圖像處理實踐課競賽式教學(xué)軟件平臺構(gòu)建研究

佟喜峰 袁滿 呂洪艷 郭玲玲

摘要：相比一般的課堂教學(xué)而言，競賽式教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生主動思考并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。介紹了圖像處理實踐課競賽式教學(xué)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，包括圖像庫的建立、教學(xué)平臺軟件的編程實現(xiàn)等內(nèi)容。該軟件平臺能夠自動測試學(xué)生提交的可執(zhí)行文件，非常客觀地給出評測結(jié)果。

關(guān)鍵詞：圖像處理；字符識別；競賽式教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0254-02

一、引言

競賽式教學(xué)模式是指在課堂上按照一定的比賽規(guī)則，借鑒體育比賽的方法，組織課堂教學(xué)的一種形式。目前已有許多專家、學(xué)者、一線教師開展過競賽式教學(xué)的研究，國內(nèi)已開展過電工電子綜合設(shè)計、電機、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的競賽式教學(xué)。但是圖像處理方面的競賽式教學(xué)目前尚未發(fā)現(xiàn)有人開展過。

數(shù)字圖像處理實踐課是作者所在單位的專業(yè)碩士的一門實踐課。該課程以光學(xué)字符識別作為案例進行教學(xué)。如圖1所示，字符在計算機中常見的形式有兩種：圖像形式（圖1左側(cè)的字符）和文本形式（圖1右側(cè)的字符）。圖像字符是指用掃描儀、照相機等設(shè)備得到的圖像中包含的字符，這些字符能夠觀看，但是很難編輯修改其內(nèi)容。文本字符是指word、記事本、wps等編輯軟件中可以編輯修改的字符。光學(xué)字符識別（Optical Character Recognition，簡稱OCR）是指從圖像中識別出其中的字符類別并將其轉(zhuǎn)換為文本字符的識別過程。

在圖像處理領(lǐng)域，已經(jīng)有很多國際性的競賽，例如指紋識別國際競賽（Fingerprint verification Competition）、人臉識別國際競賽（Face Recognition Grand Challenge）等。這些競賽都是對所有人開放的，通過制定統(tǒng)一的測試數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的測試流程、統(tǒng)一的程序接口、統(tǒng)一的測試環(huán)境、統(tǒng)一的評分標(biāo)準(zhǔn)，公開、公平、公正地進行比賽。這些比賽在行業(yè)內(nèi)知名度很高，競賽成績普遍受到認可。這些測試結(jié)果能夠客觀地比較各個參賽算法的優(yōu)劣，已經(jīng)成為檢驗算法的基準(zhǔn)，促進了行業(yè)的技術(shù)進步。

綜上所述，將競賽引入到圖像處理實踐課，具有一定的必要性，也具有可行性。但是目前沒有可以用于該課程的軟件平臺，在這種情況下，本文開發(fā)了用于測試、評價學(xué)生字符識別程序的軟件平臺。下文對該軟件平臺的構(gòu)建進行比較詳細的介紹。

二、教學(xué)平臺軟件的設(shè)計

（一）字符識別過程

字符識別一般可分為訓(xùn)練和識別兩個過程。如圖2所示，在訓(xùn)練過程中先獲取一枚圖像并預(yù)處理，然后對其特征提取，最后設(shè)計分類器，并且根據(jù)訓(xùn)練樣本調(diào)整參數(shù)達到最佳。在識別過程中，先獲取一枚圖像并預(yù)處理，然后對其特征提取，最后用設(shè)計好的分類器對其分類，得到識別結(jié)果。

（二）字符圖像庫的建立

字符識別的難度隨著字符總類的增加而增加。例如識別a-z這26個字母就比識別0-9這十個數(shù)字要困難得多?？紤]到學(xué)生初學(xué)字符識別，難度不宜過大，故字符圖像庫中僅包含0-9這10個數(shù)字。目前已采集400枚圖像，同一個數(shù)字的字符圖像之間有一定的變化，而且每個數(shù)字都有幾個比較難識別的圖像樣本。用這樣的圖像庫能夠客觀地評測各個學(xué)生提交的程序，具有適當(dāng)?shù)碾y度和較好的區(qū)分度。

