圖像處理教學(xué)與科研共建模式研究

黃朝兵　楊杰　李慶　鄭林　許建霞

摘要：針對(duì)圖像處理課程體系理論抽象、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，分析傳統(tǒng)教學(xué)注重理論和概念而忽略實(shí)現(xiàn)過(guò)程和應(yīng)用實(shí)踐的問(wèn)題，提出建立圖像處理教學(xué)與科研共建模式的觀點(diǎn)，闡述豐富課程教學(xué)體系內(nèi)容、將科研思想方法運(yùn)用于教學(xué)過(guò)程、讓學(xué)生在項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)中選題等3個(gè)方面的具體實(shí)施方法。關(guān)鍵詞：教學(xué)；科研；共建模式；圖像處理

0 引言

教學(xué)是高校的基本任務(wù)，而科研則是高校深化教學(xué)改革、提高辦學(xué)水平的強(qiáng)勁動(dòng)力。教學(xué)和科研是相互依存、相互促進(jìn)、不可分割的統(tǒng)—體。堅(jiān)持教學(xué)與科研并重，科研為教學(xué)服務(wù)的思想，一方面可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源與科研資源共享，豐富和更新教學(xué)內(nèi)容，改善教學(xué)條件；另一方面有利于拓展學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)I生和創(chuàng)造性，為科研提供人才資源。圖像處理課程體系與科研實(shí)踐結(jié)合非常緊密，適于進(jìn)行教學(xué)與科研相互促進(jìn)的研究與實(shí)踐，我們?cè)谶@方面進(jìn)行了一些探索和嘗試，取得了良好的效果。

1 分析課程體系特點(diǎn)，規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，吸納優(yōu)秀科研成果，使課程內(nèi)容具有先進(jìn)性和實(shí)踐性

1.1 課程體系的特點(diǎn)

圖像處理課程體系由數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、數(shù)字視頻處理等課程組成，涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)字信號(hào)處理、信息論與編碼、VC++程序設(shè)計(jì)等支撐課程，主要內(nèi)容包括包括數(shù)字圖像、視頻處理與識(shí)別技術(shù)的基本概念、原理、算法及應(yīng)用，具有如下特點(diǎn)：

1）內(nèi)容抽象，理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。

該課程體系內(nèi)容涉及面廣、理論抽象、算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程不直觀，同時(shí)與實(shí)際生活聯(lián)系十分緊密。傳統(tǒng)教材內(nèi)容以理論介紹為主，強(qiáng)調(diào)理論的體系和概念，忽略理論的實(shí)現(xiàn)步驟、基本的編程代碼和應(yīng)用過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，理論與實(shí)踐脫節(jié)，對(duì)理論的理解僅限于表面認(rèn)識(shí)，不知道如何去應(yīng)用，也看不到應(yīng)用的效果。遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)，學(xué)生不知從何下手，更談不上創(chuàng)新。

2）內(nèi)容發(fā)展更新快，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和硬件成本的降低，圖像、視頻處理與識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，理論和技術(shù)不斷推陳出新。目前在工業(yè)和工程、智能交通、軍事和公安、航天和航空、生物和醫(yī)學(xué)工程、通信工程、電子商務(wù)、文化藝術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用，新的理論和方法不斷涌現(xiàn)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃和設(shè)計(jì)

教師將最新科研成果引入課堂教學(xué)并介紹新知識(shí)和學(xué)科前沿，同時(shí)將學(xué)術(shù)論文等科研成果作為參考材料布置給學(xué)生課后閱讀，進(jìn)而達(dá)到豐富課程內(nèi)容的目的。教學(xué)內(nèi)容要保證理論的系統(tǒng)性和實(shí)際應(yīng)用的可操作性，同時(shí)還要在一定的程度上反映新的科研成果和學(xué)科前沿，如圖像分割、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)特征計(jì)算與識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償?shù)确矫娴慕?jīng)典算法和新算法，以及在Matlab或VC++編程環(huán)境下各種算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1.3 教師的科研方向與主講課程緊密結(jié)合

大學(xué)教師有別于專職科研人員，不能脫離教學(xué)搞科研，教師的科研選題應(yīng)該盡可能與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，將研究方向與主講課程相結(jié)合，積極開(kāi)展與授課內(nèi)容相關(guān)的圖像視頻處理與識(shí)別領(lǐng)域的課題研究。教師在自己的專業(yè)領(lǐng)域通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)期的研究與探索，熟悉內(nèi)容并有深入的見(jiàn)解，形成自己的特色，并取得一些研究成果，可以很方便地將優(yōu)秀科研成果充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，增強(qiáng)課程內(nèi)容的先進(jìn)性和實(shí)踐性，使教學(xué)和科研相互促進(jìn)，同步發(fā)展。

