蘊(yùn)含辯證唯物主義的圖像頻譜教學(xué)實(shí)踐

［摘 要］ 圖像頻譜蘊(yùn)含豐富的辯證唯物主義基本原理，為課程思政與專業(yè)知識(shí)的深度融合提供平臺(tái)。近年來，基于結(jié)構(gòu)光照明的單像素成像技術(shù)發(fā)展迅猛，該技術(shù)為逐個(gè)提取圖像頻譜分量提供了途徑。針對(duì)圖像頻譜分析和處理，提出基于結(jié)構(gòu)光照明的教學(xué)方案。此方案通過結(jié)構(gòu)光圖案空域和頻域的聯(lián)系，闡述圖像信息空域頻域這兩種表現(xiàn)形式的對(duì)立統(tǒng)一。依據(jù)結(jié)構(gòu)光照明逐步獲取圖像頻譜的具體步驟，此方案進(jìn)一步深入闡述圖像信息空域和頻域所對(duì)應(yīng)的事物普遍聯(lián)系和對(duì)立統(tǒng)一的辯證唯物主義基本原理，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)和思想政治教育的雙重目標(biāo)。最后，通過分析不同頻譜分量在表達(dá)圖像信息中的地位，聯(lián)系辯證唯物主義抓住主要矛盾、兼顧次要矛盾的方法論，闡明圖像頻域處理的指導(dǎo)思想。此方案將圖像頻譜分析處理與辯證唯物主義原理相結(jié)合，將專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)與政治素養(yǎng)培育相結(jié)合，以辯證唯物主義指導(dǎo)圖像分析和圖像處理，從科學(xué)世界觀和方法論的角度審視圖像頻譜分析和處理，有助于引導(dǎo)學(xué)生將思想政治學(xué)習(xí)與專業(yè)學(xué)習(xí)有機(jī)融合，成為具有馬克思主義世界觀的綜合型人才。

［關(guān)鍵詞］ 結(jié)構(gòu)光照明；圖像頻譜；對(duì)立統(tǒng)一；辯證唯物主義

［基金項(xiàng)目］ 2021—2024年國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于時(shí)空調(diào)制技術(shù)的生物組織光聲顯微成像研究”（12074191）；2022年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“光電專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程規(guī)劃及校內(nèi)實(shí)踐基地建設(shè)”（221003584104912）

［作者簡(jiǎn)介］ 姚 潔（1977—），女，江蘇無錫人，博士，南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事光聲信息處理研究；朱 婕（1999—），女，江蘇南通人，南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2021級(jí)光學(xué)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光照明光聲顯微成像；張昕?。?002—），男，江蘇泰州人，南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2020級(jí)光電信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光照明單像素成像。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）36-0109-05 ［收稿日期］ 2023-07-30

習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，做好高校思想政治工作，要因事而化、因時(shí)而進(jìn)、因勢(shì)而新［1］。2020年5月，教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量［2］。在專業(yè)課程中融入思政教育，是高校實(shí)現(xiàn)德育與智育相融合、協(xié)同育人的有效途徑。課程思政改革緊跟科技發(fā)展前沿，融入新研究成果，也是高等教育發(fā)展的根本要求。

頻譜是信號(hào)所攜帶信息的另一種表現(xiàn)形式，它與時(shí)域（一維信號(hào)）或空域（二維信號(hào)）所展現(xiàn)的強(qiáng)度分布截然不同，充分體現(xiàn)矛盾對(duì)立統(tǒng)一這一辯證唯物主義核心規(guī)律?！靶盘?hào)與系統(tǒng)分析”“數(shù)字信號(hào)處理”和“數(shù)字圖像處理”等課程是涉及信號(hào)頻譜最多的專業(yè)課程，也是當(dāng)前實(shí)施課程思政教學(xué)改革比較活躍的領(lǐng)域［3-7］。目前，相關(guān)課程思政的研究尚未涉及信號(hào)頻域的辯證唯物主義內(nèi)涵，頻域蘊(yùn)含的豐富的馬克思主義基本原理有待進(jìn)一步挖掘。近十年，基于結(jié)構(gòu)光照明的單像素成像技術(shù)以其廣泛的適用性和優(yōu)異的靈活性得到圖像研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注［8-9］。不同于常用的傅里葉變換，基于傅里葉條紋的結(jié)構(gòu)光照明，能夠獨(dú)立提取圖像的頻譜分量，便于學(xué)生體會(huì)空域、頻域的相互關(guān)系，從而理解圖像信息空域與頻域的對(duì)立統(tǒng)一。因此，采用結(jié)構(gòu)光照明分析圖像頻譜，有助于構(gòu)建橋梁，連接圖像頻譜專業(yè)知識(shí)與辯證唯物主義矛盾論，在專業(yè)課程中塑造科學(xué)世界觀。

