數字圖像處理實驗課程探索與研究

任瑞治 顧玲 嘉吳戈

摘要：本文主要針對數字圖像處理實驗課程的教學改革進行研究，結合本校數字圖像處理實驗課程，就實驗內容、實驗方法、考核方式等方面進行了創新與改革。實踐表明，數字圖像處理實驗課程的改革可以幫助學生更好的理解基礎理論知識和技術難點，激發學生對數字圖像處理課程的學習興趣，培養學生的動手能力和創新能力。

關鍵詞：數字圖像處理；實驗教學；實驗考核；實驗創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0174-02

數字圖像處理是一門由多學科知識交叉的課程，涉及光學、電子學、數學、計算機技術等領域，課程具有很強的理論性和應用性。[1]該課程包含圖像生成基礎知識和圖像處理技術的基本原理，如：圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像特征提取和圖像檢索等內容。課程涉及的一些理論很抽象，概念和原理難以理解，僅采取講授方式的教學方法無法讓學生很好地掌握這些內容，所以實驗課程是必不可少的教學環節。如何利用實驗課程幫助學生克服這些困難、提高學習興趣、培養學生的動手能力和創新能力是實驗教學過程中需要解決的問題。[2]隨著數字圖像處理技術的高速發展，實驗課程內容也需要與時俱進，實驗內容不僅要涵蓋課程的基本理論與概念，還要針對技術熱點設計實驗項目，不斷地更新實驗內容，提高課程的創新性和應用性。我校電子科學與工程學院為電子信息工程專業開設了《數字圖像處理》講授課程和實驗課程，選課人數在150人左右。經過實驗課程的教學實踐，對實驗內容、實驗方法、考核方式等方面進行了一些創新和改革，并取得了較好的教學效果。

一、數字圖像處理實驗課程的教學內容改革

數字圖像處理實驗課程的教學目標之一是幫助學生理解基礎理論知識和技術難點，激發學生對數字圖像處理技術的學習興趣。首先，實驗內容要包含課程的重要知識點，如：數字圖像技術基礎、圖像變換、圖像增強、圖像分割、形態學處理等圖像處理方法。[2]目前，國內大多數學校的數字圖像處理實驗課程都是以這些知識點作為課程的主要教學內容，實驗數據是常規的灰度或者彩色數字圖像。但是，隨著數字圖像處理技術的高速發展，應用領域的不斷擴大，僅僅學習常規圖像的處理方法已經無法保證課程的應用性和創新性。所以，實驗課程需要增加不同的圖像源作為研究對象，同時針對不同的圖像源開設實驗項目。我院在本門實驗課程中增添了無人機影像、高分辨率遙感影像等圖像源，并針對這些圖像開設了圖像拼接、圖像融合等實驗項目。在綜合實驗項目上，增加了“人臉檢測實驗”，學生在課堂上利用攝像頭采集自己的人臉信息，并通過算法提取特征點完成人臉檢測工作。通過不斷地改進實驗內容，增加新的實驗方法，讓課堂知識緊密的跟隨技術的發展，擴展學生的視野，幫助學生了解專業領域的動態，把握科研發展方向。

