基于“專創(chuàng)融合”的數字圖像處理課程教學改革與實踐

趙艷娜，黃春霞，周勇，賈偉寬，胡競文，鄭元杰

（1.山東師范大學 信息科學與工程學院，山東濟南 250014；2.山東師范大學 招生就業(yè)處（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院），山東濟南 250014；3.山東師范大學 共青團，山東濟南 250014）

1 數字圖像處理的學科特點

在獲取信息的過程中，視覺信息作為信息的重要來源，對于人的發(fā)展具有重要作用。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，數字圖像處理技術已在航空航天、生物醫(yī)學、軍事公安、工業(yè)等多個領域得到廣泛應用，與人們的日常生活密切相關，在推動社會發(fā)展、改善人民生活質量中起到了重要作用。

數字圖像處理是計算機科學與技術專業(yè)重要的必修課程、核心課程，是通信工程等相關專業(yè)的重要選修課程。數字圖像處理作為一門高度綜合的交叉邊緣學科，融合了計算機科學、傳感器、信號處理、光學、數學等學科[1]，主要講述了利用計算機技術對圖像進行去除噪聲、特征提取以及圖像增強、圖像分割、圖像復原等方面的理論和方法[2]。在一般的圖像處理過程中，首先通過攝取圖像、光電轉換等步驟進行圖像獲取，再進行圖像預處理，包括圖像增強、圖像恢復、幾何變換等，再進行圖像分割、特征提取、圖像識別、圖像理解分析[3]。圖像處理具有較強的綜合性，對于知識實踐應用能力要求較高，要求學生在理解復雜理論知識的基礎上進行工程實踐[4]。

數字圖像處理領域對大學生專業(yè)素質的基本要求如下：

（1）深刻理解并掌握圖像處理原理和理論基礎；

（2）具有出色的工程實踐能力，能夠獨立完成工程實踐項目[5]；

（3）具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識。

2 數字圖像處理領域踐行“雙創(chuàng)”教育的方法

數字圖像處理課程的培養(yǎng)目標是使學生掌握并理解課程的基本原理及理論知識，培養(yǎng)學生的應用能力和專業(yè)實踐能力，提高編程能力，使學生能夠利用數字圖像處理技術并結合創(chuàng)新意識進行實踐，從而培養(yǎng)出從事圖形處理工作的專門人才。教師應引導學生將理論知識與實踐能力相結合，開發(fā)創(chuàng)新點，解決在應用中遇到的實際問題[6]。隨著科技的進步，數字圖像處理技術迅速發(fā)展，并與其他應用學科融合，成為這些學科研究和發(fā)展的基礎[7]。人工智能的諸多應用，如圖像分析、行為識別等，都離不開數字圖像處理技術。

然而，傳統的數字圖像處理課程側重于知識的教授，未能與現實工程實踐相結合，容易導致學生脫離實際應用[8]。此外，圖像處理作為與科技進步緊密結合的學科，其知識更新速度快，基于課本知識的學習會導致學生不了解前沿的理論與應用，學習效果不佳。因此，眾多數字圖像處理培養(yǎng)改革方案被提出。溫旭云等提出了基于學生目標導向的數字圖像處理課程改革，主張以學生個體的就業(yè)目標為中心，由學生自主選擇學習通道，提高學生自我學習驅動力[9]。鐘必能等提出了以“翻轉課堂”為途徑，將項目教學融入日常教學的培養(yǎng)方案，主張廣泛利用線上平臺，解決書本知識更新慢、課堂教學沉悶的問題，提高學生的學習積極性[10]。賈永紅等提出了利用數字圖像處理慕課教學平臺實現線上線下相結合，增強師生互動，提高知識的差異性輔導，更好地發(fā)揮教師的引導作用[11]。

