《數(shù)字圖像處理》實踐教學(xué)探討

趙峰 安志勇 孫述和

山東工商學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，煙臺 264005

《數(shù)字圖像處理》實踐教學(xué)探討

趙峰 安志勇 孫述和

山東工商學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，煙臺 264005

“數(shù)字圖像處理”是信息類專業(yè)普遍開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是掌握課程內(nèi)容的關(guān)鍵。本文針對該課程實踐教學(xué)中存在的問題，從編程語言、實踐內(nèi)容 、實驗方式等方面進行了改革探討。實踐表明，這些改革措施利于提升教學(xué)效果,對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力起著重要作用。

數(shù)字圖像處理； 教學(xué)改革；實踐教學(xué)

digital image processing; teaching reform;practice teaching

引言

數(shù)字圖像處理是當(dāng)今信息處理技術(shù)中發(fā)展很快且應(yīng)用面很廣的新興學(xué)科。在我國高校諸多信息類專業(yè)的課程設(shè)置中,數(shù)字圖像處理一般被安排為本科生的基礎(chǔ)課程。作為一門開放性的交叉學(xué)科，數(shù)字圖像處理是一門理論與實踐、原理與應(yīng)用結(jié)合緊密的課程[1-2]。因此，以有效開展實踐教學(xué)為出發(fā)點，本文基于當(dāng)前數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合筆者多年的教學(xué)實踐體會，從編程語言、實踐內(nèi)容 、實驗方式等方面進行了改革探討。實踐證明，這些改革措施不僅有助于理解和消化課程所涉及的抽象理論和方法，更有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實踐能力。

1、編程語言選擇

作為圖像處理理論和方法的實現(xiàn)工具，編程語言選擇是否恰當(dāng)，對實驗效果具有重要的影響。通過對比各種程序語言的特點以及我們的實踐教學(xué)體會，Matlab語言作為圖像處理的編程語言比較理想[3-4]。

不可否認，通常情況下，信息類專業(yè)的學(xué)生對Matlab語言了解不多甚至沒有接觸，而對C語言或C++語言掌握的相對較好。但是，數(shù)字圖像處理在計算機中主要表現(xiàn)為二維矩陣的變換和操作，采用CC++實現(xiàn)特別復(fù)雜。比如，讀寫B(tài)MP格式圖像文件，C語言程序代碼就有數(shù)千行之多。另外，數(shù)字圖像所涉及的一些理論和方法，如傅立葉變換、小波變換，這些內(nèi)容對一些學(xué)生而言，本來就掌握的不是很透徹，更不要說編程實現(xiàn)了。因此，如果采用CC++進行程序?qū)崿F(xiàn)，容易讓學(xué)生陷入繁雜的編程細節(jié)中，失去了學(xué)習(xí)興趣，不利于圖像內(nèi)容的理解和把握。

Matlab語言具有相當(dāng)強大的矩陣運算和操作功能，而且其圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，從而大大節(jié)省了編寫低層次算法代碼的實踐，利于學(xué)生擺脫繁雜的程序編寫，將主要精力放在算法研究和理論理解上，加深了對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，提高了學(xué)生靈活運用知識、分析與解決問題的能力。

當(dāng)然，Matlab語言涵蓋的內(nèi)容特別廣泛，學(xué)生接觸甚少，同時課程學(xué)時相對有限，讓學(xué)生全面掌握Matlab語言是不現(xiàn)實的，也是沒有必要的。考慮到編程語言的目的是為了更好的理解把握圖像處理的理論和方法，起到“學(xué)以致用”的效果。因此，我們對Matlab語言講授上，采用“用多少學(xué)多少”的原則。即在簡單介紹Matlab的一些常用命令、基本矩陣和運算、基本編程等基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，只介紹當(dāng)前圖像處理理論和方法所涉及到的Matlab函數(shù)。如直方圖處理，只介紹imhist與histeq兩個函數(shù)；頻域增強處理，重點介紹fft2與ifft2等相應(yīng)函數(shù)。這樣就避免學(xué)生將太多精力放在繁瑣的編程上，而把重點放在理論和方法的理解上，能更有效地運用圖像處理的方法解決一些實際問題。

2、實踐內(nèi)容改革

數(shù)字圖像處理由于其應(yīng)用遍及諸多領(lǐng)域，隨著新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理方法和技術(shù)很難體現(xiàn)現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的方法和思維,對發(fā)展和探索性的內(nèi)容反映太少,難以適應(yīng)學(xué)科交叉綜合發(fā)展的需要,勢必會與培養(yǎng)適應(yīng)時代發(fā)展要求的復(fù)合型人才目標(biāo)相違背，因此，針對實際需要，將新方法、新技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)中，是數(shù)字圖像處理課程實施改革的重要環(huán)節(jié)。

