圖像的數(shù)字化探究

駱瑩瑩 現(xiàn)就職于南京師范大學附屬中學樹人學校力人校區(qū)。一級教師，江蘇省南京市鼓樓區(qū)學科帶頭人，南京市鼓樓區(qū)優(yōu)秀青年教師，南京市鼓樓區(qū)先進教育工作者，曾獲南京市優(yōu)質(zhì)課評比一等獎、南京市教師基本功比賽一等獎，曾主持省級課題、市級個人課題，負責省級信息技術(shù)教材教參中人工智能板塊的編寫等。多年來一直承擔信息學編程社團、科技社團的工作，所帶學生分獲全國各類比賽一等獎、二等獎。

教學背景

本節(jié)為初中人工智能課程中“圖像處理基礎”的第一課，目前沒有可以直接參考的教材，筆者重點參考了商湯平臺和高中教材中的相關(guān)內(nèi)容，在此基礎上，根據(jù)初中生的特點設計了新的教學小程序“找不同”，激發(fā)學生的學習興趣，借此幫助學生理解圖像數(shù)字化存儲方式，通過圖像相減，簡單了解數(shù)字圖像處理應用，并為后面學習圖像數(shù)組等知識做鋪墊，貼合2022年新課標要求。

學情分析

教學對象為八年級學生，學生有一定的程序設計基礎，對圖像處理有一定的生活經(jīng)驗，但是大部分學生對圖像在計算機內(nèi)部的存儲過程并不了解，所以對本節(jié)課圖像數(shù)字化的內(nèi)容存在一定的認知難度。八年級學生愛動手操作，對圖像的直觀表現(xiàn)有著極大的興趣，因此，本課結(jié)合小程序“找不同”，能用程序直觀地看到圖像數(shù)字的存儲與簡單處理，使學生容易并樂于掌握本課新知。

教學目標

理解二值圖、灰度圖、RGB圖在計算機內(nèi)部的數(shù)字化存儲（信息意識、計算思維）；模仿并實現(xiàn)“找不同”的小程序，初步了解數(shù)字圖像處理的應用（數(shù)字化學習與創(chuàng)新、計算思維）；了解什么是圖像的數(shù)字化及圖像數(shù)字化的過程（信息意識）；了解圖像處理是人工智能的技術(shù)之一，能辯證看待人工智能的影響（信息社會責任）。

教學重難點

教學重點 理解圖像數(shù)字化的存儲與過程；開展簡單圖像處理方法的實踐，編程實現(xiàn)“找不同”小程序。

教學難點 理解圖像數(shù)字矩陣的存儲形式是數(shù)字圖像處理的前提。

教學過程

一、游戲?qū)?，引入課題

師：找不同的游戲大家一定都玩過，請同學們找出下面兩幅圖的不同點，如圖1。

學生仔細觀察，教師展示用計算機程序?qū)崿F(xiàn)自動找出圖片不同點的效果，如圖2。

師：通過計算機“找不同”程序可以準確、高效地找到不同之處，其中關(guān)鍵詞subtract表示“相減”，本例中即為實現(xiàn)兩張圖像的相減。那么，圖像可以相減的前提是什么？

學生思考并討論。

教師解答：因為圖像在計算機內(nèi)部是以數(shù)字的形式保存的，即圖像的數(shù)字化。

設計意圖：通過小游戲?qū)?，活躍課堂氛圍，引起學生興趣、引入新課內(nèi)容，并為后續(xù)內(nèi)容做鋪墊。

二、圖像的數(shù)字化

1.二值圖像的數(shù)字化

師：二值圖像即黑白圖像，每個像素點均為黑色或者白色，一般用來描述字符圖像，其優(yōu)點是占用空間少。那么二值圖像在計算機內(nèi)部是如何存儲的呢？我們先將問題簡化——截取蜘蛛的左半邊爪子，并縮小為10×10像素，如圖3。

然后利用imread()函數(shù)讀入本地圖像。再運行程序，輸出內(nèi)部存儲結(jié)果，如圖4。

學生上機實踐，教師巡視指導。

教師總結(jié)：輸出結(jié)果是一個10行10列的數(shù)字矩陣，可知二值圖像在計算機內(nèi)部是一個二維的數(shù)字矩陣，其中，黑色像素點對應的數(shù)值為0，白色像素點對應的數(shù)值為255。

