以應(yīng)用實例為主線、以程序設(shè)計為主導(dǎo)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法改革

陸玲　李麗華

[摘 要]針對數(shù)字圖像處理課程和特點，借助教學(xué)輔助系統(tǒng)，對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)方法進行改革。在教學(xué)過程中大量使用實例可將抽象的理論融入形象直觀的應(yīng)用當(dāng)中；強調(diào)程序設(shè)計并演示算法的實際效果，使復(fù)雜的問題可視化，能讓學(xué)生充分感受到數(shù)字圖像處理技術(shù)的魅力。通過多年的應(yīng)用，這種方法有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)主動性及學(xué)生的實踐動手能力。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)輔助系統(tǒng)；應(yīng)用實例；程序設(shè)計；數(shù)字圖像處理

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）09-0166-02

一、引言

近年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，很多理工類高校都開設(shè)了數(shù)字圖像處理課程，并將其作為信息類專業(yè)的一門專業(yè)主干課程。但長期以來，數(shù)字圖像處理本科教學(xué)普遍存在著難教難學(xué)的問題。其原因有以下幾點。1.該課程綜合性極強，課程內(nèi)容繁雜，要求學(xué)生具備向量、矩陣、概率、統(tǒng)計、線性系統(tǒng)和計算機編程方面的基礎(chǔ)知識，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大的挑戰(zhàn)。如果教學(xué)方法不當(dāng)，學(xué)生會感到內(nèi)容非常抽象，逐漸失去學(xué)好該門課程的信心。2.大學(xué)本科教育已由精英教育轉(zhuǎn)為大眾教育，現(xiàn)在的本科生，特別是應(yīng)用型院校的本科生，普遍存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱、不習(xí)慣理論學(xué)習(xí)和思考、編程能力較弱的現(xiàn)象，很容易遇難而退。

為了解決數(shù)字圖像處理難教難學(xué)的問題，許多教師對數(shù)字圖像處理課程進行了各種方法的教學(xué)改革。沈曉晶等[1]逐階段地引導(dǎo)學(xué)生建立起完整的數(shù)字圖像處理知識體系，并通過與課題相關(guān)的教學(xué)案例、實驗和課程設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題。熊立偉等[2]從教學(xué)內(nèi)容、課程資源建設(shè)、教學(xué)方法、考核方式、師資培養(yǎng)等方面進行了研究與改革，在一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強了他們的動手能力。鄭林濤等[3]提出將ImageJ軟件作為數(shù)字圖像處理課程教學(xué)演示和實驗的工具，既可以用其在理論教學(xué)環(huán)節(jié)展示各種圖像處理算法的效果，又可以在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中通過編寫ImageJ軟件的插件讓學(xué)生真正掌握理解圖像處理的理論知識。該軟件是以JAVA為基礎(chǔ)的。魏晗等[4]注重基礎(chǔ)理論和科技前沿的有機結(jié)合，在理論中滲透實踐，在實踐中穿插理論；并采用靈活多樣的教學(xué)方法和豐富的教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及實踐動手能力。史彩娟等[5]通過課程實驗環(huán)節(jié)、科研實踐環(huán)節(jié)、社會實踐環(huán)節(jié)以及師資隊伍建設(shè)等環(huán)節(jié)構(gòu)建了多層次、多模式的實踐教學(xué)體系，取得了較好的實踐教學(xué)效果。肖紅等[6]提出了基于培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，闡述了該教學(xué)模式中的任務(wù)設(shè)計，任務(wù)實施的方法及師生角色的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)實例，驗證了該教學(xué)模式的可行性。寧紀鋒[7]開展研究性課堂教學(xué)和實踐教學(xué)等多個方面的教學(xué)改革探索，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

以上教師采用的相關(guān)方法在一定程度上都能提高教學(xué)質(zhì)量。我們綜合各種方法，根據(jù)我們的一些成果[8] [9]，設(shè)計并使用了教學(xué)輔助系統(tǒng)，輔助數(shù)字圖像處理的教學(xué)，這同樣能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動手能力和創(chuàng)新能力。

