信號(hào)處理課程群可視化教學(xué)模式的研究

曲中水

（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

信號(hào)處理課程群可視化教學(xué)模式的研究

曲中水

（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

分析歸納了計(jì)算機(jī)專業(yè)信號(hào)處理課程群的特點(diǎn)，提出在傳統(tǒng)教學(xué)模式下運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)可視化作為信號(hào)處理類課程新的教學(xué)模式.該模式包括抽象概念的可視化、算法的可視化、輸入輸出的可視化等3個(gè)方面的可視化.數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)實(shí)踐證明，這種教學(xué)模式提高了教師授課的效率及學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.

信號(hào)處理；課程群；可視化

教學(xué)模式可以定義為是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來(lái)的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架和活動(dòng)程序.作為結(jié)構(gòu)框架，突出了教學(xué)模式從宏觀上把握教學(xué)活動(dòng)整體及各要素之間內(nèi)部的關(guān)系和功能；作為活動(dòng)程序則突出了教學(xué)模式的有序性和可操作性.教學(xué)模式通常包括理論依據(jù)、教學(xué)目標(biāo)、操作程序、實(shí)現(xiàn)條件和教學(xué)評(píng)價(jià)5個(gè)因素，這5個(gè)因素之間有規(guī)律的聯(lián)系就是教學(xué)模式的結(jié)構(gòu)[1-3].

在信息類專業(yè)的課程設(shè)置中，各學(xué)校信號(hào)處理類課程的開(kāi)設(shè)不盡相同.根據(jù)國(guó)家教育部對(duì)專業(yè)課程設(shè)置的要求，結(jié)合各高校的具體情況，信號(hào)處理類的課程一般包括信息論、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、語(yǔ)音信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理等基本課程.這些課程都是針對(duì)信息處理的各個(gè)環(huán)節(jié)而設(shè)置的，如信號(hào)與系統(tǒng)針對(duì)信息的獲取[4-5]；數(shù)字信號(hào)處理針對(duì)信息采集與處理技術(shù)；而對(duì)于信號(hào)的理解與識(shí)別技術(shù)，開(kāi)設(shè)了語(yǔ)音信號(hào)處理[6]及數(shù)字圖像處理[7-8]等課程.這些課程的教學(xué)內(nèi)容在理論與實(shí)踐中有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，因此，利用此聯(lián)系可以科學(xué)地構(gòu)建成信號(hào)處理群這一新的課程體系.我校的計(jì)算機(jī)專業(yè)是信息類專業(yè)之一，針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)，在教學(xué)計(jì)劃中開(kāi)設(shè)信號(hào)處理類的部分課程是信息技術(shù)行業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要.

1 信號(hào)處理課程的特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

1.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)廣泛

主要涉及高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程數(shù)學(xué)和計(jì)算方法等課程.因此，在理論教學(xué)中部分學(xué)生缺乏這些準(zhǔn)備知識(shí)，如果教師不能提出恰當(dāng)?shù)囊螅⒉扇∵m當(dāng)?shù)慕虒W(xué)處理方法，這些工具性知識(shí)會(huì)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，甚至造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的畏難情緒，影響教學(xué)效果.

1.2 抽象算法多

處理媒體信息如聲音、圖像的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，推理過(guò)程是在數(shù)學(xué)體系下完成的.因此，在理論教學(xué)中學(xué)生不易把握其內(nèi)涵.在例題講解上也給教師增加了很大的難度.

1.3 實(shí)踐要求高

信息處理能否可視化是使教學(xué)過(guò)程變枯燥為生動(dòng)的主要問(wèn)題.因此，在理論教學(xué)中容易演變?yōu)閿?shù)學(xué)課程的延伸，失去了信號(hào)處理課程的本質(zhì).

因此，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下研究可視化問(wèn)題將成為信號(hào)處理類課程的新的教學(xué)模式.

2 可視化教學(xué)模式的研究

由信號(hào)處理課程的特點(diǎn)及教學(xué)中存在的難點(diǎn)分析可見(jiàn)，信號(hào)處理類課程教學(xué)中的可視化問(wèn)題包括抽象概念的可視化、算法可視化和輸入輸出可視化3個(gè)方面.

從課堂知識(shí)講解、課堂實(shí)例演示和實(shí)踐3個(gè)環(huán)節(jié)著手建立可視化教學(xué)體系.前2個(gè)環(huán)節(jié)是理論教學(xué)中在知識(shí)講解的同時(shí)，緊密結(jié)合教材內(nèi)容開(kāi)發(fā)課件，在講解原理算法的同時(shí)，給出豐富的圖示實(shí)例；實(shí)踐環(huán)節(jié)可以分為：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課程實(shí)習(xí)3個(gè)層次.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)的延伸，是教學(xué)內(nèi)容的深入理解過(guò)程，只需要學(xué)生掌握基本的編程方法，根據(jù)提供樣例通過(guò)簡(jiǎn)單編程實(shí)現(xiàn)基本的處理方法；綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是對(duì)一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的小結(jié)性練習(xí)；課程實(shí)習(xí)是包含整門課程的基礎(chǔ)知識(shí)和編程技巧的一個(gè)大作業(yè)，其中有很大一部分空間是讓學(xué)生自我發(fā)揮的，這是對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題能力的一個(gè)考查.如果課時(shí)允許，可適當(dāng)開(kāi)設(shè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課程實(shí)習(xí).