（三）編程接口規(guī)范

為了測試學(xué)生提交的程序，可以采用把學(xué)生的程序代碼加入到測試系統(tǒng)中進行編譯、運行、測試，也可以讓學(xué)生自己編譯自己的程序生成可執(zhí)行文件，測試系統(tǒng)直接測試學(xué)生提交的可執(zhí)行文件。從軟件工程的角度，后一種方案耦合度更低。而前一種方案對編程語言的選擇以及函數(shù)、變量等的命名都有很大限制?；谝陨峡紤]，我們采用了讓學(xué)生提交可執(zhí)行文件的方案。學(xué)生需要編寫控制臺應(yīng)用程序，以命令行的方式被調(diào)用。數(shù)據(jù)的輸入和輸出都是以文件的方式實現(xiàn)的。考慮到不同的圖像庫內(nèi)的圖像大小以及背景紋理等的差異，在學(xué)生編寫程序時，允許根據(jù)不同的圖像庫設(shè)置不同的參數(shù)，例如，總共有四個圖像庫的時候，可以生成四個參數(shù)文件，與這四個圖像庫一一對應(yīng)。最終確定文件調(diào)用的形式為：

“xxxx.exe a_file b_file c_file”

其中，xxxx.exe為學(xué)生根據(jù)自己的程序代碼生成的可執(zhí)行文件，a_file為待識別的圖像文件的路徑及文件名，b_file為參數(shù)文件的路徑及文件名，c_file為輸出文件的路徑及文件名。a_file和b_file為硬盤中已經(jīng)存在的文件，c_file為程序運行結(jié)束后要向硬盤寫入的文件。該命令運行結(jié)束以后，軟件平臺讀入c_file的內(nèi)容作為測試結(jié)果，并將其保存到數(shù)據(jù)庫中。

（四）參數(shù)測試與評價

學(xué)生提交的程序有多種參數(shù)，例如字符識別的準(zhǔn)確率、時間消耗、存儲空間占用等。我們開發(fā)的測試平臺測試識別準(zhǔn)確率和時間消耗這兩項參數(shù)，并把識別準(zhǔn)確率作為對識別程序進行排序的依據(jù)。

三、教學(xué)平臺軟件的編程實現(xiàn)

該教學(xué)平臺軟件包括“圖像庫管理”、“學(xué)生信息管理”、“測試”、“成績與排序”、“使用幫助”等模塊，能夠滿足一般的教學(xué)需要。下面對各個模塊做簡單介紹。

（一）圖像庫管理軟件模塊

該模塊能夠完成增加圖像庫、刪除圖像庫、導(dǎo)入圖像等功能，圖3給出了該軟件模塊的界面。

（二）學(xué)生信息管理模塊

該模塊用于學(xué)生信息的管理，具有增加學(xué)生、刪除學(xué)生、修改學(xué)生信息、提交程序等功能。其中“提交程序”按鈕可以把學(xué)生提交的可執(zhí)行文件保存到數(shù)據(jù)庫中，用于后續(xù)的測試。該模塊還可以選擇查看未完成測試的學(xué)生和已完成測試的學(xué)生。

（三）成績與排序模塊

該模塊能夠?qū)W(xué)生提交的程序進行測試，得到識別準(zhǔn)確率、時間耗費等參數(shù)，并根據(jù)學(xué)生程序的識別準(zhǔn)確率對學(xué)生排名，排名分為兩種，一種是年級內(nèi)排名，可以看到同一年級學(xué)生的排名情況，另一種是總排名，即對今年和往年所有提交程序的學(xué)生進行排名。該模塊的界面如圖4所示。

四、結(jié)束語

本文首先介紹了將競賽式教學(xué)模式引入到圖像處理實踐課的意義，然后介紹了可以用于該實踐課的教學(xué)軟件平臺的構(gòu)建，包括建立字符圖像庫，軟件的需求分析以及軟件的編程實現(xiàn)等內(nèi)容。

本課程的競賽式教學(xué)采用計算機自動測試、自動打分的辦法，大大減少了教師的工作量，而且測試結(jié)果是完全客觀的。因此，該教學(xué)模式具有一定的先進性。

參考文獻：

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[4]http：//bias.csr.unibo.it/fvc2004/.