而圖像復(fù)原方法則需要針對(duì)圖像降質(zhì)的具體原因，從數(shù)學(xué)上或物理上建立圖像的降質(zhì)模型，設(shè)法使改善后的圖像盡可能逼近原始圖像，恢復(fù)降質(zhì)圖像的本來面目。由此可見，圖像復(fù)原相比圖像增強(qiáng)需要更多地利用數(shù)學(xué)原理，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)要求較高，在教學(xué)過程中需要對(duì)其原理進(jìn)行更多地講解，才能使學(xué)生理解其原理和實(shí)現(xiàn)步驟。

圖像類課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的多樣性和分散性決定了對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)需要采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，否則忽略知識(shí)點(diǎn)特性的區(qū)別而全部采用教師課堂講授的教學(xué)方式并一定能取得最優(yōu)的教學(xué)效果。

1.2 基礎(chǔ)理論講解難以深入

圖像與視頻處理的很多內(nèi)容都有其深厚的數(shù)學(xué)原理或物理模型，比如圖像數(shù)字化需要掌握二維奈奎斯特采樣定理、圖像銳化需要函數(shù)導(dǎo)數(shù)的概念、形態(tài)學(xué)圖像處理需要數(shù)學(xué)中集合論知識(shí)、基于主動(dòng)輪廓模型的圖像分割需要偏微分方程的原理、圖像壓縮編碼需要變換以及統(tǒng)計(jì)分布的知識(shí)等。因此圖像類課程的一個(gè)重要教學(xué)目標(biāo)就是要求學(xué)生掌握?qǐng)D像與視頻處理的基本概念和基本原理。但是，一方面圖像課程知識(shí)點(diǎn)眾多，另一方面在課時(shí)壓縮大背景下本課程課時(shí)也相對(duì)較少，導(dǎo)致分配給各個(gè)教學(xué)章節(jié)的課時(shí)大概只有3-4個(gè)課時(shí)。同時(shí)又因?yàn)槔碚撝v解通常較為枯燥[3]，學(xué)生不太愿聽長(zhǎng)時(shí)間的理論解釋，因此教師在講授各章節(jié)原理時(shí)常常點(diǎn)到即止，導(dǎo)致基礎(chǔ)理論講解難以深入。

但是基本原理的學(xué)習(xí)對(duì)圖像類課程至關(guān)重要[4]，如果學(xué)生對(duì)基本原理一知半解、囫圇吞棗，很難理解具體技術(shù)背后工作機(jī)理，后續(xù)想要做出創(chuàng)新性的研究和實(shí)踐工作是極其困難的。

1.3 實(shí)踐教學(xué)難以開展

圖像與視頻處理說到底是一種應(yīng)用科學(xué)[5]，圖像處理的原理和算法最終都是為了解決某一圖像處理實(shí)際問題，原理和算法只有對(duì)某種具體問題有效果才有其存在和發(fā)展的意義。比如Retinex理論常被用于圖像增強(qiáng)，正是因?yàn)榛赗etinex理論?？梢缘玫奖群?jiǎn)單的直方圖均衡化更好的圖像增強(qiáng)效果。圖像處理科學(xué)的這一特點(diǎn)就決定了其理論和實(shí)踐并重的特性，課程的教學(xué)目標(biāo)也明確規(guī)定學(xué)生應(yīng)該初步具備對(duì)圖像和視頻處理技術(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐和開發(fā)的能力。

但是在傳統(tǒng)單純課堂講授的教學(xué)模式下，教師沒有充裕的課堂時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)[6]。雖然課程組教師在課堂教學(xué)中適時(shí)引入演示性教學(xué)，如用Matlab或Python代碼演示算法的步驟和效果，提高了學(xué)生的課堂興趣和對(duì)原理的理解深度，但學(xué)生真正參與圖像課程實(shí)踐的機(jī)會(huì)還是比較少，較難獲得第一手的理解和認(rèn)識(shí)。

2 圖像類課程案例化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)措施

針對(duì)圖像類課程單純傳統(tǒng)課堂講授教學(xué)模式的弊端，課程組教師根據(jù)圖像類課程的特點(diǎn)積極探索和實(shí)踐了案例化、專題化課堂教學(xué)模式，建立了圖像類課程初步的案例化、專題化教學(xué)素材，取得了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，相比傳統(tǒng)講授教學(xué)模式有效提高了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣和參與度。下面對(duì)圖像類課程案例化、專題化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并提出進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)模式的三個(gè)措施。

2.1 結(jié)合最新進(jìn)展和科研項(xiàng)目的案例與專題建設(shè)

在初步進(jìn)行案例化教學(xué)實(shí)踐的過程中，發(fā)現(xiàn)案例化、專題化教學(xué)模式作為區(qū)別于傳統(tǒng)課堂講授的一種新型教學(xué)模式，其教學(xué)實(shí)效與所使用的案例化、專題化教學(xué)素材密切相關(guān)。圖像類課程知識(shí)點(diǎn)多樣，也并不是所有部分都適合進(jìn)行案例教學(xué)。因此，選擇哪些知識(shí)點(diǎn)來建設(shè)案例化、專題化教學(xué)素材就顯得至關(guān)重要。根據(jù)課程組的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們建議通過如圖1所示的步驟來建設(shè)案例化、專題化教學(xué)素材庫(kù)。