2 將科研思想、方法和成果運(yùn)用于教學(xué)過(guò)程中，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性

2.1 將科研思想、方法滲透到教學(xué)過(guò)程中

在圖像、視頻處理與識(shí)別相關(guān)課程的緒論和主要技術(shù)章節(jié)的開(kāi)頭部分給出問(wèn)題產(chǎn)生的背景介紹以及在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生思考、分析探究各種不同算法產(chǎn)生的思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，使學(xué)生了解知識(shí)的背景、形成和發(fā)展。

2.2 在教學(xué)中引入科研實(shí)例和科研成果

教師在教學(xué)中引入科研實(shí)例和科研成果，理論聯(lián)系實(shí)際，從而使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，激發(fā)學(xué)習(xí)和探究的興趣，如車牌識(shí)別、指紋識(shí)別、運(yùn)動(dòng)船舶識(shí)別等問(wèn)題。在車牌識(shí)別問(wèn)題中，有如下幾個(gè)步驟：對(duì)獲取的含有車牌的圖像依次進(jìn)行增強(qiáng)處理、車牌區(qū)域定位、車牌區(qū)域分割、字符分割、字符識(shí)別，包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、漢字英文字符和數(shù)字的識(shí)別等技術(shù)。在指紋識(shí)別問(wèn)題中，要依次進(jìn)行指紋圖像增強(qiáng)、指紋區(qū)域分割、指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)特征提取、指紋匹配等處理，涉及圖像增強(qiáng)、圖像分割、細(xì)節(jié)點(diǎn)的判別和坐標(biāo)計(jì)算、基于點(diǎn)模式的細(xì)節(jié)點(diǎn)特征匹配等技術(shù)方法。在運(yùn)動(dòng)船舶識(shí)別問(wèn)題中，需要進(jìn)行如下處理：運(yùn)動(dòng)船舶檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)船舶特征計(jì)算、與獲取的AIS信息關(guān)聯(lián)匹配、運(yùn)動(dòng)船舶識(shí)別，涉及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)特征計(jì)算、AIS信息解析、特征關(guān)聯(lián)匹配等技術(shù)方法。

2.3 采用結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)的課程考核

在一門課程結(jié)束后，教師設(shè)計(jì)一些由學(xué)生完成的小型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)，作為該課程的考核內(nèi)容，這種方式要求學(xué)生在掌握基本原理和方法后，通過(guò)查閱相關(guān)資料，解決一些實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題。我們?cè)诖T士研究生選修課數(shù)字視頻處理的考核中，采用了這種考核方式，提供20個(gè)小型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)，如“混合高斯背景建模及更新方法的實(shí)現(xiàn)與分析”“CodeBook碼本模型背景建模及更新方法的實(shí)現(xiàn)與分析”“Camshift運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的實(shí)現(xiàn)與分析”“基于Kalman濾波的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的實(shí)現(xiàn)與分析”“基于團(tuán)塊的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的實(shí)現(xiàn)與分析”“多目標(biāo)跟蹤及計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)與分析”“運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度計(jì)算的實(shí)現(xiàn)與分析”“動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，基于全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)及分析”等。開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual C++2010、OpenCV或Matlab，考核包括項(xiàng)目應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、演示運(yùn)行、結(jié)果分析、答辯和提交項(xiàng)目報(bào)告。學(xué)生通過(guò)完成小型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)，加深了對(duì)算法原理的理解，了解了該方面的發(fā)展現(xiàn)狀，提高了程序設(shè)計(jì)能力，收到了很好的效果。

3 讓學(xué)生參加科學(xué)研究和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，從科研中選題，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力endprint

教師可以從科研課題和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，提煉出一些關(guān)鍵問(wèn)題作為本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目和研究生畢業(yè)論文的選題，讓學(xué)生參加科學(xué)研究和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，提高學(xué)生自主研究意識(shí)和創(chuàng)新能力。 3.1 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)選題