黨的十七大報告提出“促進以創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)”和“提高自主創(chuàng)新能力，建設創(chuàng)新型國家”的發(fā)展戰(zhàn)略。大學生群體具有較強的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力[12]。在高等學校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，促進高校畢業(yè)生充分就業(yè)創(chuàng)業(yè)，進而把我國建設成為創(chuàng)新型國家[13]。為了真正促進學生圖像處理工程實踐應用能力的提升，筆者提出基于“專創(chuàng)融合”的數字圖像處理教學改革，從教學手段、教學方法和實踐教學等方面進行探索。

3 基于“專創(chuàng)融合”的數字圖像處理課程改革實踐

3.1 構建“以學生為中心、以能力培養(yǎng)為引導”的數字圖像處理教學模式

積極探索理論與實踐相結合的教學模式，遵循理論與實踐并重，強化應用能力培養(yǎng)的四個教學環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 四個教學環(huán)節(jié)

（1）理論分析。

現有教材的數字圖像處理理論內容存在多、繁、雜的特點，有些內容理論性較強，學習起來比較枯燥，且不能反映當前技術的最新進展，學生容易喪失學習興趣。為此，筆者在理論分析環(huán)節(jié)進行教學改革，教學時貫徹“少而精”的原則，刪除一些陳舊的內容，結合當前人工智能的發(fā)展現狀，增加新的內容，如圖像特征描述子、卷積神經網絡等，為實踐教學環(huán)節(jié)留出更多時間，使學生在實踐的基礎加深對知識的理解。

（2）理論驗證。

理論驗證環(huán)節(jié)結合動畫、demo 等進行展示，增強理論學習的直觀性和趣味性，使學生快速理解理論，增強學習的興趣，為后續(xù)編程實現和綜合實踐打下基礎。

（3）流程設計。

流程設計環(huán)節(jié)采用框圖、算法流程圖等方式，使學生從整體上掌握理論實現的步驟以及實現過程中所涉及的知識點。

（4）編程實現。

編程實現環(huán)節(jié)采用難易結合的方式，對課本基本理論，如簡單的圖像運算、直方圖均衡化、圖像空余濾波等，提供示例代碼，及時讓學生理論聯系實際進行實踐，讓學生快速上手，體會到學習的樂趣。待學生基本熟悉了數字圖像處理的流程后，教師逐步提高難度，布置一些綜合性較強的題目，如JPEG 圖像壓縮、細胞分割與計數，進一步提高學生動手實踐能力和解決實際問題的能力。

新的教學方式將理論與實踐緊密結合，將傳統的知識學習與新技術結合，詳略得當，難易適中，提高了學生的學習興趣，使學生由被動接受知識轉為主動學習、主動實踐，實現“以學生為中心、以能力培養(yǎng)為引導”的教學目標。

3.2 完善教學案例，構建基于案例的課堂教學方法

近年來，隨著人工智能在圖像處理方面的成功應用，智能安防、智慧醫(yī)療、智能交通、工農業(yè)自動化等方面的應用案例和產品涌現。百度公司的AI 開放平臺，開放了若干與圖像處理開發(fā)相關的資源，谷歌、騰訊等高科技公司也提供了類似的資源。以Paperwithcode、GitHub 為代表的開源網站提供了豐富的學習與應用資源。筆者根據多年來從事計算機視覺、圖像處理方面的研究經驗，建設了可用性與操作性強、基礎性與發(fā)展性并重的教學案例庫。

教學案例既要結合當前人工智能的研究熱點，又要結合教材內容，選擇案例的原則如下：

（1）代表性原則。案例應該是學生熟悉的內容，易于理解且學生能夠獨立完成，能提高學生的學習興趣，能夠反映圖像處理的關鍵理論知識和算法。

（2）實用性原則。案例能夠讓學生利用課程所學解決現實生活中遇到的一些問題，能夠實現理論聯系實際。

（3）啟發(fā)性原則。案例設計堅持基礎性與擴展性結合的原則，加入綜合案例。綜合案例給予學生思考的余地和創(chuàng)新的空間，訓練學生獨立思考、查閱文獻解決問題的能力。鼓勵學生使用Python 完成綜合實驗，同時鼓勵學生使用Pytorch 等深度學習工具。部分應用案例與知識點對應如表1 所示。

