圖像與視頻處理教學內容及方法的研究與改革*

◆崔子冠 唐貴進 李 欣

圖像與視頻處理教學內容及方法的研究與改革*

◆崔子冠 唐貴進 李 欣

針對圖像與視頻處理課程專業知識面廣、信息量大、理論與實踐并重等特點，根據多年的實踐教學經驗，在全面調研的基礎上提出兼顧經典理論與最新進展的不定期教學內容改革機制和結合課堂講授與實驗驗證的教學方法改革策略。實踐教學效果表明，改進后的教學內容與教學方法有效提高了學生的學習興趣，加深了教師“教”與學生“學”的互動水平，對于增強本課程的整體教學效果具有指導性價值。

圖像與視頻處理；教學方法改革；MATLAB

1 引言

數字圖像與視頻處理技術是當前學術界與產業界的研究熱點，與國民經濟的發展聯系緊密，如視頻監控、圖像增強處理、數字電視、三網融合等。國內外重點高校也都為通信、電子、信息工程類相關專業的本科生和研究生專門開設圖像與視頻處理的類似課程，希望通過本課程的學習，使學生掌握其基礎理論、原理和實現方法，并在圖像與視頻處理領域具有一定的開發與應用能力，為以后從事圖像與視頻信號處理、廣播電視工程等領域的研究打下堅實的基礎。但由于本課程研究內容發展迅速，且具有涉及基礎理論較多、知識面大、理論深度與實踐能力要求并重等特點，學生不易看清本課程在專業培養中的地位，不易抓住課程內容的重點，也不知應該采取怎樣的學習方法來學習本課程；同時給教師教學也提出很大的挑戰。

針對這些問題，本文在全面調研的基礎上，提出兼顧經典理論與最新進展的不定期教學內容改革機制，以及結合課堂講授與實驗驗證的教學方法改革策略，希望能夠提高學生對本課程的認識程度，提升學生的學習興趣，增強教師課程教學效果。

2 學生與課程信息的全面調研

要想使學生學好、教師教好一門涉及專業知識面廣的專業課程，必須使學生和教師相互溝通和了解，充分認識本課程在整個培養計劃中的地位，進行創新性教學。項目組首先針對本課程教學做了大量而全面的調研工作，通過統計分析，分別從學生、教師和教學內容方面得出具體的調研結果。

1）從學生的角度，學生對本課程在整個培養計劃中的作用以及本課程與相關課程的拓撲關系認識不夠清晰，導致學生學習時有些茫然，不知道學習本課程后對后續研究生階段的學習有何幫助，也不知道進入企業工作后是否能用得上。對本課程缺乏認識是學習主動性不高的主要原因，進而影響了學習效果。

2）從教師的角度，教師對本課程在培養計劃中的地位以及脈絡關系比較清楚，但可能在教學過程中向學生傳遞得不夠。因為本課程教學內容較多、涉及知識面廣，有可能使教師專注于具體知識點細節上的講解，而沒有從大局上給學生以清晰的分析。如何均衡整體脈絡和具體模塊的講解，是教師講授本課程的一大挑戰。

3）本課程具體教學內容具有以下特點，需要在“教”與“學”的過程給予充分注意。

①學科交叉性強且涉及的基礎理論面廣。目前電子信息技術各專業相互滲透、交叉融合是大趨勢，本課程基礎理論與應用開發涉及很多相關專業，比如計算機、通信、電子、信息等，但不同專業對本課程內容要求掌握的程度又不盡相同，如何針對不同專業基礎的學生選擇合適的教學內容和方法是一個值得研究的問題。

②與相近課程的區別與聯系：為了培養圖像領域的專門人才，整個培養方案會設置相近的課程群（如電視原理、移動數字視頻技術、圖像通信等）以提高學生的整體專業素養，本課程與這些課程在教學內容上各有側重，但學生往往認識不到相近課程的區別，從而產生某塊教學內容不再需要學習的錯覺。

③技術發展與知識更新速度快，經典理論與最新進展并重。本課程涉及很多經典理念，比如數字信號處理、最優化等，同時其技術發展與知識更新迅速，如目前機器學習、稀疏編碼等在圖像處理中得到極大的應用，形成了新的研究分支。如何在教學時既讓學生打下堅實的經典理論基礎，又讓學生了解最新的前沿技術與發展趨勢，這是一個教學難點。

④理論知識與實際應用并重。由于目前圖像與視頻處理技術飛速發展，在國民經濟各個領域的實際運用越來越廣泛，比如Photoshop與美圖軟件中的圖像增強處理、監控視頻通信與智能分析處理等，因此，本課程的最終培養目標是讓學生具有進行理論研究與實際開發的雙重能力。這就需要本課程在教學時能夠達到培養學生這兩方面能力的要求。

3 兼顧經典理論與最新進展的教學內容改革

目前本課程主要講授的知識模塊包括圖像信號處理基礎、圖像與視頻文件格式、圖像增強、圖像復原、圖像分割、形態學圖像處理、數字水印、基于內容的圖像與視頻檢索等內容。這些內容是圖像與視頻處理領域已經研究多年的經典問題，也是當前和以后將要繼續研究的熱點問題，在產業界也有廣泛的應用前景。據此，圖像與視頻處理技術的發展主要體現在兩方面：

一是針對新問題提出的新理論新方法，如最近熱門的三維圖像與視頻處理技術；

二是針對經典問題提出的新工具與解決方法，如機器學習在圖像處理中的應用。

教學內容需要在緊扣經典理論的同時，體現技術發展的最新趨勢，使學生能夠接觸到最新的前沿技術。為此，建議在教學內容上可做以下幾點改革。

1）對必須掌握的經典基礎理論知識要分配足夠的課時，比如圖像數字化的原理，圖像增強中的線性變換、直方圖均衡化、圖像濾波、邊緣檢測原理，圖像復原中的降質模型和最小二乘方算法、圖像變換、圖像特征提取等知識點。因為基礎理論是知識發展的根基，只有把基礎理論學深學透了，以后遇到新的問題或學習新的技術時才可以做到舉一反三。