二、數(shù)字圖像處理程序設(shè)計

（一）程序設(shè)計語言的選擇

數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的教學(xué)效果與課程中所選用的教學(xué)軟件密切相關(guān)。目前我國高校在數(shù)字圖像處理課程中常用軟件處理平臺基本上有三類：Visual C++，Photoshop，MATLAB。

Photoshop是一個常用的圖像處理軟件，主要應(yīng)用在平面設(shè)計領(lǐng)域，不需要編寫程序，通過自學(xué)就能掌握該軟件的主要功能。但對于數(shù)字圖像處理課程而言，它只能作為一個圖像處理效果演示的工具，不能作為教學(xué)的實驗平臺。

Matlab軟件提供了豐富的現(xiàn)成圖像處理函數(shù)供用戶調(diào)用，可以節(jié)省用戶開發(fā)底層函數(shù)的時間，提高用戶的開發(fā)效率。學(xué)生在使用圖像函數(shù)時，能快速完成圖像處理的結(jié)果，但對圖像處理的算法并沒有進一步學(xué)習(xí)與鞏固。Matlab軟件只適應(yīng)研究者對圖像處理的研究，而不適用于計算機等專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。

Visual C++軟件沒有像Matlab環(huán)境下有豐富和成熟圖像處理庫函數(shù)以供調(diào)用，所有的底層函數(shù)都要開發(fā)者自己編寫。雖然這會影響用戶的開發(fā)效率，但學(xué)生可以鞏固理論知識，深刻理解圖像處理方法。這對于計算機專業(yè)的學(xué)生來說，可以提高他們的編程能力。這種方法要求學(xué)生有一定的編程能力。

對于計算機類專業(yè)的學(xué)生來說，目前我們認為選用Visual C++軟件（其他Visual軟件都可以）作為圖像處理課程教學(xué)軟件最合適。重點是學(xué)生必須從底層自己編寫代碼，這樣才能真正理解數(shù)字圖像處理的各種方法與算法步驟。如果學(xué)生只是停留在理解理論公式上，會形成暫短的記憶和大致了解，很容易忘記。

（二）程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字圖像處理程序設(shè)計教學(xué)應(yīng)選擇的是教學(xué)的重點內(nèi)容而且程序代碼不長。這樣才能在課堂上講解清楚，學(xué)生也易掌握。教學(xué)內(nèi)容主要包括圖像文件的讀取、彩色圖像轉(zhuǎn)灰度圖像、灰度變換、灰度圖像的直方圖均衡化、圖像空間平滑與銳化濾波處理、灰度水平垂直積分與微分投影、圖像幾何變換、二值圖像的腐蝕與膨脹、二值圖像的邊界提取、二值圖像的幾何特征與形狀特征的提取、二值圖像行程編碼、噪聲圖像復(fù)原等。對圖像處理的重要方法和程序設(shè)計的思路進行講解，能提高學(xué)生的程序設(shè)計能力。

（三）程序演示內(nèi)容

在課堂上除了介紹圖像處理程序設(shè)計方法與思路外，還要利用開發(fā)的數(shù)字圖像處理算法演示教學(xué)軟件，將圖像處理算法的實際效果進行演示，將算法實現(xiàn)過程中的重點問題轉(zhuǎn)化為圖像處理效果，從而將枯燥抽象的理論具體形象化，讓學(xué)生充分感受到數(shù)字圖像處理技術(shù)的魅力，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)的效率。

演示軟件設(shè)計的原則是：將圖像處理算法中的各種可變參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，使學(xué)生體會到各種參數(shù)的實際含義。程序演示軟件內(nèi)容要比程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容多，它幾乎涵蓋了所有的教學(xué)內(nèi)容。例如：對于彩色圖像的浮雕處理，只講原理和公式是不夠的，浮雕處理的結(jié)果圖像必須通過演示系統(tǒng)顯示出來，讓學(xué)生一目了然，否則無法講解清楚處理后圖像的特征。

三、數(shù)字圖像處理應(yīng)用實例設(shè)計

在教學(xué)過程中，努力將復(fù)雜抽象的理論融入形象直觀的應(yīng)用實例當(dāng)中，在理論中滲透實踐，在實踐中穿插理論，注重理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，真正使學(xué)生樂學(xué)、易學(xué)并會學(xué)。

