光電圖像與光信息處理實驗室建設

何艷敏, 彭真明, 甘 濤, 劉 爽

(電子科技大學 光電信息學院,四川 成都 610054)

實驗室建設與管理

光電圖像與光信息處理實驗室建設

何艷敏, 彭真明, 甘 濤, 劉 爽

(電子科技大學 光電信息學院,四川 成都 610054)

在光電圖像與光信息處理專業(yè)實驗室的建設過程中,形成了“軟件與硬件設計相結合、光與電相結合、單元技術與系統(tǒng)實驗相結合”的三結合體系；依托該光電圖像與光信息處理實驗室的建設,進行了創(chuàng)新實驗教學模式的嘗試,為培養(yǎng)創(chuàng)新型的光電技術人才提供實驗和實踐平臺,加強了理論知識和實踐的融合,取得了良好的實驗教學效果。

光電圖像； 光信息處理； 創(chuàng)新實驗教學

隨著信息技術的飛速發(fā)展,光電圖像與光信息處理技術日益在光電工程、光信息科學與技術的各個領域中發(fā)揮重要的作用,其專業(yè)技術人才的需求也越發(fā)旺盛[1-3]。光電圖像與光信息處理實驗室建設是為了光電信息學院“光電探測與信息處理”方向的本科生專業(yè)核心課程“光電圖像處理”(2009年四川省精品課程)、“紅外與微光技術” “光電探測與系統(tǒng)” “信息光學” “聲光技術”等課程教學服務的[4]。作為光電信息學院的主干專業(yè)必修課之一的 “光電圖像處理”,是一門理論和實踐結合極強的專業(yè)課程,對于培養(yǎng)符合科技發(fā)展以及社會需求的光電圖像處理的專業(yè)人才,提供了重要的保障。本實驗課程也可作為“紅外與微光技術” “光電探測與系統(tǒng)” “信息光學”等課程的配套實驗,對于光電信息技術相關專業(yè)的本科教學具有重要的地位[5-7]。在教授相關理論知識的前提下,建立一個具有較完整體系的光電圖像與光信息處理專業(yè)實驗室,對于學生深入理解光電圖像及光信息處理的相關理論知識,培養(yǎng)動手能力和科研素養(yǎng),有著十分重要的意義。

目前,我院光電信息科學與工程(光通信與光電工程,信息顯示科學與技術)2個專業(yè)本科生人數達260余人。針對這2個專業(yè)的“光電圖像處理”等課程的實驗教學,僅僅依靠上機實驗,簡單地在PC平臺上運行個別基礎光電圖像處理仿真算法,已經不能滿足學生的要求。建設該專業(yè)實驗室不僅能夠提供本科相關課程教學實驗所需,讓學生對于光電探測系統(tǒng)中的信息采集、傳輸、處理及顯示等全套教學流程有清楚的了解,也能夠為相關專業(yè)的研究生甚至教師的研究實驗提供合適的設備和資源。因此,迫切需要建設一個資源共享的光電圖像與光信息處理專業(yè)實驗室,為光電信息學院廣大師生提供科研、教學服務[8]。該實驗室的建設為學校本科實驗室專項建設項目,校撥經費為80萬元,完全新建。實驗室基本架構見圖1。

圖1 光電圖像與光信息處理實驗室基本架構

1 實驗室基礎建設

光電圖像與光信息處理實驗室覆蓋面廣,從點到面,需要讓學生了解光電探測系統(tǒng)中的信息采集、傳輸、處理、顯示到應用等全套流程,為此實驗室的硬件建設要能滿足這個需求。在該實驗室建設過程中,根據建設和具體實驗項目設計的要求,實驗室購買的儀器設備有三維立體掃描系統(tǒng)、手持式紅外熱像儀、在線式紅外熱像儀、激光平面干涉儀、激光測距儀、SEED-DEC643視頻處理系統(tǒng)、信號發(fā)生器、數字示波器、數字顯微鏡、全景云臺、防震臺等。

通過建設光電圖像與光信息處理實驗室，學生能夠了解學習相應的儀器設備構造、掌握它們的工作原理,并通過實際操作儀器設備采集后面需要處理的信號、圖像。例如通過在線式紅外熱像儀或手持式紅外熱像儀采集紅外圖像,將其傳輸、顯示到計算機上,再做進一步處理應用；通過激光平面干涉儀采集到各種干涉圖像；通過視頻處理系統(tǒng)實際采集到和學生生活相關的一些視頻材料,再傳輸到計算機等。學生自己操作儀器設備采集圖像信號,理解更深刻,解決了傳統(tǒng)的只使用現成圖像信號來處理的問題。

2 實驗項目

依托光電圖像與光信息處理實驗室的建設,實驗項目組進行了創(chuàng)新實踐教學模式的嘗試,構建了“以光電物理現象認知、以鍛煉設計能力為中心、以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為導向”的實驗及實踐教學體系。實驗項目涉及從信息產生、傳輸、顯示到應用,以綜合運用課堂知識、學習設計思路、掌握實驗手段為主要內容,著力培養(yǎng)學生的實驗技能和綜合科學研究能力，完善實驗指導書和編寫實驗教程,設置了具有階梯推進式的實驗內容和實驗課程體系,有效補充光電專業(yè)的教學內容[9]。