筆者提出運(yùn)用結(jié)構(gòu)光照明單像素成像技術(shù)來闡釋圖像信息空域、頻域的對(duì)立統(tǒng)一，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用事物普遍聯(lián)系、對(duì)立統(tǒng)一這一基本原理去理解圖像頻譜的意義和地位。在此基礎(chǔ)上，通過分析不同頻譜分量對(duì)圖像信息的貢獻(xiàn)不同，展現(xiàn)矛盾的普遍性和特殊性，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用抓住主要矛盾、兼顧次要矛盾的科學(xué)方法論指導(dǎo)圖像分析和處理。本教學(xué)方案嘗試將圖像信息處理的專業(yè)知識(shí)與馬克思主義基本原理相結(jié)合，切實(shí)踐行高等教育立德樹人根本任務(wù)。

基于結(jié)構(gòu)光照明的圖像頻譜教學(xué)實(shí)踐

實(shí)現(xiàn)圖像頻譜處理與辯證唯物主義的教學(xué)融合，需要對(duì)現(xiàn)有的圖像頻譜的教學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整。首先，我們采用結(jié)構(gòu)光照明獲得圖像頻譜分量，闡明圖像空域與頻譜信息的聯(lián)系。其次，我們由結(jié)構(gòu)光照明獲取的圖像頻譜反向重構(gòu)圖像，通過對(duì)比原圖和重構(gòu)圖，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)圖像空域和頻域聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到兩種表現(xiàn)形式的對(duì)立統(tǒng)一。再次，我們采用圖像頻譜的不同部分重構(gòu)圖像，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到不同頻譜分量對(duì)圖像的貢獻(xiàn)，進(jìn)而引出主要矛盾和次要矛盾，引導(dǎo)學(xué)生以馬克思主義方法論指導(dǎo)圖像處理。最后，根據(jù)課后作業(yè)，我們從專業(yè)知識(shí)和思想政治兩個(gè)角度對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并作為過程性考核的一個(gè)組成部分。

（一）圖像空域與頻域的對(duì)立統(tǒng)一

結(jié)構(gòu)光照明單像素成像是將照明光調(diào)制成特定的圖案，照射到成像對(duì)象上，通過單個(gè)換能器接收包含目標(biāo)空間分布的信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理獲取目標(biāo)圖像的成像手段。傅里葉條紋是常用的結(jié)構(gòu)光照明圖樣，表現(xiàn)明暗相間的條紋圖，條紋沿橫向變化的周期個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)空間頻率分量kx，同樣，縱向變化的周期個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)縱向分量ky。圖1分別給出空間頻率（kx，ky）分別為（3，0）、（0，3）和（3，3），在這三種情況下空域的光強(qiáng)分布和頻域的頻譜分布。由圖可見，空域的條紋在頻域中對(duì)應(yīng)兩個(gè)亮點(diǎn)，每對(duì)亮點(diǎn)關(guān)于中心對(duì)稱，表示一個(gè)頻率分量。