設計意圖：引導學生觀察思考二值圖像在計算機內(nèi)部的存儲方式，即數(shù)字矩陣，理解Python程序中圖像處理庫讀入圖像、打印圖像數(shù)值函數(shù)的使用方法，培養(yǎng)學生的計算思維。

2.灰度圖像的數(shù)字化

師：我們的世界不是只有黑和白，從黑到白還有中間過渡的灰色，下面我們繼續(xù)研究灰度圖像的數(shù)字化?；叶葓D像是指只包含不同明暗，不包含任何彩色的圖像。

同樣將問題簡化為10×10的灰度圖蜘蛛爪，利用程序讀入灰度蜘蛛爪圖像，如圖5。

學生預測灰度圖像的數(shù)字化形式，教師運行程序，驗證學生猜想并得出結(jié)論：輸出結(jié)果是一個10行10列的數(shù)字矩陣，純白色的像素點對應數(shù)值255，純黑色的像素點對應數(shù)值0，灰度像素點對應數(shù)值范圍是0~255，可知灰度圖在計算機內(nèi)部也是一個二維的數(shù)字矩陣。

打開“找不同”小程序，教師引導學生一起揭秘：兩幅圖片的不同，體現(xiàn)在計算機內(nèi)部就是數(shù)字矩陣的不同。所以用程序找出兩幅圖片的不同就是將兩個數(shù)字矩陣相減，方法是對應位相減，因此兩幅圖像的大小需要完全一致。兩個數(shù)字矩陣相減的結(jié)果還是一個數(shù)字矩陣，即對應著一幅新的圖像。而且相同的值相減得0（黑色），不同的值相減得0~255（灰白色）。

師：將下面這組圖片（如圖6）相減后，程序能找到不同的地方嗎？如果不能，你可以試試調(diào)整圖片的讀入方式（提示：將程序中“，0”去掉），想想看原因是什么呢？

學生操作實踐。教師展示學生作業(yè)并反饋：彩色圖片包含的數(shù)據(jù)信息更豐富，是三維數(shù)字矩陣，單一矩陣無法計算。

設計意圖：從二值圖像過渡到灰度圖像，學生非常容易理解這一簡單的圖像處理操作——圖像相減，通過“找不同”小程序，感受圖像數(shù)字化對圖像處理的作用，培養(yǎng)學生的信息意識、計算思維等能力。最后讓學生體驗彩色圖像的相減，為接下來RGB彩色圖像數(shù)字化及圖像數(shù)字化過程設置懸念。

3.RGB圖像的數(shù)字化

師：RGB圖像在計算機中是以三通道的方式存儲的，即三維數(shù)字矩陣，每個像素點包含三個數(shù)值，代表RGB三色合成。

教師利用Windows電腦自帶的顏色合成程序，展示[168，247，250]三個數(shù)值合成的顏色，提醒學生注意168對應B、247對應G、250對應R通道。

師：圖像數(shù)字化是將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，它是進行數(shù)字圖像處理的前提。圖像數(shù)字化的過程為先采樣，然后將圖像量化，最后再編碼。不同量化等級的圖像效果是不一樣的，如圖7。

教師鼓勵學有余力的學生自主在網(wǎng)上下載圖片，試一試圖像加與減的效果，如圖8，并注意要利用圖像處理軟件將兩張圖像的大小調(diào)整一致。

設計意圖：引導學生理解RGB圖像數(shù)字化以及圖像數(shù)字化的過程，并嘗試實踐圖像數(shù)字矩陣處理的更多方法，拓展學生的思維，提升數(shù)字化學習與創(chuàng)新的能力。

三、課堂小結(jié)

教師邀請學生談談自己的收獲，總結(jié)本課所學知識，提出問題：為什么有時需要將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像？

學生思考并討論。

師：自然界中，顏色本身非常容易受到光照的影響，RGB變化很大，反而灰度圖像更能提供本質(zhì)的信息。而且存儲方式由三通道轉(zhuǎn)為單通道后，運算量大大減少，加快了人工智能的計算速度。其實人工智能的本質(zhì)就是計算，希望大家能夠辯證地看待人工智能。

教學反思

人工智能課程該怎么上？是否一定要借助器材或者平臺？是否只是淺顯的體驗？這是我在設計本課時一直思考和想要解決的問題。本課根據(jù)初中生的特點，借助Python語言這一強大的第三方庫，結(jié)合“找不同”小程序的編程游戲，讓學生趣味地學習圖像的數(shù)字化，啟蒙學生對人工智能中圖像處理的理解，為后續(xù)的學習打下堅實的基礎。