在實驗教學內容設計方面,實驗項目是課程組教師在綜合考慮實驗涉及的知識點、實驗難度、實驗拓展性等多方面因素的基礎上擬定的。通過這些實驗項目的進行,可以在有限的時間內,讓學生強化課程的相關知識點。在實驗過程中,課程組教師特別注意對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng),經常提出思考性問題,促使學生獨立查閱相關文獻資料并提出具體的實驗方法和步驟,鼓勵他們勇于想象、大膽創(chuàng)新。

光電圖像與光信息處理實驗項目共包含10個實驗,其中1個驗證性實驗、2個設計性實驗，其余全部為綜合性實驗。這些實驗內容涵蓋了光電探測系統(tǒng)中的信息采集、傳輸、處理及顯示的基本應用,并留給學生擴展的空間,發(fā)揮他們的主觀能動性[10]。具體的實驗項目如下:

(1) 光電圖像采集與數字化實驗。 該實驗為驗證性實驗,讓學生掌握使用平面掃描儀、三維立體掃描儀等數字化設備以及CCD相機、視頻采集卡等獲取光電圖像、數字視頻的方法,同時將光電圖像采集設備與計算機和打印機連接,將光電圖像顯示出來,可以修改光電圖像的存儲格式。

(2) 紅外圖像獲取、顯示及處理實驗。該實驗為綜合性實驗,讓學生了解紅外成像機理、熟悉紅外熱像儀的結構、掌握在線式紅外熱像儀和手持式紅外熱像儀的使用、采集紅外圖像、顯示紅外圖像,并對紅外圖像進行處理、增強紅外圖像的識別度、對紅外圖像進行直方圖均衡化等。

(3) 紅外圖像的非均勻性校正實驗。該實驗讓學生了解紅外圖像非均勻性產生的原因,熟悉紅外圖像非均勻性校正的常用方法,掌握紅外圖像的一點法、兩點法和多點法非均勻性校正原理。學生分別采用不同的非均勻性校正方法對采集到的紅外圖像進行校正,比較不同方法校正產生的不同結果。

(4) 光電圖像頻譜分析實驗。學生通過這個綜合性實驗熟悉視頻顯示程序的運行、控制過程,搞清光電圖像數據處理、傳輸途徑。同時要求學生結合實例學習在實時視頻顯示程序中增加對光電圖像處理的算法。該實驗讓學生掌握傅里葉變換,二維離散傅里葉變換和快速傅里葉變換的原理,學習快速傅里葉變換的程序設計和計算方法,獲取傅里葉變換的幅度頻譜特征。

(5) 光電圖像的退化與復原實驗。通過該綜合性實驗,學生能掌握光電圖像退化/復原模型,設計光學散焦中的點擴展函數、掌握逆濾波和維納濾波光電圖像復原方法,同時利用DSP SEED-DEC643視頻處理系統(tǒng),編寫程序代碼來實現光電圖像復原。

(6) 光學干涉圖分析與處理實驗。本實驗讓學生了解和分析球面、平面、機械表面、陶瓷、半導體晶片表面面形以及光學波前特性。將單幅或多幅條紋圖導入計算機中,利用條紋追蹤技術或相移算法解析干涉條紋圖,進行波前的幾何分析及衍射分析,觀察被測件的表面面形或形變,分析干涉圖與溫度、應力及振動等因素的函數關系。利用編程進行簡單干涉圖的處理與分析,對處理結果進行評價。

(7) 多源光電圖像融合系統(tǒng)設計實驗。通過該設計性實驗,讓學生了解多源光電圖像(多波段紅外、紫外、可見光、高光譜遙感等)融合目的、意義和用途,理解和掌握圖像融合的基本原理,掌握光電圖像融合的實現步驟和流程,能夠編程實現兩幅及多源傳感器圖像融合,并進行定量評價。

(8) 激光光斑圖像檢測與測距實驗。學生通過這個綜合性實驗了解激光測距的基本原理和激光光斑有效區(qū)域檢測原理,掌握激光光斑圖像處理方法, 熟悉激光光斑中心定位方法,分析各種邊緣檢測算法對激光光斑圖像的處理效果差別,對不同算法導致測距結果的差異進行精度分析。

(9) 光電視覺測量系統(tǒng)綜合實驗。該實驗利用專業(yè)照明光源、工業(yè)CCD圖像采集系統(tǒng)、數字顯微鏡、計算機或圖像工作站搭建完整的光電測量機器視覺系統(tǒng),利用搭建的光電測量系統(tǒng)對零件的幾何形狀參數進行測量,掌握測量典型幾何圖形——直線、圓孔等的基本計算方法。