傅里葉條紋充分體現(xiàn)了圖像信息空域和頻域的對(duì)立統(tǒng)一。首先，空域的光強(qiáng)分布和頻域的頻譜分布都表征了相同的圖像信息。數(shù)學(xué)上，它們可以通過二維傅里葉變換相互轉(zhuǎn)換，且一一對(duì)應(yīng)，這是二者的統(tǒng)一。其次，圖像的空域和頻域是截然不同的表現(xiàn)形式，其變化規(guī)律也相互對(duì)立。空域充滿整個(gè)圖像的明暗條紋在頻域僅僅對(duì)應(yīng)一對(duì)亮點(diǎn)，形貌大相徑庭，充分體現(xiàn)二者的對(duì)立。傅里葉條紋空域形式和頻域形式這一對(duì)矛盾有助于理解傅里葉條紋的正交性。不同的傅里葉條紋（kx，ky）不同，對(duì)應(yīng)頻域不同的亮點(diǎn)。因此，從頻域角度看，不同的傅里葉條紋相乘為零，從而能夠?qū)⑺鼈兯鶖y帶的信息完全區(qū)分，這也是結(jié)構(gòu)光照明單像素成像的基礎(chǔ)。

正交的傅里葉條紋結(jié)構(gòu)光為獲取圖像任意頻率分量提供的方法。例如，空間頻率為kx=ky=3的傅里葉條紋結(jié)構(gòu)光具有四個(gè)不同的初相位——0，π/2，π和3π/2，如圖2第一行所示。將這四種結(jié)構(gòu)光照射到圖像上（Matlab圖像“照相者”），得到結(jié)果如圖2第二行所示，對(duì)應(yīng)所有像素光強(qiáng)求和即為探測(cè)器獲得四個(gè)測(cè)量值D0，D1，D2和D3。根據(jù)D0～D3，采用下式，可以獲得相應(yīng)圖像頻譜系數(shù)F（kx，ky）。

F（kx，ky）=（D2-D0）+i（D3-D1）

通過四次結(jié)構(gòu)光照明，可以得到圖像的一個(gè)頻率分量，即圖像頻譜中的一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于由256×256個(gè)像素構(gòu)成的圖像“照相者”［圖3（a）］，其頻譜大小也是256×256。依據(jù)頻譜的共軛對(duì)稱性，測(cè)量一半的頻譜分量即可獲得完整的圖像頻譜，一共需要進(jìn)行4×128×256次結(jié)構(gòu)光照明。在這一過程中，教師可以選擇在任一環(huán)節(jié)將圖像頻譜通過傅里葉反變換觀察重構(gòu)圖，體會(huì)圖像空域與頻域的聯(lián)系。

當(dāng)所有頻譜分量均獲取后，圖像的原圖、頻譜圖和重構(gòu)圖分別如圖3（a）、（b）和（c）所示。對(duì)比原圖和重構(gòu)圖可見，從人物到背景，從天空到海水，原圖與由頻譜重構(gòu)的圖像處處吻合。這表明，由單獨(dú)獲取的頻譜分量組合的圖像信息是完備的，它與圖像空域所表達(dá)的信息一致。對(duì)比圖像及其頻譜，結(jié)合頻譜的獲取過程，有助于深化對(duì)圖像空域和頻域這一對(duì)矛盾的理解。首先，頻域分布與空域分布不存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由結(jié)構(gòu)光照明獲取傅里葉系數(shù)可知，對(duì)于頻域中每一個(gè)頻譜分量，我們必須采用整幅圖像與傅里葉結(jié)構(gòu)光相乘，才能得到對(duì)應(yīng)的系數(shù)。空域中的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)每個(gè)頻譜分量都有貢獻(xiàn)，二者存在緊密聯(lián)系。其次，頻域和空域遵循的規(guī)律不同。頻域存在對(duì)稱性，經(jīng)一半頻譜分量，即可獲得整個(gè)圖像信息。圖像空域不存在任何對(duì)稱性，256×256個(gè)像素元少任何一個(gè)，圖像都是不完整的?？沼蚝皖l域沒有任何相似之處，充分展現(xiàn)了二者的區(qū)別。最后，原圖、頻譜和重構(gòu)圖這三者有力證實(shí)頻域和空域的統(tǒng)一，充分反映事物是普遍聯(lián)系的這一辯證唯物主義原理。圖像空域和頻域相互區(qū)別、相互對(duì)立，是圖像信息的不同表達(dá)方式，二者本質(zhì)上是一致的。