在實踐內(nèi)容上中，我們主要進行了如下幾點嘗試。①將一些應(yīng)用性問題引入實踐教學(xué)。如人臉識別問題，在門襟監(jiān)控、海關(guān)檢查、刑偵破案等方面具有重要的影響，但由于光照、噪聲等因素的影響，識別之前需要對人臉進行預(yù)處理，這就設(shè)計圖象銳化、去噪等方法的運用?；谶@些內(nèi)容的實踐，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生一種“學(xué)有所用”的成就感。②將一些生活中的問題引入實踐教學(xué)。圖像處理是一門與現(xiàn)實生活聯(lián)系比較密切的課程，因此，將生活中的一些問題引入實踐教學(xué)，能充分調(diào)動學(xué)生的內(nèi)在動力和個性思維及想象力。如直方圖處理、線性變換實驗，圖像素材都是同學(xué)們平時拍得生活照，讓學(xué)生分析圖像的特點，然后采用相應(yīng)的處理方法進行增強。相比采用教材書上的圖像素材，這種方式指導(dǎo)指導(dǎo)學(xué)生進行實驗，學(xué)習(xí)積極性更高。③將一些新的圖像處理方法引入實踐教學(xué)。作為一門開放性的課程，圖像處理的理論和方法不斷完善和更新，因此，及時地將一些新方法、新技術(shù)引入到實踐教學(xué)中，利于啟發(fā)學(xué)生進行深入探討，挖掘?qū)W生的探新潛力。如圖像識別環(huán)節(jié)，我們將核方法進行了介紹，使學(xué)生對線性識別與非線性識別有了深刻的理解，為將來從事創(chuàng)新工作打下基礎(chǔ)。

3、實踐方式改革

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)過于重視直觀教學(xué)和鞏固所學(xué)理論知識,實驗手段相對單一。為了改善這方面的局面，在實踐方式改革方面，我們的體會如下。

3.1 注意課堂演示。課堂演示一方面是為了加深學(xué)生對一些理論和方法的理解，增強學(xué)生的直觀認識；另一方面，通過演示代碼的講解，讓學(xué)生對編程語言有了一個相對全面的掌握，為后繼的實驗課編程提供了方便。

3.2 注意采用多種實驗方式相結(jié)合。數(shù)字圖像處理的實踐內(nèi)容比較豐富，同時又受課時的限制，因此，采用傳統(tǒng)的上機實驗，不僅無法完成實踐教學(xué)內(nèi)容，也不利于提高學(xué)生解決實際問題的能力。所以，我們采用了多種實驗方式相結(jié)合。①對于研究性問題，我們采用分小組進行實驗。就是提出一個問題，讓學(xué)生以小組為單位，利用所學(xué)知識，進行解決。這種方式將數(shù)字圖像處理實踐視為一個團隊的集體行為，需要同學(xué)之間、師生之間相互的交流，密切合作，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力、動手操作能力和創(chuàng)新能力。②對于生活聯(lián)系密切的問題，采用課外進行實驗。即讓學(xué)生利用課余時間，運用圖像處理方式，去解決發(fā)生在身邊的問題。如利用直方圖均衡化去處理一些日常生活照片。③上機實驗。充分利用實驗室條件，精心設(shè)置實驗內(nèi)容，讓學(xué)生在相對集中的時間內(nèi)解決一些圖像處理問題。

4、結(jié)語

數(shù)字圖像處理是一門理論性和實踐性并重的學(xué)科，應(yīng)用能力的培養(yǎng)是課程教學(xué)的主要目標(biāo)之一。近年來,隨著學(xué)校加大對實驗室建設(shè)的投入,實驗室的資源不僅有數(shù)量上的增長,更有質(zhì)的飛躍。如何利用現(xiàn)有的資源，結(jié)合圖像處理的新理論和新算法，進行有效的數(shù)字圖像實踐教學(xué)，教學(xué)改革的一項長期任務(wù)。本文結(jié)合多年的教學(xué)體會，從教材、內(nèi)容和方法等環(huán)節(jié)進行了一些改革嘗試。實踐效果表明，這些改革嘗試，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利用培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。但是有關(guān)課程改革的內(nèi)容遠遠不止這些，在未來的工作中，我們將繼續(xù)努力，進一步深入探討教學(xué)改革中面臨的一些問題。

[1]周海芳.“數(shù)字圖像處理”課程研討式教學(xué)[J].計算機教育,2010,24:93～97

[2]李樹濤.基于理論-設(shè)計-實踐的數(shù)字圖像處理研究性教學(xué)模式研究[J].高等理科教育,2009,5:58～61

[3]柏均,閆紅梅,張鳴.Matlab 在“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中的利弊分析[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報,2010,32(4):82 ～86

[4]趙珊,劉靜.數(shù)字圖像處理課程實踐教學(xué)的改革與設(shè)計[J].中國科技信息.2009,23:226～227

Practice Teaching Exploration on Digital Image Processing

Zhao Feng, An Zhiyong, Sun Shuhe

School of Computer Science and Technology, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai,264005, China

The course of Digital Image Processing is one of the professional core courses for the undergraduates of electronics and information specialty. Effective practice teaching process is a key to well understand the content of this course. In view of the existing problems of practice teaching, this paper introduces the practice teaching reform activities of the course,which include program design language, practice content and practice methods. Through reform,it enhances the teaching effect, arouses students’ ability to innovate, and improves the students’ practical capacity.

G642.0

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.148

國家自然科學(xué)基金項目（60970105），山東省軟科學(xué)項目（2010RKGA2062），校級重點教學(xué)研究項目（2009K07）

趙峰（1974～），男，山東梁山人，副教授，研究方向：圖像處理、模式識別。