表1 部分課程知識點與相應案例

由表1 可以看出，有些案例對應單個知識點，如對比度增強和圖像增強；有些案例涉及多個知識點，如天空分割、道路分割、圖像搜索、車牌識別、人臉識別、人像動漫化等。以人像動漫化為例，其涉及人臉檢測、人臉分割和處理，頭發(fā)檢測、頭發(fā)分割和處理，基于深度學習的生成對抗網絡等。數字圖像處理大部分知識點都采用以案例引出問題，激發(fā)學生的學習興趣，進而采用演示法和實驗法相結合的方式進行教學。

3.3 基于開放實驗室及校企合作開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動

創(chuàng)新是社會進步的靈魂，創(chuàng)業(yè)是推動社會經濟發(fā)展的重要途徑。大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主要體現在結合“互聯網+”，利用所學專業(yè)知識進行實踐，真正實現學有所用，在“雙創(chuàng)”項目中實現對圖像處理領域專業(yè)知識和理論的深刻理解[14]。筆者根據近幾年指導大學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽的經驗，提出基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的數字圖像處理改革實踐，實踐框圖如圖2所示。筆者選取基于數字圖像處理課程指導學生參與“雙創(chuàng)”項目的實例——數字圖像處理在園區(qū)安防的應用探索，介紹“雙創(chuàng)”競賽與圖像處理教學的融合。

圖2 基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的數字圖像處理課程改革實踐

園區(qū)安防系統架構圖如圖3 所示。該系統利用人臉識別技術，對檢測到的人臉信息進行一系列相關技術分析，包括人臉識別預處理、人臉圖像采集、比對識別等，得到不同神態(tài)、不同角度的人臉照片作為訓練集。利用配置卷積神經網絡模型，結合訓練集進行測試，通過多輪訓練與測試集進行比對，不斷優(yōu)化，提高識別精度。接著將識別的信息上傳至云平臺，進行可視化展示，若發(fā)現非園區(qū)可疑人員，系統會發(fā)出警報，及時通知安防人員查看情況；若檢測到園區(qū)人員，系統可自動進行打卡、統計工時。這一系統可以有效實現人員管理、智慧安防、智能簽到，能夠真正推動智慧社區(qū)、智慧工廠、智慧園區(qū)的建設，讓科技融入生產生活。該項目獲得了第六屆“互聯網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽山東省中國國際省金獎，極大地提高了學生學習數字圖像處理課程的熱情。

圖3 園區(qū)安防系統架構圖

3.4 課程考核

數字圖像處理課程既有理論知識講解，也有上機實踐和綜合實踐。因此，該課程不僅要考查學生的理論知識，還要考查學生的實踐能力。理論內容的考核采取基礎知識問卷的形式，題型包括填空、選擇、簡答、計算，讓學生理解和掌握課程的理論基礎知識，為實踐提供理論支持；實踐能力的考核兼顧基礎性和發(fā)展性，基礎性算法根據課程內容選擇，如直方圖均衡、空域濾波、頻域濾波、邊緣檢測等，擴展性內容結合人工智能領域的最新進展，在學期中和學期末分別布置一項內容。實踐能力的考核要求學生進行實驗結果演示，并按照要求完成實驗報告。通過理論和實踐兩方面的考核，促進了學生理論和實踐能力的提高。實驗報告的書寫，有助于提高學生的科技文檔書寫能力，為學生進一步深造打下基礎。

4 結語

數字圖像處理作為一門理論與實踐并重的專業(yè)課程，要求學生能夠活學活用理論知識，利用技術解決實際問題。本文首先分析了數字圖像處理課程的特點，提出了基于“專創(chuàng)融合”的數字圖像處理課程改革，從教學手段、教學方法和實踐教學等方面進行了探索。筆者結合指導創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的經驗，列舉了大學生在數字圖像處理領域結合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的實踐思路和方向，提出把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿數字圖像人才培養(yǎng)全過程，以期提高該課程的教學質量，培養(yǎng)符合社會發(fā)展需求的實踐型人才。