（二）圖像處理與辯證唯物主義基本原理相結(jié)合

頻域圖像處理需要以辯證唯物主義作為指導(dǎo)思想。不同頻譜分量在表達(dá)圖像信息中占據(jù)不同的地位，具有不同的影響。以圖像“照相者”所表達(dá)的信息為例，低頻分量占據(jù)圖像信息的主體，為主要矛盾，高頻信息為次要矛盾。將經(jīng)結(jié)構(gòu)光照明獲取的圖像頻譜分量一分為二，一部分為25％的低頻分量，另一部分為剩余75％的高頻分量，如圖4第一行所示。對(duì)應(yīng)圖像頻譜經(jīng)傅里葉反變換獲得的重構(gòu)圖，如圖4第二行所示。

由25％低頻分量重構(gòu)的圖像中，照相者、相機(jī)、三腳架、遠(yuǎn)處的建筑物，以及照相者的面部細(xì)節(jié)、海水波紋均清晰可辨，重構(gòu)圖保留了原圖的大部分信息。由75％高頻分量生成的重構(gòu)圖中，海水、遠(yuǎn)處建筑物毫無蹤跡，模模糊糊似乎能夠看到有人在用相機(jī)照相，但是只能看到輪廓，具體情況無法辨別。以辯證唯物主義的視角來看，25％的低頻分量為圖像信息的主體，處理好少量低頻分量，即抓住了圖像處理這一問題的主要矛盾。75％高頻分量是圖像信息的次要矛盾，圖像處理中集中精力處理主要矛盾的同時(shí)兼顧次要矛盾，即可滿足應(yīng)用需求。以唯物辯證法抓主要矛盾、兼顧次要矛盾的方法論來指導(dǎo)圖像頻譜處理，有望得到事半功倍的效果。可見，辯證唯物主義作為基本的世界觀和方法論，是專業(yè)實(shí)踐的重要指導(dǎo)思想。

（三）引導(dǎo)學(xué)生挖掘圖像處理蘊(yùn)含的辯證唯物主義基本原理

圖像頻譜和圖像處理包含豐富的內(nèi)容，辯證唯物主義同樣博大精深。在結(jié)構(gòu)光照明和圖像重構(gòu)的教學(xué)基礎(chǔ)上，教師通過小組作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)更多的圖像處理知識(shí)和技能，并挖掘其中所蘊(yùn)含的豐富的辯證唯物主義基本原理。這些研究可以是一些目前知識(shí)的延展。比如，同樣的處理，不同的圖像效果不同，這對(duì)應(yīng)辯證唯物主義具體問題具體分析的要求。又比如，量變、質(zhì)變的原理可以通過圖像重構(gòu)體現(xiàn)出來。圖5給出了“照相者”在不同采樣率情況下的頻譜分布和相應(yīng)的重構(gòu)圖。由圖5可見，通過結(jié)構(gòu)光照明采集的頻譜分量越多，重構(gòu)圖的恢復(fù)質(zhì)量越好。當(dāng)保留的頻譜分量占比50％時(shí)，重構(gòu)圖與原圖相似度為0.75左右。隨著采樣率的下降，重構(gòu)圖質(zhì)量不斷退化。當(dāng)頻域保留的頻譜分量?jī)H為1％時(shí)，重構(gòu)圖中背景和人體面部糊化嚴(yán)重，與原圖的結(jié)構(gòu)相似度下降為0.58，圖像信息缺失嚴(yán)重。這一轉(zhuǎn)變充分體現(xiàn)量變引起質(zhì)變這一辯證唯物主義基本原理。

