深度學習在圖像處理技術課程教學實踐中的應用探討

莫建文 張彤 袁華 歐陽寧

摘要：針對圖像處理技術課程相關知識多、實踐性強等特點，將深度學習引入到圖像處理技術的課程學習、實驗、畢業(yè)設計等多個教學過程中，結合電子信息學科的特點和多年的教學經(jīng)驗，對圖像處理技術課程的教學模式與實踐進行了探討。讓學生通過分析、解決實際問題，促進學生對知識的深刻理解，靈活掌握知識運用，提高學生的學習興趣，增強創(chuàng)新能力。

關鍵詞：圖像處理技術；深度學習；教學探討

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0115-02

引言

圖像處理是電子信息、計算機類專業(yè)的重要課程[1]，是一門涉及多領域的交叉學科，是模式識別、計算機視覺、數(shù)字視頻、視頻通訊、多媒體技術等學科的基礎。在圖像處理技術課程的教學中，不但要讓學生掌握其基本概念和原理，還要讓學生盡可能理解和掌握圖像處理在當前時代應用的最新發(fā)展。圖像處理所講授的理論和實驗過程較復雜[2，3]，如何讓學生能靈活應用這些知識，是課程學習的難點。

在高度信息化的知識經(jīng)濟時代背景下，深度學習已經(jīng)引起高校教師的普遍重視[4]，深度學習特別是“如何促進深度學習”也成了當前學習研究的重要內容。本文結合電子信息學科的特點和多年的教學經(jīng)驗，引入深度學習框架，對圖像處理技術課程的教學模式與實踐模式進行了探討。

一、圖像處理課程特點

圖像處理有相關課程、基礎課程較多，實踐性強，發(fā)展快、應用領域不斷擴展，新方法內容抽象，要求數(shù)學基礎高等特點。隨著安防系統(tǒng)中圖像處理技術的廣泛應用，智能手機中的拍照功能越來越強，以及指紋識別、人臉檢測等功能在智能手機中的引入，圖像處理技術在生活中已經(jīng)無處不在了。圖像處理技術涉及的相關課程有模式識別、數(shù)字視頻、計算機視覺、多媒體技術等。基于隨機場MFS的方法、基于圖論的方法、基于偏微分方程的方法在圖像增強、分割等各個方面的應用，這些方法要求數(shù)學基礎高，給教學帶來了難度。

理論和實踐的結合是本課程的關鍵，注重基礎理論和技術的教學，以及加強學生實踐能力和課題研究能力的培養(yǎng)是本課程的主要教學目的。由于涉及課程較多，只有在相關的模式識別、數(shù)字視頻等課程學習完后，才能進一步的開展實踐。這些工作需要在課程設計、畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)中才能開展。

二、走向深度學習

深度學習是指在理解學習的基礎上，學習者能夠批判性地學習新的思想和事實，將其融入原有的認知結構中，并將已有的知識遷移到新的問題中，做出決策并解決問題的學習。它是一種主動的、探究式的、理解性的學習方式，將其引入圖像處理課程的教學實踐中，可以讓學生進行理解性的學習，深層次的加工各門相關課程的信息，進行主動的知識建構和知識轉化，靈活應用知識來解決實際問題。反思是貫穿于整個學習活動過程的一個重要環(huán)節(jié)，其主要目標是通過對學習過程及結果的調控來促進問題解決，是促進深度學習的重要策略之一。針對課程構造了一個較為復雜、完整的深度學習框架，參考這個框架，本文構造一個簡化的深度學習策略，主要過程為：a.基礎知識學習；b.問題提出；c.反思、知識建構或轉化；d.知識應用、解決問題。

“基礎知識學習”是一般教學過程都具備的前期學習過程，為后面的深度學習提供基礎；“問題提出”是結果應用實踐，給出學生們感興趣的問題，引起對學習的注意；“反思、知識建構或轉化”是深度學習的關鍵環(huán)節(jié)，通過對知識的建構，促進對各個相關知識的綜合理解、轉化，完善基本技能；“知識應用、解決問題”體現(xiàn)深度學習的高階特性，將知識、技能進行綜合聯(lián)接。

深度學習的一個重要特點是靈活的知識應用。圖像處理是門實踐性很強的課程，需要通過解決實際問題，促進學生對知識的深刻理解，把知識靈活運用，促進深度學習的開展。圖像處理要求的知識面較廣，新技術、新方法很多，受到學生基礎知識限制，不能在短短的課堂上講述所有的方法。針對本科生的教學過程，不僅在課堂教學中引入深度學習，在相關的課程、實踐環(huán)節(jié)中都體現(xiàn)圖像處理技術的具體應用，每個環(huán)節(jié)中根據(jù)實際情況，引入深度學習過程模式。讓學生能真正學會自己動手解決問題，提高學習的興趣和主動性。

三、課堂教學中的深度學習

在課堂教學過程中，可以根據(jù)“問題—反思—生成”模式來開展教學活動，即通過創(chuàng)設問題情境、制造認知沖突來引導學生進行反思探究、知識建構及問題解決。部分教學知識點的深度學習教學模式設計如下。