（一）應(yīng)用實例的選擇

數(shù)字圖像處理應(yīng)用實例選擇的原則是：學(xué)生熟悉、步驟簡潔、算法簡單。為了使處理結(jié)果準確度高，我們只選擇標準規(guī)范的圖像，而且這些應(yīng)用實例程序都是自行開發(fā)且利用課程所講的程序設(shè)計內(nèi)容，這樣學(xué)生會直觀感覺到所學(xué)所用。應(yīng)用實例分為兩大類，一類為基本知識的應(yīng)用，其方法簡單，學(xué)生易理解而且能獨立完成；另一類是數(shù)字圖像處理新方法在當(dāng)前新產(chǎn)品的應(yīng)用，這些應(yīng)用只能簡單介紹，讓學(xué)生大致了解。我們認為最重要的應(yīng)用是第一類，這種應(yīng)用更能提高學(xué)生的學(xué)生興趣；第二類學(xué)生會感覺離自己較遠。

我們選擇的綜合實用案例內(nèi)容大部分來自我們的科研成果，有些已經(jīng)體現(xiàn)在我們學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計課題中。將歷年與數(shù)字圖像處理實際應(yīng)用相關(guān)的畢業(yè)課題進行簡化、修改與完善，可以不斷充實數(shù)字圖像處理應(yīng)用實例軟件。目前，我們選擇的綜合應(yīng)用實例（以后還會擴充）包括：人像美容、人像美發(fā)、指紋識別預(yù)處理、車牌識別、手寫字體識別、人臉定位、人臉五官定位、水果定位、道路識別等。

（二）在理論知識中滲透應(yīng)用

由于教學(xué)過程是以知識點為單位進行教授，而綜合應(yīng)用實例涉及多個圖像處理知識點，因此在授課過程中需要分解實例內(nèi)容，顯示實例的部分結(jié)果。例如：灰度水平微分投影包括：灰度圖像中確定人眼水平位置，車牌灰度圖像中預(yù)選車牌水平位置，指紋圖像中定位中心水平位置等。RGB與HIS模型的轉(zhuǎn)換包括：人像中的涂口紅、涂腮紅、美白、去紅眼、染發(fā)、改變衣服顏色等。

（三）應(yīng)用實例中分解出理論知識點

在課程教學(xué)過程的中期與末期，在總結(jié)復(fù)習(xí)所學(xué)知識時，以應(yīng)用實例進行階段性教學(xué)總結(jié)，通過應(yīng)用實例貫穿圖像處理的多個知識點，引導(dǎo)學(xué)生融會貫通所學(xué)知識，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

四、結(jié)束語

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展和完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)也在不斷發(fā)展，并且越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。我們總結(jié)十多年的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)經(jīng)驗，在數(shù)字圖像處理的程序設(shè)計、應(yīng)用實例方面進行了研究與設(shè)計，設(shè)計了相應(yīng)的教學(xué)軟件。經(jīng)過近五年在本校計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、數(shù)字媒體技術(shù)的實踐教學(xué)嘗試，這樣方法能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生進行研究性學(xué)習(xí)的能力，提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才打下了堅實的基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 沈曉晶，池濤，王艷.計算機專業(yè)數(shù)字圖像處理教學(xué)體系及教學(xué)方法探討[J].長春教育學(xué)院學(xué)報，2013（23）：45-46.

[2] 熊立偉，吳德華，薛云，張維.地方本科院?！皵?shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革的思考[J].中國電力教育，2014（3）：107-108.

[3] 鄭林濤，董永生.ImageJ軟件在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2014（8）：112-113.

[4] 魏晗，陳剛，唐永旺，郭志剛.數(shù)字圖像處理的教學(xué)改革與實踐[J].中國信息技術(shù)教育，2014（8）：12-13.

[5] 陸玲，周書民.數(shù)字圖像處理基本方法及程序設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2011.

[6] 陸玲，李金萍.Visual C++數(shù)字圖像處理[M].北京：中國電力出版社，2014.

[責(zé)任編輯：陳 明]