圖像處理教學與科研共建模式研究

黃朝兵　楊杰　李慶　鄭林　許建霞

摘要：針對圖像處理課程體系理論抽象、應用性強的特點，分析傳統教學注重理論和概念而忽略實現過程和應用實踐的問題，提出建立圖像處理教學與科研共建模式的觀點，闡述豐富課程教學體系內容、將科研思想方法運用于教學過程、讓學生在項目研究開發中選題等3個方面的具體實施方法。關鍵詞：教學；科研；共建模式；圖像處理

0 引言

教學是高校的基本任務，而科研則是高校深化教學改革、提高辦學水平的強勁動力。教學和科研是相互依存、相互促進、不可分割的統—體。堅持教學與科研并重，科研為教學服務的思想，一方面可以實現教學資源與科研資源共享，豐富和更新教學內容，改善教學條件；另一方面有利于拓展學生的知識面，提高學生學習的主動I生和創造性，為科研提供人才資源。圖像處理課程體系與科研實踐結合非常緊密，適于進行教學與科研相互促進的研究與實踐，我們在這方面進行了一些探索和嘗試，取得了良好的效果。

1 分析課程體系特點，規劃教學內容，吸納優秀科研成果，使課程內容具有先進性和實踐性

1.1 課程體系的特點

圖像處理課程體系由數字圖像處理、模式識別、數字視頻處理等課程組成，涉及到數據結構與算法、數字信號處理、信息論與編碼、VC++程序設計等支撐課程，主要內容包括包括數字圖像、視頻處理與識別技術的基本概念、原理、算法及應用，具有如下特點：

1）內容抽象，理論性和實踐性很強。

該課程體系內容涉及面廣、理論抽象、算法實現過程不直觀，同時與實際生活聯系十分緊密。傳統教材內容以理論介紹為主，強調理論的體系和概念，忽略理論的實現步驟、基本的編程代碼和應用過程，導致學生在學習時，理論與實踐脫節，對理論的理解僅限于表面認識，不知道如何去應用，也看不到應用的效果。遇到實際問題時，學生不知從何下手，更談不上創新。

2）內容發展更新快，應用領域不斷拓展。

隨著計算機技術的發展和硬件成本的降低，圖像、視頻處理與識別技術的應用領域不斷拓展，理論和技術不斷推陳出新。目前在工業和工程、智能交通、軍事和公安、航天和航空、生物和醫學工程、通信工程、電子商務、文化藝術等方面有著廣泛的應用，新的理論和方法不斷涌現。

1.2 教學內容的規劃和設計

教師將最新科研成果引入課堂教學并介紹新知識和學科前沿，同時將學術論文等科研成果作為參考材料布置給學生課后閱讀，進而達到豐富課程內容的目的。教學內容要保證理論的系統性和實際應用的可操作性，同時還要在一定的程度上反映新的科研成果和學科前沿，如圖像分割、運動目標檢測、目標特征計算與識別、運動目標跟蹤、運動估計與補償等方面的經典算法和新算法，以及在Matlab或VC++編程環境下各種算法的實現過程。

1.3 教師的科研方向與主講課程緊密結合

大學教師有別于專職科研人員，不能脫離教學搞科研，教師的科研選題應該盡可能與教學內容相關聯，將研究方向與主講課程相結合，積極開展與授課內容相關的圖像視頻處理與識別領域的課題研究。教師在自己的專業領域通過較長時期的研究與探索，熟悉內容并有深入的見解，形成自己的特色，并取得一些研究成果，可以很方便地將優秀科研成果充實到教學內容中，增強課程內容的先進性和實踐性，使教學和科研相互促進，同步發展。

2 將科研思想、方法和成果運用于教學過程中，增強學生學習的主動性和創造性

2.1 將科研思想、方法滲透到教學過程中

在圖像、視頻處理與識別相關課程的緒論和主要技術章節的開頭部分給出問題產生的背景介紹以及在現實生活中的應用，讓學生思考、分析探究各種不同算法產生的思路和實現過程，使學生了解知識的背景、形成和發展。

2.2 在教學中引入科研實例和科研成果

教師在教學中引入科研實例和科研成果，理論聯系實際，從而使學生明確學習目的，激發學習和探究的興趣，如車牌識別、指紋識別、運動船舶識別等問題。在車牌識別問題中，有如下幾個步驟：對獲取的含有車牌的圖像依次進行增強處理、車牌區域定位、車牌區域分割、字符分割、字符識別，包括圖像增強、圖像分割、漢字英文字符和數字的識別等技術。在指紋識別問題中，要依次進行指紋圖像增強、指紋區域分割、指紋細節點特征提取、指紋匹配等處理，涉及圖像增強、圖像分割、細節點的判別和坐標計算、基于點模式的細節點特征匹配等技術方法。在運動船舶識別問題中，需要進行如下處理：運動船舶檢測、運動船舶特征計算、與獲取的AIS信息關聯匹配、運動船舶識別，涉及運動目標檢測、目標特征計算、AIS信息解析、特征關聯匹配等技術方法。