由圖1可見，采用案例化、專題化教學(xué)模式的基礎(chǔ)和前提是合理地將課程中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的歸納和梳理，挑選出適合案例化教學(xué)的知識(shí)模塊，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論最新研究進(jìn)展和教師科研項(xiàng)目建設(shè)案例化、專題化教學(xué)素材。

根據(jù)上述步驟，課程組建設(shè)的《圖像與視頻處理》案例化、專題化教學(xué)素材庫(kù)如下。素材庫(kù)均包括教學(xué)PPT、演示程序和相應(yīng)說明文檔。

（1）顏色空間及其轉(zhuǎn)換：1）在Matlab中讀入彩色圖像;2）利用程序完成RGB、CMYK、YUV、YCbCr、HSV等顏色空間的相互轉(zhuǎn)換，并將各分量圖像可視化，觀察其特性。

（2）圖像對(duì)比度增強(qiáng)：1）編程實(shí)現(xiàn)圖像灰度變換、基于直方圖均衡化和Retinex理論的圖像增強(qiáng)，將不同方法增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行對(duì)比;2）編程實(shí)現(xiàn)圖像鄰域平均、中值濾波，基于非局部相似性和稀疏表示的圖像去噪;3）利用Roberts、Prewitt、Sobel、Laplacian、LoG、Canny算子檢測(cè)圖像梯度。

（3）形態(tài)學(xué)圖像處理：1）二值形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算，包括腐蝕、膨脹、開、閉;2）編程實(shí)現(xiàn)二值圖像的形態(tài)學(xué)處理;3）灰度形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算;4）編程實(shí)現(xiàn)灰度圖像的形態(tài)學(xué)處理。

（4）圖像分割：1）基于灰度閾值化的圖像分割;2）基于邊緣檢測(cè)的圖像分割;3）基于區(qū)域的圖像分割;4）基于主動(dòng)輪廓模型的圖像分割。

（5）圖像與視頻壓縮編碼原理和標(biāo)準(zhǔn)：1）圖像熵編碼，包括游程編碼、哈夫曼編碼、算法編碼;2）幀內(nèi)與幀間預(yù)測(cè)的原理;3）變換編碼，編程實(shí)現(xiàn)圖像變換，如DCT、FFT、WT等，觀察變換系數(shù)的特性;4）靜態(tài)圖像JPEG、JPEG2000編碼標(biāo)準(zhǔn);5）視頻H.264、HEVC、AVS編碼標(biāo)準(zhǔn)。

（6）圖像與視頻文件格式：1）圖像文件格式，如BMP、GIF、JPEG等;2）視頻文件格式，如AVI、MPEG、RMVB、MP4等;3）流媒體文件格式。

（7）圖像水?。?）編程實(shí)現(xiàn)空間域基于最低有效位的水印算法，變換域基于DCT的圖像水印;2）水印的攻擊方法及對(duì)策。

（8）圖像與視頻的質(zhì)量評(píng)價(jià)：1）完成對(duì)小型圖像庫(kù)的主觀質(zhì)量評(píng)價(jià);2）編程實(shí)現(xiàn)全參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，包括MSE、PSNR、SSIM等。

（9）圖像與視頻檢索：1）編程實(shí)現(xiàn)圖像特征的提取，包括顏色、紋理、形狀、空間關(guān)系特征;2）完成小型圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索功能。

（10）圖像識(shí)別：1）編程實(shí)現(xiàn)基于支持向量機(jī)的圖像分類;2）編程實(shí)現(xiàn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別。

2.2 根據(jù)案例或?qū)ｎ}特點(diǎn)靈活選擇教學(xué)模式

案例式教學(xué)并不是要完全拋棄課堂講授方式，而是除了理論講解還具有更豐富的教學(xué)手段，比如通過演示程序展現(xiàn)圖像處理算法的效果、利用Matlab或Python強(qiáng)大的可視化工具對(duì)算法原理進(jìn)行分步驟展示、就某一案例或?qū)ｎ}讓學(xué)生參與程序?qū)崿F(xiàn)、就某一專題的最新研究進(jìn)展進(jìn)行小組討論學(xué)習(xí)等。由于不同案例或?qū)ｎ}的理論深度、程序?qū)崿F(xiàn)難度、最新理論進(jìn)展和應(yīng)用領(lǐng)域有所不同，在教師進(jìn)行案例化、專題化教學(xué)時(shí)就需要根據(jù)案例的特點(diǎn)靈活分配各教學(xué)手段的時(shí)間，才能達(dá)到最優(yōu)的案例化教學(xué)效果。不應(yīng)該對(duì)所有案例或?qū)ｎ}規(guī)定僵化的教學(xué)手段及時(shí)間分配，這就需要教師有較好的案例化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和良好的課堂把控能力。