在指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，我們從課題組老師所承擔(dān)的項(xiàng)目中，提取一些關(guān)鍵問(wèn)題供學(xué)生作為選題，如“基于質(zhì)心的多目標(biāo)跟蹤及應(yīng)用”“基于車輛軌跡的交通違法行為檢測(cè)”“基于MulfiGenCreator視景仿真系統(tǒng)”“虛擬海洋環(huán)境視景仿真技術(shù)”“基于特征提取的人臉檢測(cè)與定位技術(shù)”“基于視頻的水上運(yùn)動(dòng)船舶視頻檢測(cè)技術(shù)”“基于OpenCV的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法的研究與實(shí)現(xiàn)”“指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)特征提取算法”“基于區(qū)域相關(guān)的圖像拼接技術(shù)”“圖像區(qū)域特征描述及實(shí)現(xiàn)”等。這些選題結(jié)合實(shí)際課題具有現(xiàn)實(shí)意義，將理論與實(shí)際相結(jié)合，可以引發(fā)學(xué)生濃厚的興趣，同時(shí)可以做出一些有意義的研究。其中“多目標(biāo)圖像分割”“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在手寫數(shù)字識(shí)別中的應(yīng)用”“基于FPGA的RS編譯碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”“基于機(jī)器視覺(jué)的零部件精密測(cè)量技術(shù)研究”“基于LabView的瓶口缺陷檢測(cè)研究”等畢業(yè)論文獲得湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文。

3.2 研究生畢業(yè)論文選題

在碩士研究生的培養(yǎng)過(guò)程中，我們一般要求研究生結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目開(kāi)展研究與開(kāi)發(fā)，從項(xiàng)目研究與開(kāi)發(fā)的任務(wù)和問(wèn)題中選題，一種方法是參加導(dǎo)師承擔(dān)的項(xiàng)目，第二種方法是到有項(xiàng)目的實(shí)習(xí)單位實(shí)習(xí)參加項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)。近3年來(lái)，項(xiàng)目組老師與航運(yùn)學(xué)院老師、武漢嘉業(yè)恒科技有限公司共同承擔(dān)海事信息化項(xiàng)目，參與這些項(xiàng)目的碩士研究生的選題有：“船載應(yīng)急無(wú)線示位標(biāo)（EPIRB）定位算法仿真”“視頻監(jiān)控系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)船舶檢測(cè)與速度提取算法的研究”“海事圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤與攝像機(jī)標(biāo)定研究”“基于視頻圖像的內(nèi)河石油泄漏檢測(cè)技術(shù)研究”“基于運(yùn)動(dòng)船舶視頻的背景建模算法研究”“基于機(jī)器視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)”“基于視頻的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡提取系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)”“內(nèi)河航道目標(biāo)的特征識(shí)別與分類算法研究與實(shí)現(xiàn)”“船橋碰撞檢測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”“霧雪天氣下視頻圖像清晰化技術(shù)的研究”等。研究生到中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中鐵大橋局武漢橋梁科學(xué)研究院、寧波三星電氣股份公司、武漢市尚吉電子研究所等單位實(shí)習(xí)參與國(guó)家自然科學(xué)基金和其他地方基金研究及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，選題有“基于PCB板檢測(cè)的AOI關(guān)鍵算法研究”“脊椎手術(shù)導(dǎo)航中的2D/3D圖像配準(zhǔn)”“基于Hadoop的海量日志分析計(jì)算”“圖像法動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其工程應(yīng)用”“PDF417二維條形碼編解碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”“基于幾何活動(dòng)輪廓模型的醫(yī)學(xué)圖像分割算法研究”“超聲彈性成像全局位移場(chǎng)算法研究”“基于視頻的車流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”等。由于參與實(shí)際項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā)，選題和研究開(kāi)發(fā)成果都具有學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有的論文被評(píng)為優(yōu)秀碩士論文，有的論文發(fā)表在國(guó)內(nèi)重要期刊和國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上。

4 結(jié)語(yǔ)

把科學(xué)研究引入圖像處理課程體系教學(xué)中，新的科研成果和學(xué)科前沿進(jìn)教材、進(jìn)課堂，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，拓展了學(xué)生的知識(shí)面。把從事科學(xué)研究所必須具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)、科學(xué)素養(yǎng)、洞察能力滲透到課程教學(xué)中，從科研課題中提取關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)豐富實(shí)踐教學(xué)的題源，讓學(xué)生參與項(xiàng)目研究和開(kāi)發(fā)，提高了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的探究意識(shí)、創(chuàng)新精神和研究能力。只有以科研促進(jìn)教學(xué)、教學(xué)帶動(dòng)科研、堅(jiān)持教學(xué)與科研并舉，才能使培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生滿足社會(huì)發(fā)展的需要，成為具有工作能力、合作意識(shí)、創(chuàng)新能力的專門人才。

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（編輯：孫怡銘）endprint