“數字圖像處理”理論與實踐相結合的教學模式

楊淑瑩 張 樺

摘要:“數字圖像處理”是一門理論與實踐、原理與應用緊密結合的課程,在課堂教學上需要增加理論實現技術的教學環節。本文提出一種面向理論與實踐相結合的教學模式,將教學模式從理論灌輸教育轉向更為務實的專業素質教育,進一步闡述提高課程教學質量的若干思路與舉措,為提高學生的實踐能力奠定堅實的基礎。

關鍵詞:圖像處理;教學模式;傅立葉變換

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1“數字圖像處理”課程教學改革的必要性

隨著計算機技術和相關算法的發展,數字圖像處理在工業自動化、機器人、雷達信號處理等領域都獲得了廣泛的應用。“數字圖像處理”課程是信息類相關專業的專業課,主要學習應用計算機對數字圖像進行分析和處理的基本理論、方法。要求學生在掌握有關圖像處理和圖像分析的基本概念、基礎理論、典型方法的基礎上,掌握一定的編程實踐技能,能夠利用計算機編程實現圖像信息的各種處理,如圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像分析、圖像編碼等。培養和增強學生創新意識和創新思維,提高實際動手能力和創新能力,為學生進一步學習計算機視覺、模式識別等課程奠定基礎。

“數字圖像處理”課程起點高、難度大,理論性和實踐性很強。傳統教學以理論介紹為主,強調理論的體系和概念,忽視理論的實現步驟,基本的編程代碼,造成學生在學習時,普遍感到理論的概念抽象,對理論的理解僅限于表面認識,很難看到理論的實際應用效果。面臨實際問題時,學生往往不知所措,不知從何下手,更談不上創新應用。面對這樣一門理論與實踐、原理和應用緊密結合的課程,學生們在學習中往往會碰到很多困難,既為數字圖像處理廣泛的應用前景所吸引,也常常困擾于課程的理論性,在一些繁雜的數學推導面前望而卻步,從而逐漸喪失學習興趣。這種局面的形成與長期以來的應試教育模式不無關系。

如今,我們大力提倡專業素質教育,注重培養學生的學習興趣和創造力,強調實踐和應用能力,力求把握本學科的基本思想方法,避免學生出現“只見樹木,不見森林”的現象。改革“數字圖像處理”課程的教學理念,提高其教學質量,將教育模式從應試教育轉向更為務實靈活的專業素質教育,這是擺在我們面前的一個迫切需要解決的課題。并以計算機類的“數字圖像處理”課程為例,闡述進一步提高課程教學質量的若干思路與舉措。

2注重理論與實踐相結合的教學模式

要想激發學生的學習興趣,激勵學生的創造性思維,就要在如何將枯燥的理論推導轉化為立竿見影的實際操作上下功夫。一方面需要在課堂教學中引入適當的圖例分析和編程處理實例,將復雜的算法以最直觀的方式展現在同學面前,將圖像處理前后的效果比較,通過演示算法來提高學生對理論的直覺感受,使原本很抽象的內容變得生動具體。同時,另一方面也需要滿足學生課后實踐的要求,針對一些典型的處理方法開設實驗,給學生提供邊學習邊實踐的機會,應用平時所學的知識,通過軟件編程實現,觀察處理之后的效果。不但可以鞏固所學知識,還可提高學生的動手能力。為了讓學生既能夠掌握基本理論,又能培養學生的動手能力。課堂教學注重理論與實踐相結合。本文提出教師在課堂教學上應提供“理論分析→作用演示→實現步驟→編程代碼→小結”的五個教學環節。

2.1理論分析環節

針對“數字圖像處理”課程所授內容離不開計算機編程實現,僅僅紙上談兵是不夠的。課堂上不能只介紹理論,使學生理論與實際相脫離,在實踐中無從下手。同時,課堂上也不能花大量的時間講解復雜的程序框架下的實現代碼。這就要求教師在課堂上既要闡述理論的分析、推理和作用,又要提供基于理論的處理方法,編程代碼,及實例應用分析,熏陶學生處理的思路和編程的技巧。

在這一環節上,教師需要循循善誘講解理論的推理和理論的作用。由于增加了其它的環節,在這一環節上較以前的講解應該更需簡練。在課程內容上堅決貫徹“少而精”原則,大力壓縮多年形成的過窄、過深和過繁的教學內容,為實踐性的教學環節,以及學生的創新能力和實踐能力培養爭取到了必要的時間和空間,這樣使學生打下堅實的基礎,有利于他們的進一步發展。