2.3 采用結合任務驅動的課程考核

在一門課程結束后，教師設計一些由學生完成的小型項目開發任務，作為該課程的考核內容，這種方式要求學生在掌握基本原理和方法后，通過查閱相關資料，解決一些實際的應用問題。我們在碩士研究生選修課數字視頻處理的考核中，采用了這種考核方式，提供20個小型項目開發任務，如“混合高斯背景建模及更新方法的實現與分析”“CodeBook碼本模型背景建模及更新方法的實現與分析”“Camshift運動目標跟蹤的實現與分析”“基于Kalman濾波的運動目標跟蹤的實現與分析”“基于團塊的運動目標跟蹤的實現與分析”“多目標跟蹤及計數的實現與分析”“運動目標速度計算的實現與分析”“動態場景下，基于全局運動估計與補償的運動目標檢測的實現及分析”等。開發環境為Visual C++2010、OpenCV或Matlab，考核包括項目應用軟件設計、實現、演示運行、結果分析、答辯和提交項目報告。學生通過完成小型項目開發任務，加深了對算法原理的理解，了解了該方面的發展現狀，提高了程序設計能力，收到了很好的效果。

3 讓學生參加科學研究和項目開發，從科研中選題，提高學生的科研素養、工程應用能力和創新能力endprint

教師可以從科研課題和開發項目中，提煉出一些關鍵問題作為本科生畢業設計的題目和研究生畢業論文的選題，讓學生參加科學研究和項目開發，提高學生自主研究意識和創新能力。 3.1 本科生畢業設計選題

在指導本科生畢業設計時，我們從課題組老師所承擔的項目中，提取一些關鍵問題供學生作為選題，如“基于質心的多目標跟蹤及應用”“基于車輛軌跡的交通違法行為檢測”“基于MulfiGenCreator視景仿真系統”“虛擬海洋環境視景仿真技術”“基于特征提取的人臉檢測與定位技術”“基于視頻的水上運動船舶視頻檢測技術”“基于OpenCV的運動目標跟蹤算法的研究與實現”“指紋細節點特征提取算法”“基于區域相關的圖像拼接技術”“圖像區域特征描述及實現”等。這些選題結合實際課題具有現實意義，將理論與實際相結合，可以引發學生濃厚的興趣，同時可以做出一些有意義的研究。其中“多目標圖像分割”“神經網絡在手寫數字識別中的應用”“基于FPGA的RS編譯碼的設計與實現”“基于機器視覺的零部件精密測量技術研究”“基于LabView的瓶口缺陷檢測研究”等畢業論文獲得湖北省優秀學士學位論文。

3.2 研究生畢業論文選題

在碩士研究生的培養過程中，我們一般要求研究生結合實際科研項目開展研究與開發，從項目研究與開發的任務和問題中選題，一種方法是參加導師承擔的項目，第二種方法是到有項目的實習單位實習參加項目研究開發。近3年來，項目組老師與航運學院老師、武漢嘉業恒科技有限公司共同承擔海事信息化項目，參與這些項目的碩士研究生的選題有：“船載應急無線示位標（EPIRB）定位算法仿真”“視頻監控系統中運動船舶檢測與速度提取算法的研究”“海事圖像中運動目標跟蹤與攝像機標定研究”“基于視頻圖像的內河石油泄漏檢測技術研究”“基于運動船舶視頻的背景建模算法研究”“基于機器視覺的手勢識別系統”“基于視頻的目標運動軌跡提取系統的研究與實現”“內河航道目標的特征識別與分類算法研究與實現”“船橋碰撞檢測與預警系統設計與實現”“霧雪天氣下視頻圖像清晰化技術的研究”等。研究生到中國科學院深圳先進技術研究院、中鐵大橋局武漢橋梁科學研究院、寧波三星電氣股份公司、武漢市尚吉電子研究所等單位實習參與國家自然科學基金和其他地方基金研究及項目開發，選題有“基于PCB板檢測的AOI關鍵算法研究”“脊椎手術導航中的2D/3D圖像配準”“基于Hadoop的海量日志分析計算”“圖像法動態位移監測系統的實現及其工程應用”“PDF417二維條形碼編解碼的設計與實現”“基于幾何活動輪廓模型的醫學圖像分割算法研究”“超聲彈性成像全局位移場算法研究”“基于視頻的車流量統計系統的設計與實現”等。由于參與實際項目的研究與開發，選題和研究開發成果都具有學術意義和實際應用價值，有的論文被評為優秀碩士論文，有的論文發表在國內重要期刊和國際學術會議上。

4 結語

把科學研究引入圖像處理課程體系教學中，新的科研成果和學科前沿進教材、進課堂，開闊了學生的視野，拓展了學生的知識面。把從事科學研究所必須具備的知識結構、科學素養、洞察能力滲透到課程教學中，從科研課題中提取關鍵問題來豐富實踐教學的題源，讓學生參與項目研究和開發，提高了學生運用理論知識解決實際問題的能力，培養了學生的探究意識、創新精神和研究能力。只有以科研促進教學、教學帶動科研、堅持教學與科研并舉，才能使培養出來的學生滿足社會發展的需要，成為具有工作能力、合作意識、創新能力的專門人才。

參考文獻：

[1]徐科軍，黃云志.以科研促進DSP課程的教學改革[J].理工高教研究，2007，26（6）：94-96.

[2]張會清，王普，任明榮，等.專業課教學與科研互動的研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2008，30（2）：109-111.

[3]袁修孝.以科研促進教學的探索與實踐[J].高教論壇，2008（5）：12-20.

[4]楊淑瑩，張樺.“數字圖像處理”理論與實踐相結合教學模式[J].計算機教育，2009（24）：84-86.

[5]沈曉晶，王艷，趙慧娟.應用型院校數字圖像處理本科教學探索[J].計算機教育，2012（1）：86-88.

（編輯：孫怡銘）endprint