2）區分本課程與相近課程在教學內容上的異同點，對本課程中不太重要而在相近課程中會深入講解的內容進行精簡。比如：音頻信息處理與音頻編碼標準會在數字音頻技術課程中講解，圖像編碼標準中的JPEG壓縮標準與H.264視頻編碼標準會在圖像編碼或圖像通信課程中講解，鏡頭切換與場景檢測技術會在廣播電視測量與視頻編輯課程中講解，等等。另外，由于課時所限，還可以對學生通過自學或課下查閱資料即可掌握的介紹性或常識性內容進行壓縮，比如多媒體的概念、圖像處理的歷史概括、圖像文件的格式等內容。

3）結合最新應用場景增加前沿技術的介紹，比如機器學習或稀疏編碼在圖像去噪中的應用、神經網絡在圖像特征提取與描述中的應用等。這樣可使學生緊跟國內外圖像處理技術研究的前沿，了解現在及以后的發展趨勢，對于開闊學生的學術視野非常有益。

4）結合重要知識模塊的原理增加MATLAB實驗驗證或演示性內容，比如圖像灰度變換、直方圖均衡化、中值與均值濾波的MATLAB實現等。因為圖像處理是一門理論與實踐并重的學科，其最終目的還是要根據知識原理來解決實際的圖像處理問題，而且通過MATLAB實驗還可以反過來加深對原理的理解。

4 結合課程講授和實驗驗證的教學方法改革

由上述分析，本課程教學內容的不同部分既相互依賴和聯系，又相對獨立、各成體系，因此，教學方法也應該體現基于內容的自適應性和創新性。根據與學生的交流和教學實踐經驗，建議在教學方法上做以下幾點改革。

1）在對教學內容認真梳理的基礎上，在課堂講授時分清主次，將教師講授關鍵知識與學生自學擴展知識有機結合，充分調動學生的學習興趣和積極性，而不是在整堂課上機械地采用教師灌輸的方式。一方面，本課程內容眾多，在有限的課時內要詳細講解所有內容難度較大；另一方面，從科學的學習方式上來講，學生在接受教師講授知識的同時，需要有時間對接收到的知識進行消化理解。因此在教學實踐中嘗試把課堂教學與學生課下自學相結合，得到很好的教學效果。

2）把理論教學與實驗驗證更緊密地結合。以往本課程大多以理論教學為主，實驗驗證較少，且理論教學與實驗驗證常被分隔開來，影響了實驗驗證在教學中的作用。嘗試在教學過程中借助MATLAB強大的圖像處理工具箱和可視化技術，將理論教學的內容實時地進行實驗驗證和可視化。這樣一方面給學生以更直觀的理論解釋，使他們對原理的理解更為深刻；另一方面也提高了學生讀程序、進行程序開發的能力。

3）結合具體應用場景和教師的科研項目進行案例教學。本課程教學的最終目的是培養學生應用理論知識解決實際工程問題的能力，但在以往教學中，往往注重理論教學而忽視應用能力的培養。建議教師結合自己的科研項目和具體應用場景，思考如何進行相關知識的講解，比如：實際問題用到了哪些基礎知識？如何使用相關的基礎知識來解決實際問題？另外，教師也可以將科研項目中的小模塊劃分出來，交給學生進行思考。教師與學生之間針對問題相互交流反饋，可有效促進“教”與“學”的效果。教師也可以了解學生看問題的角度，或許能產生新的解決思路，這是一個雙贏的結果。

4）采用原理總體框架與具體模塊細節相結合的教學方式。本課程有些算法原理較為復雜，在講解時先對總體框架進行講解，給學生以總體認識，提高學生分析問題與解決問題的大局觀，再對具體模塊的技術細節進行詳細講解，讓學生洞察技術的巧妙之處。這樣學生在學習復雜問題時不至于無所適從，甚至出現害怕心理。根據教學實踐，這種方式對于復雜內容的教學具有很好的效果。

5 結束語

圖像與視頻處理技術涉及多個學科中的基礎理論知識，在國民經濟與生產生活中的應用越來越廣泛，產業界對圖像處理領域的工程開發人才的需求也越來越大。這就要求高校教師在進行教學與人才培養時，能夠根據本課程的特點進行教學內容的優化改革和教學方法的實踐創新。筆者在對學生全面調研的基礎上，通過總結多年的實踐教學經驗，提出了兼顧經典理論與最新進展的教學內容改革機制和結合課程講授與實驗驗證的教學方法改革策略，增強了本課程的教學效果，對于本課程與相近課程的教學具有一定的指導性意義。■

［1］朱旗，孫涵.數字圖像處理課程教學模式改革研究［J］.科教導刊，2016（2）∶107-108.

［2］呂瓊，李銳.SPOC環境下圖形圖像處理翻轉課堂教學改革與對策［J］，中國教育技術裝備，2016（2）∶148-150.

［3］陳淑清，藍雯飛.數字圖像處理課程教學方法探討［J］.赤峰學院學報∶自然科學版，2015，31（10）∶43-44.

［4］張明.數字圖像處理課程教學改革與實踐［J］.教育教學論壇，2016（1）∶220-221.

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0089-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.089

南京郵電大學教學改革研究項目（JG00214JX15）。

作者：崔子冠，南京郵電大學副教授，博士，研究方向為圖像與視頻處理；唐貴進、李欣，南京郵電大學通信與信息工程學院（210003）。