二、數字圖像處理實驗課程教學方法改革

傳統的實驗教學過程是教師首先通過多媒體課件形式對實驗目的、內容、步驟、代碼進行講解與分析，然后學生按照教師的指導進行程序設計完成實驗功能。實驗教學多采用Matlab軟件來完成，學生需要具有一定的編程基礎。但是，多數高校在本科期間沒有開設相關的課程來系統的學習軟件，所以在教學過程中大多數的學生無法獨立編程完成實驗內容，只能輸入授課教師準備好的程序代碼進行實驗，得到預期的結果，這種教學方法很難培養學生獨立思考的能力和創新能力，也無法達到幫助學生理解理論和概念的教學目的。經過多年的實驗教學研究和實踐，我們發現傳統的教學方法沒有很好的調動學生的積極性，在教學過程中多數的學生只是被動的參與。數字圖像處理是一門應用性很強的課程，涵蓋的技術領域也很廣，僅通過課堂的有限時間進行學習是無法讓學生真正掌握這門學科知識的，所以自學和預習顯得更為重要。針對這些實驗教學中出現的問題，我們基于Matlab軟件開發了一個數字圖像處理實驗教學系統，并使用該系統設計了實驗項目。整個系統由數字圖像技術基礎、數字圖像變換、數字圖像增強、數字圖像分割、數字圖像處理綜合實驗等6個模塊組成。實驗系統的交互界面設計采用Matlab軟件的圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface），學生可以點擊主界面上的功能按鈕進入各個功能模塊進行實驗。[3]每個模塊中包含若干個實驗項目，每個項目界面都有實驗名稱、要求、目的等提示信息，界面上還設置了功能按鈕、參數輸入窗口和顯示窗口。實驗系統設計為兩個版本，分別為教師版和學生版，主講教師可以利用教師版在課堂上進行實驗說明、程序講解和演示結果；學生版內不包含程序，學生可以按照教師的指導，在系統上完成程序設計，并得到實驗結果。實驗教學系統是基于軟件開發的，無需其他硬件設備，學生只要在電腦上安裝本實驗系統就可以操作系統對數字圖像處理課程的教學內容進行實驗。學生可以利用實驗系統在課外時間提前學習相關的軟件程序。在實驗課堂上，教師講解實驗涉及到的概念和理論，并解決學生在預習中或編程過程中遇到的問題，指導學生使用該系統完成實驗。利用實驗教學系統，將實驗課程分為提前預習、課堂實踐、解決問題等3個教學環節，培養學生獨立學習、獨立思考的能力，使得學生不僅學習了數字圖像處理技術，還掌握了Matlab軟件的編程方法。

三、數字圖像處理實驗課程考核方式改革

數字圖像處理實驗作為選修課，以往都采取開卷的考試方式，教師將設計好的題目分發給學生，讓學生在課堂以外的時間完成考試內容，最后打印并上交考試要求的題目分析、程序代碼和處理結果，教師根據這些試卷的完成情況給予學生本門課程的成績。這種考試方式很難杜絕學生的抄襲現象，不能考核出學生的真實水平。針對這些問題，我們進行了考試改革，主要方法是建立了數字圖像處理實驗的試題庫，針對實驗課程中的重點內容設計了500個題目，考試時學生隨機抽題，在規定時間內完成考試內容。考試要求學生按照題目要求，編寫程序實現功能，然后對題目中涉及到的理論、概念、處理結果進行分析說明，最后以書面形式提交分析報告。考試地點是電子科學與工程學院的實驗室，時間為兩個小時，學生只能在固定的計算機上進行操作，考試期間學生不能攜帶通訊工具和存儲設備。考試結束后，教師會對每個學生的計算機進行檢查，根據程序設計、處理結果、分析報告給予上機考試成績。實踐表明，在上機考試過程中，學生抽到的題目完全不一樣，考試題目的多樣化可以有效地杜絕學生的抄襲現象。除此之外，課程還增設了創新能力考查環節，這一環節要求學生對創新性較強的綜合實驗提交設計方案和實驗總結，這部分成績與上機考核成績經加權后成為本門課程的最終成績。通過這些方法可以考察出學生掌握課程內容的真實情況以及運用課程所學知識解決問題的能力和水平。真實的考試成績，可以幫助教師不斷地改進教學內容和教學方法，更好地提高教學質量。

四、數字圖像處理實驗課程改革取得的成效

經過多年的教學實踐與研究，數字圖像處理實驗課程已經取得了一些成效，得到了學生和同行的好評。具體成果如下：（1）不斷地完善與更新實驗教學內容。除了完成基本教學內容以外，還不斷地將新的技術研究引入實驗課程，幫助學生了解最新的科技動態，拓展了學生的視野，激發了學生的學習興趣和創新動力。（2）設計了實驗教學系統。根據課程的教學特點，設計了數字圖像處理實驗教學系統，幫助學生在課堂內、外都可以學習課程知識，充分培養了學生自學和獨立思考的能力。（3）提出了新的實驗課程考核辦法。根據實驗課程內容建立了上機考試題庫，確保學生獨立完成考試內容，杜絕抄襲現象。通過撰寫綜合實驗報告，培養學生運用所學知識解決問題的能力和創新能力。數字圖像處理實驗為學生以后的科技活動、科學研究奠定了基礎，力爭將學生培養成為高水平的創新型人才。

參考文獻：

[1]姚敏.數字圖像處理[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]賈永紅.“數字圖像處理”課程的建設與教學改革[J].高等理科教育，2007，71（1）：96-99.

[3]陳鋒銳，喬家君，閆衛陽，張喜旺，楊玲.“遙感數字圖像處理”教學改革初探[J].計算機時代，2013，（06）：67-71.