專業(yè)知識(shí)與政治教育的融合，需要進(jìn)一步在評(píng)價(jià)方式上體現(xiàn)。教師根據(jù)學(xué)生情況，對(duì)學(xué)生提交的研究作業(yè)從專業(yè)和政治思想兩個(gè)角度進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，此部分內(nèi)容應(yīng)作為過程性考核的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過作業(yè)，學(xué)生在實(shí)踐圖像處理專業(yè)知識(shí)和技能的同時(shí)，能夠主動(dòng)從辯證唯物主義的角度審視這些知識(shí)和技能，將專業(yè)知識(shí)與思想政治理論相結(jié)合。這有助于青年學(xué)生形成科學(xué)的世界觀和方法論，成長(zhǎng)為國(guó)家需要的新型人才。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)光照明為逐個(gè)提取圖像頻譜分量提供了強(qiáng)有力的工具。采用結(jié)構(gòu)光照明的方式獲取圖像頻譜，能夠更為形象地展現(xiàn)圖像信息二者表現(xiàn)形式的對(duì)立統(tǒng)一，體現(xiàn)辯證唯物主義基本原理。以馬克思主義世界觀和方法論指導(dǎo)圖像頻譜分析和處理，能夠從圖像信息表達(dá)到圖像信息處理的教學(xué)全過程踐行教育部對(duì)高等教育提出的發(fā)揮好每門課程育人作用的要求。

參考文獻(xiàn)

［1］習(xí)近平在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程 開創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］.人民日?qǐng)?bào)，2016-12-09（1）.

［2］教育部.關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知：教高〔2020〕3號(hào)［A/OL］.（2020-05-28）［2023-05-30］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［3］李利，陳剛.淺談“信號(hào)與系統(tǒng)”課程思政育人融入［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（6）：47-51.

［4］張林，王艷芬，蘆楠楠.“數(shù)字信號(hào)處理”課程思政探索與實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（1）：65-68.

［5］李艷鳳，陳后金，彭亞輝，等.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程思政教學(xué)案例的探索與實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（4）：67-70.

［6］徐昕，楊蕾，陳東，等.新工科背景下信號(hào)與系統(tǒng)課程思政教學(xué)探索與實(shí)踐［J］.高教學(xué)刊，2023，9（16）：188-191+196.

［7］劉紅毅，張軍，張崢嶸.“數(shù)字圖像處理”課程思政教學(xué)實(shí)踐：以圖像變換單元為例［J］.教育教學(xué)論壇，2021（50）：129-132.

［8］劉嚴(yán)嚴(yán)，杜玉萍.計(jì)算成像的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2019，34（5）：21-24.

［9］周博，王昆浩，陳良怡.結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡重建算法研究進(jìn)展（英文）［J］.中國(guó)光學(xué)（中英文），2022，15（6）：1211-1227.

Teaching Practice of Dialectical Materialism in Image Spectrum

YAO Jie， ZHU Jie， ZHANG Xin-jian

（School of Physics and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing，

Jiangsu 210023， China）

Abstract： The image spectrum contains rich basic principles of dialectical materialism， providing a platform for the deep integration of ideological and professional knowledge. In recent years， single pixel imaging technology based on structured light illumination has developed rapidly， providing a way to extract image spectral components one by one. This article proposes a teaching plan based on structured light illumination for image spectrum analysis and processing. This scheme explains the unity of opposites between the spatial and frequency domains of image information through the connection between spatial and frequency domains of structured light patterns. Based on specific steps of obtaining image spectra through structured light illumination， this scheme further elaborates on the basic principles of dialectical materialism that correspond to the universal connection and opposition unity of things， achieving the dual goals of professional knowledge and ideological and political education. Finally， by analyzing the role of different spectral components， and connecting with the methodology of dialectical materialism to grasp the main contradiction， the guiding ideology of image frequency domain processing is elucidated. This plan combines image spectrum analysis and processing with the principles of dialectical materialism， combines professional knowledge learning with political literacy cultivation， guides image analysis and processing with Marxist dialectical materialism， and examines image spectrum analysis and processing from the perspective of scientific worldview and methodology. It helps guide students to organically integrate ideological and political learning with professional learning， and become comprehensive talents with a Marxist worldview.

Key words： structured light illumination; image spectrum; unity of opposites; dialectical materialism