(10) 光電成像目標跟蹤系統(tǒng)設計實驗。該設計實驗能讓學生熟悉掌握各種圖像預處理方法,并了解這些方法在圖像分析與識別、目標檢測跟蹤等應用中所起作用。用編程來完整實現從圖像預處理、圖像分割、特征提取與分析及各種應用的完整流程,綜合利用學到的光電圖像處理知識,解決目標檢測、目標識別及目標定位跟蹤問題,提高學生利用圖像處理知識解決實際問題及分析問題的能力。

實驗項目在基礎(驗證)性、綜合性、設計性3個層次的基礎上,同時提出若干開放性、挑戰(zhàn)性實驗題目,鼓勵學生自主創(chuàng)新，鼓勵和支持本科生積極參與國際、國內科技創(chuàng)新競賽等活動,培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力,提升他們的軟件設計、硬件開發(fā)和科研實踐能力，探索培養(yǎng)學生實踐能力和綜合素質的新教學模式等[11]。

3 實驗室的特色

光電圖像與光信息處理實驗室具有以下特色。

(1) “軟硬、光電、單元與系統(tǒng)”三結合體系。實驗室的建設,形成了“軟件與硬件設計相結合,光與電相結合,單元技術與系統(tǒng)實驗相結合”的三結合體系。涉及硬件系統(tǒng)搭建、程序與軟件設計,全面培養(yǎng)學生動手能力。對于工程技術類學生而言,面臨著要將書本所學知識應用于實際工作崗位的現實問題,因此,培養(yǎng)學生動手實踐能力、提高分析解決問題的能力顯得至關重要，既有光學信息的獲取采集,也涉及采集之后相應的光信息圖像處理,培養(yǎng)光電結合的創(chuàng)新人才。部分新立實驗項目源于實驗室教師科研項目,既有單元技術實驗,也涉及綜合實驗，對學生了解光電系統(tǒng)及其核心技術有重要意義。

(2) 創(chuàng)新的教學和實驗模式。在傳統(tǒng)的教學和實驗模式中,一般是先進行理論知識的講解,再進行實驗,往往會造成理論環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)的脫鉤。光電圖像與光信息處理實驗室的建設,大膽進行了創(chuàng)新實踐教學模式的嘗試,構建了“以光電物理現象認知、以鍛煉設計能力為中心、以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為導向”的實驗及實踐教學體系。實驗項目涉及從信息產生、傳輸、顯示到應用,以綜合運用課堂知識、學習設計思路、掌握實驗手段為主要內容,著力培養(yǎng)學生的實驗技能和綜合科學研究能力,完善理論教學與實踐教學相結合、課內外相結合的課程體系,強化實踐訓練,探索培養(yǎng)學生實踐能力的教學和實驗模式。

(3) 擴展性和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。實驗室的建設,充分利用學院的科研優(yōu)勢,以科研帶動和彌補實驗教學,將團隊的科研課題研究內容和取得的技術成果科學地轉化為實驗教學項目,提高綜合性、設計性實驗項目的比重。更新實驗教學內容,倡導實驗教學內容既要充分體現科學研究的精髓,又要注重學生操作性、創(chuàng)造性訓練以及系統(tǒng)思維和整體設計能力的培養(yǎng),提升了實驗教學的檔次和水平。依托實驗室,指導學生參與國家大學生創(chuàng)新實驗計劃、校級創(chuàng)新基金項目及大學生科研訓練計劃(undergraduate research training program,URTP)等國際、國內科技創(chuàng)新競賽活動,引導學生盡早參加科學研究基本訓練,培養(yǎng)學生的科研能力和創(chuàng)新能力,實現科研資源與人才培養(yǎng)的有機結合[3]。實驗室成為工程技術類學生開展課程綜合訓練、URTP、創(chuàng)新基金等科研訓練項目和課外科技競賽活動的研究基地,成為學生科研啟蒙、提高能力、孕育成果的實踐舞臺。

4 結語

光電圖像與光信息處理實驗室的建設將科研轉化為本科生教學實驗項目,建成光電圖像處理、光信息處理等光電工程技術領域國內一流水平的專業(yè)實驗室,為培養(yǎng)創(chuàng)新型的光電技術人才提供實驗和實踐平臺,契合了相關學科的應用,加強了理論知識和實踐的融合,取得了良好的實驗教學效果。

References)

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Construction on laboratory for optoelectronic image and optical information processing

He Yanmin, Peng Zhenming, Gan Tao, Liu Shuang

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

During the process of the construction on the laboratory for Optoelectronic Image and Optical Information Processing speciality, a three-combined system: “Combination of software with hardware designs, combination of light with electricity,and combination of unit technology with system experiments” is established. Based on the construction of the laboratory for optoelectronic image and optical information processing, the exploration on the innovative experimental teaching mode is carried out in order to provide an experimental and practical platform for cultivating innovative optoelectronic technology talents, and strengthen the integration of theory and practice, which has made the good experimental teaching effect.

optoelectronic image; optical information processing; innovative experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.056

2016-11-02

國家自然科學基金青年科學基金項目(41301460)

何艷敏(1977―),女,四川成都,博士,副教授,主要研究方向為圖像處理及模式識別.

E-mail：heyanmin@uestc.edu.cn

G642

A

1002-4956(2017)5-0223-03