2.2理論作用演示環節

課堂上通過運行代碼,用來演示各種算法,學生可以見到理論應用到實際的效果,增加對理論的認識,掌握理論付諸于實踐的技術,同時提供各種算法的源代碼供學生參考學習。

2.3實現步驟環節

這一環節的目的是使學生能夠從整體上了解理論實現的步驟,為理解理論實現的軟件編程代碼打下基礎。講解實現步驟要啟發引導,簡明扼要。

2.4編程代碼環節

講解編程代碼的目的是讓學生掌握理論實現的具體方法和技巧,提供學生模仿手段,縮短學生理論聯系實際所需的探索時間,提高學生動手實踐能力。

2.5小結環節

目的是進一步對技術原理、作用和實現方法進行總結,將難點、重點小結,同時提出新的思考問題,讓學生思考和練習。

2.6新的教學模式應用

按照本文提出的五個教學環節,筆者以圖像頻域變換處理課堂講解方式為例,介紹這五個步驟的執行過程。

(1) 先介紹傅立葉頻域變換、理想低通濾波,理想高通濾波等基本理論。

(2) 教師利用教學輔助軟件,運行實例,進行理論驗證,見到理論作用,如圖1所示。(a)所示代表原圖,圖(b)、(c)、(d)分別顯示快速傅立葉變換、理想低通濾波和理想高通濾波的效果,從(c)、(d)幅圖非常容易理解理論的作用和效果。

(3) 介紹傅立葉頻域變換的實現步驟,具體為以下7個步驟:

① 獲取原圖像的數據區首地址、圖像的高度和圖像的寬度。

② 計算進行傅里葉變換的寬度和高度,這兩個值必須是2的整數次方。計算變換時所用的迭代次數,包括水平方向和垂直方向。

③ 行列順序依次讀取數據區的值,存儲到開辟的復數存儲區。

④ 調用一維快速傅里葉變換函數進行垂直方向的變換。

⑤ 轉換變換結果,將垂直方向的變換結果轉存回時域存儲區。

⑥ 調用一維傅里葉變換函數,在水平方向上進行快速傅里葉變換(步驟同上①—④)。

⑦ 將計算結果轉換成可顯示圖像,并將坐標原點移至圖像中心位置,使得圖像可以顯示整個周期頻譜。

(4) 筆者課堂教學軟件采用Visual C++ 6.0開發工具進行開發,介紹傅立葉頻域變換軟件核心代碼。

(5) 總結。對傅立葉變換的原理、作用和實現方法進行總結,強調難點、重點,同時對學生進行啟發式教學,讓學生思考理想低通濾波、理想高通濾波的實現步驟及軟件核心代碼的變化。

“作用演示”可以安排在“理論分析”之前,也可以放在“編程代碼”之后,或隨著講解的需要,隨時進行多次演示?！白饔醚菔尽狈旁凇袄碚摲治觥敝?能夠讓學生事先了解本次教學的內容,了解技術原理的作用,做到有的放矢,心中有數;“作用演示”放在“編程代碼”之后,可以進一步對教學內容進行總結。

3新教學模式對教師的要求

本文提出課堂教學分五個步驟,即“理論分析→作用演示→實現步驟→編程代碼→小結”,筆者認為這五個步驟相輔相成,缺一不可。教師在講解某種基本理論之后,采用啟發式教學講解實現步驟,讓學生了解算法的實現思路和方法,再進行軟件演示,進一步讓學生體會短小精悍的核心代碼編程語句,通過運行代碼,學生可以見到理論應用到實際的效果,增加對理論的認識,掌握理論付諸于實踐的技術。

“作用演示”需要教師課前對教學軟件進行開發或深入解讀源代碼,需要教師具備編程能力,及將理論與編程代碼相結合的解釋能力,客觀上對教師的要求更高。

4結語

本文根據“數字圖像處理”課程的具體特點,結合教學實踐,提出“理論分析→作用演示→實現步驟→編程代碼→小結”一系列改善教學效果的思路和舉措。這種教學方式將理論與實踐有機結合起來,學生可以從理論和實用的編程技巧兩方面掌握圖像處理技術,提高動手實踐能力,使學生認識更加具體、生動,牢固掌握所學知識,達到理論與實踐相結合的教學目標。我們在教學中強調理論算法與編程的有機結合,經過這種方式培養的學生能夠解決基本的圖像處理問題,同時可以按照教師提供的軟件平臺框架進行綜合處理,添加相應的代碼,創新出新的變換效果。課堂上學生學習熱情高,興趣濃厚;課下學生通過查資料、選擇設計方案、程序編寫與調試等一系列的工作解決新的實際問題,很大程度地提高了學生的學習主動性和創新能力。學生在設計思想、開拓意識、創新能力、科學素養和動手能力等方面得到了培養和鍛煉,感受到成功的喜悅和自我價值的實現,樹立了科技創新的信心。

教學改革是一項長期的任務,改革傳統重理論輕實踐的教學理念,將教學模式從理論灌輸教育轉向更為務實的專業素質教育,還需要持續深入的研究、探討和實踐。

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