3 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的可視化教學(xué)模式

信號(hào)處理課程涉及的課程較多，且開(kāi)設(shè)在不同的學(xué)期，而數(shù)字圖像處理是一門綜合性和理論性較強(qiáng)的課程，一般開(kāi)設(shè)在大學(xué)本科階段的第7學(xué)期.教學(xué)內(nèi)容是應(yīng)用信號(hào)與信息處理課程的理論分析和解決數(shù)字圖像處理和分析領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，因此選擇該課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)具有一定的代表性.以數(shù)字圖像處理課程為例，說(shuō)明教學(xué)中的可視化教學(xué)模式，即在傳統(tǒng)教學(xué)模式下靈活運(yùn)用MATLAB，用MATLAB實(shí)現(xiàn)可視化問(wèn)題將成為數(shù)字圖像處理課程的新的教學(xué)模式[8].

數(shù)字圖像處理課程是一門重要的信號(hào)處理課程，處理對(duì)象的信息載體為數(shù)字圖像文件.數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)是基本概念比較抽象，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較為繁瑣，涵蓋的研究應(yīng)用領(lǐng)域也很廣泛.學(xué)生如果沒(méi)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，接受起來(lái)就比較困難，容易失去學(xué)習(xí)興趣.據(jù)研究，一般本科教學(xué)計(jì)劃開(kāi)設(shè)在第6，7學(xué)期，本科階段的主要內(nèi)容可分為5個(gè)方面[9-10]：

（1）數(shù)字圖像處理方法理論有2種，即空域法和頻域法.這2種處理方法為后續(xù)的數(shù)字圖像處理奠定了基礎(chǔ)，是數(shù)字圖像處理課程的基石.

（2）數(shù)字圖像的增強(qiáng).可采用空域方法和頻域方法進(jìn)行灰度圖像和彩色圖像的增強(qiáng)，可采用的具體技術(shù)有直接灰度變換、直方圖修改技術(shù)、空域?yàn)V波和頻域?yàn)V波等.

（3）數(shù)字圖像的恢復(fù).可采用空域方法和頻域方法進(jìn)行灰度圖像和彩色圖像的恢復(fù)，可采用的具體技術(shù)有空域?yàn)V波和頻域?yàn)V波等.

（4）數(shù)字圖像的編碼.可采用的具體技術(shù)為基于熵的統(tǒng)計(jì)編碼、預(yù)測(cè)編碼和變換編碼.

（5）數(shù)字圖像的分割.可采用梯度算子的方法進(jìn)行邊緣檢測(cè)作為分割的前提，在檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像算法的理論研究.

根據(jù)5個(gè)方面的內(nèi)容，可將理論教學(xué)的可視化內(nèi)容分為圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像編碼和圖像分割五大模塊[9-10].

例1 在數(shù)字圖像處理課程設(shè)計(jì)中，直方圖的曲線擬合分析結(jié)果可以作為圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，基于直方圖擬合的理想圖像增強(qiáng)質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題的圖像見(jiàn)圖1，其中圖1a是256×384×3的RGB模型的彩色圖像；圖1b是圖1a的256色量化的結(jié)果圖像；圖1c是圖1b的擬合曲線；圖1d是原始圖像的灰度化結(jié)果圖像Y；圖1e是Y的直方圖；圖1f是圖1e的擬合曲線.

圖1 基于直方圖擬合的理想圖像增強(qiáng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果圖像

不同噪聲強(qiáng)度的圖像增強(qiáng)質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題的圖像見(jiàn)圖2～4.

圖2 基于直方圖擬合的含噪圖像（脈沖噪聲強(qiáng)度為0.002）增強(qiáng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果

圖 3 基于直方圖擬合的含噪圖像（脈沖噪聲強(qiáng)度為0.02）增強(qiáng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果

圖 4 基于直方圖擬合的含噪圖像（脈沖噪聲強(qiáng)度為0.2）增強(qiáng)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖2～4可知，隨著噪聲強(qiáng)度的增減圖像的質(zhì)量下降可以用直方圖的擬合曲線表示，增加說(shuō)服力，有助于學(xué)生的深入理解.對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)部分，對(duì)于本科學(xué)生來(lái)說(shuō)，多數(shù)學(xué)生的編程水平有限，數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，任務(wù)量大，有的難度高[11].因此，精心地設(shè)計(jì)適合本科學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是決定數(shù)字圖像處理課程開(kāi)設(shè)成功的關(guān)鍵之處.

4 結(jié)論

綜上所述，計(jì)算機(jī)專業(yè)開(kāi)設(shè)信號(hào)處理課程是信息技術(shù)行業(yè)人才需求的要求，考慮到計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)，研究并應(yīng)用可視化教學(xué)模式能使教師的授課由淺入深，結(jié)合實(shí)例，更加生動(dòng)，提高了課堂學(xué)習(xí)的效率.系列實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置使學(xué)生自己動(dòng)手將復(fù)雜的算法和深?yuàn)W的公式以圖形、圖像的形式展示，在輕松愉快的學(xué)習(xí)氣氛中逐步領(lǐng)會(huì)信號(hào)處理技術(shù)的魅力，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.

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Research of visual teaching mode of signal process course series

QU Zhong-shui
（School of Computer Science and Technology，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

After analyzing and summarizing the same characteristic of the signal process course series of computer specialty，it raises the realization of visualization by using MATLAB as the new teaching mode under the traditional teaching mode that involves three kind of visualization such as the abstract concept visualization，the arithmetic visualization and the in-out visualization.The teaching practice of digital image processing proves that the mode advances the teaching efficiency and study initiative.

signal process；course series；visualization

TP391.4∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.023

2016-09-10

哈爾濱理工大學(xué)教學(xué)研究課題項(xiàng)目（200800019）——TRIZ理論在信號(hào)處理課程教學(xué)中的應(yīng)用

曲中水（1971-），男 ，山東龍口人，副教授，碩士，從事信號(hào)與信息處理研究.E-mail：zhongshqu@hrbust.edu.cn

1007-9831（2016）12-0088-05