以顏色空間及其轉(zhuǎn)換專題為例，此專題理論深度不算難，教師可讓學(xué)生在上課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，在課堂上可先用較少的時(shí)間對(duì)不同顏色空間及其特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，之后可用Matlab演示一幅圖像在不同顏色空間下的顏色分量，也可讓學(xué)生到講臺(tái)上對(duì)自己所實(shí)現(xiàn)的顏色空間轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行演示和解釋，其他同學(xué)可以就演示程序或效果中的問題進(jìn)行討論，最后由教師對(duì)顏色空間特性及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)。通過這種案例式、專題式的教學(xué)過程，學(xué)生對(duì)顏色空間及其轉(zhuǎn)換專題的理解深度和實(shí)踐能力都得到了極大提高。

2.3 根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)施案例差異化教學(xué)

不同專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)不同，甚至同一專業(yè)的一個(gè)教學(xué)班不同學(xué)生的基礎(chǔ)和個(gè)性也存在差異，比如有些學(xué)生可能不善言辭但編程能力較強(qiáng)，而有些學(xué)生善于表達(dá)但編程能力較弱。這就要求教師在實(shí)施案例化、專題化教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行差異化教學(xué)，才能得到更好的教學(xué)效果。

以小組討論形式的案例化教學(xué)為例，教師在課前根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行分組，使3到5名學(xué)生組成的小組中既有理論較好的學(xué)生，又有編程能力、表達(dá)能力較好的學(xué)生;之后為每個(gè)小組分配案例化學(xué)習(xí)素材，包括教材中的具體章節(jié)、相關(guān)的最新論文、初步示例代碼等;在課堂上教師先簡(jiǎn)要介紹理論要點(diǎn)，之后讓每組學(xué)生根據(jù)所做的程序和PPT進(jìn)行報(bào)告，別的同學(xué)對(duì)問題進(jìn)行質(zhì)疑和提問，最后教師對(duì)每組所做的程序和匯報(bào)進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。

通過這種基于學(xué)生特點(diǎn)的小組差異化案例教學(xué)方式，充分發(fā)揮了每個(gè)成員在小組中的作用和特長(zhǎng)，小組成員各司其職，共同完成案例學(xué)習(xí);同時(shí)，在準(zhǔn)備程序和匯報(bào)過程中，成員之間充分討論，互相學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使個(gè)人較弱的方面也逐漸得到提高。這種形式還模擬了求職中的小組群體面試和實(shí)際工作中的團(tuán)隊(duì)合作，鍛煉了學(xué)生的分析問題、解決問題的實(shí)踐能力，為學(xué)生后續(xù)求職和到企業(yè)工作打下較好的基礎(chǔ)。

2.4 傳統(tǒng)教學(xué)模式與案例化教學(xué)模式效果對(duì)比

傳統(tǒng)教學(xué)模式與案例化教學(xué)模式下對(duì)課程感興趣的學(xué)生比例、理論掌握較好和實(shí)踐能力較高的學(xué)生比例對(duì)比見表1?？梢妼?shí)施案例化教學(xué)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果得到了較大提升。

3 結(jié)語

探索案例化、專題化教學(xué)模式對(duì)于提升圖像類課程教學(xué)效果具有積極意義。本文根據(jù)圖像類課程的特點(diǎn)首先分析了傳統(tǒng)單純講授教學(xué)模式的弊端，在總結(jié)課程組初步實(shí)施案例化、專題化教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了進(jìn)一步優(yōu)化圖像類課程案例化、專題化課堂教學(xué)模式的三個(gè)具體措施，最后通過對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式和案例化教學(xué)模式的效果，驗(yàn)證了所提措施的有效性。希望這些建議措施能對(duì)兄弟院校圖像類課程的案例化改革實(shí)踐提供些許參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧官明，唐貴進(jìn)，崔子冠.數(shù)字圖像與視頻處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2] 崔文超，鄒俊杰，汪方毅，等.OBE理念下項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（6）：1031-1038.

[3] 張玲，吳發(fā)輝.混合式教學(xué)在高校圖形圖像處理課程中的運(yùn)用[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，30（12）：98-101.

[4] 陳芳，張道強(qiáng).基于研究性學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（12）：48-50.[

5] 郭琳琴，楊艷.《數(shù)字圖像處理數(shù)學(xué)方法》案例教學(xué)探討[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，30（6）：81-84.

[6] 裴正兵，田彩云.高校教師科研成果轉(zhuǎn)化教學(xué)案例意義、基礎(chǔ)與模式研究[J].高教學(xué)刊，2018（17）：82-85.

收稿日期：2021-09-27

基金項(xiàng)目：南京郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“專業(yè)課程案例化、專題化課堂教學(xué)模式的探索與實(shí)踐——以《圖像與視頻處理》為例”（項(xiàng)目編號(hào)：JG00219JX12）;南京郵電大學(xué)教學(xué)改革招標(biāo)研究項(xiàng)目“面向智慧光電的廣播電視工程專業(yè)改造升級(jí)路徑探索與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：JG00218JX01）

作者簡(jiǎn)介：崔子冠（1982—），男，河南鄭州人，博士，副教授，研究方向：圖像與視頻處理。