（一）圖像增強教學中的應用

“問題—反思—生成”模式設計對應如下：

“噪聲對圖像的影響—產(chǎn)生原因—低通濾波器設計（平滑模版）”。

教學過程中，首先聯(lián)系電路分析、數(shù)字信號處理等課程提出問題：

1.“圖像噪聲和電路噪聲的相同點”。

2.“電路中用RC電路去除噪聲，數(shù)字信號中如何模擬這一過程”等。

在反思環(huán)節(jié)中，引導學生明白，噪聲在時域上的體現(xiàn)是快速變換的信號，在圖像中是隨著空間間隔快速變換的光的強度；RC電路的本質是利用電容的充、放電過程，減緩信號的變化，達到去除噪聲的目標。

在生成環(huán)節(jié)中，引導學生結合數(shù)字信號處理中的FIR數(shù)字低通濾波器，采用簡單的鄰域加權平均，減弱信號的變化量，達到平滑噪聲目的。不同加權系數(shù)，構成了不同的平滑模版。

（二）車牌識別教學中應用

車牌識別是圖像處理中結合實踐常見的一個應用例子，包含圖像預處理、車牌檢測、二值化、字符分割、字符識別等多個子過程，每個子過程都可以利用“問題—反思—生成”的深度學習模式來開展教學活動。

例如在字符識別子過程中，首先提到的問題是“計算機如何做識別”，這個問題比較有難度，在“反思”階段只能引導學生通過比較兩幅數(shù)字圖像的每個像素值，也就是模版匹配的方法，到達識別的目的。這樣在“生成”階段可以利用相關法進行匹配，完成識別過程的任務。

四、將科研思想、深度學習方法運用到實踐科研過程中

課堂學習，以老師講授為主，沒有體現(xiàn)學生的主動性。在相應的實驗課上，以及后續(xù)的課程設計、畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，引入深度學習，結合老師的一些科研課題，讓學生主動思考，增強學生的主動性。在這階段的實踐中結合深度學習，以問題為中心，讓學生通過查閱資料和及時的交流討論自主的解決問題，這樣培養(yǎng)了學生初步開始科研活動的能力。

（一）課程實驗中，引入深度學習，合理設計實驗方案

圖像處理課程實驗方案設計中，結合生活中的實際問題，實現(xiàn)photoshop、美圖等軟件中的部分相應算法，實驗素材采用學生自己生活中的照片。讓學生自己尋找想解決的問題，通過反思、分析，靈活運用相關知識，解決問題。這樣達到提高學生學習興趣、增強學習主動性的目的。

（二）課程設計過程中設計簡單的應用題目

課程實驗中，由于時間短，只能對課本上的部分算法進行實現(xiàn)，不能進行更多的綜合反思。課程設計是一個持續(xù)數(shù)周的實踐過程，在這過程中，設計些簡單的應用題目，讓學生有充足的時間反思，為后續(xù)的畢業(yè)設計做準備。

（三）本科畢業(yè)設計階段，提煉綜合題目

教師可以從科研課題和開發(fā)項目中，提煉出一些關鍵問題，并結合當前學生感興趣或覺得有前途的工具平臺，作為本科生畢業(yè)設計的題目。臨近畢業(yè)了，學生們在找工作過程中已經(jīng)接觸了較多的社會，他們選擇課程設計經(jīng)常帶著較強的傾向性，選擇通常受到以后工作的需求、媒體上宣傳等因素影響較重。近年來，隨著智能手機的普及，社會上對Android環(huán)境下的編程工程師需求較多，學生們對這方面的知識需求也較迫切，而課程的設置卻難以跟上這些需求。畢業(yè)設計中如果可以補充學生的知識需求，無疑可以大大提高學生們的興趣。

將教師圖像處理方面的科研與學生需求結合，提出“Android平臺下的人臉檢測”、“Android平臺下的字符識別”、“二維碼的檢測與提取”、“Android平臺下視頻運動目標檢測與跟蹤”等題目，這些題目的成果可以運行在學生手機上，提高了學生的興趣和成就感。

五、總結

針對數(shù)字圖像處理課程的特點，結合多年的教學體會，在課堂教學、實踐等環(huán)節(jié)引入深度學習，對一些教學過程進行了探討。通過深度學習模式，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的動手能力，促進學生對知識的深刻理解，靈活掌握知識運用，提高學生的學習興趣，增強創(chuàng)新能力。教學改革是一項長期任務，如何更有效地改善教學效果，還需要在教學實踐中不斷的探索。

參考文獻：

[1]張永梅，馬禮，何麗.圖像處理技術課程教學探討與實踐[J].計算機時代，2014，（10）：76-77.

[2]李金萍，陸玲，劉自強，徐瑋.數(shù)字圖像處理課程實驗教學改革探索[J].科技視界，2012，（7）：23-24.

[3]何楚，卓桐，楊應聰，徐新.基于開放源碼分析的數(shù)字圖像處理課程教學實踐[J].計算機教育，2014，（9）：78-82.

[4]郭華.基于深度學習的教學改進[J].教育科學論壇，2015，（4）：13-23.