基于工程項目的圖像處理實驗教學(xué)實踐

吳昌東， 陳永強(qiáng)， 江 樺

(1. 西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院， 成都 610039；2. 西南交通大學(xué)(峨眉校區(qū)) 計算機(jī)與通信工程系， 四川 峨眉 614202)

0 引 言

為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃及教育部2017年工作要點中明確指出，將推進(jìn)高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計劃，深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，踐行知行合一，強(qiáng)化學(xué)生動手實踐能力，將實踐教學(xué)作為深化教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力。

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神及實踐能力的重要方法和手段，是學(xué)生進(jìn)行工程實踐的必由之路。通過實驗，學(xué)生不僅可以理解、鞏固所學(xué)理論知識，還能培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力及工程開發(fā)能力。數(shù)字圖像處理是電子信息工程、通信工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的重要專業(yè)課程，其目的是使學(xué)生了解和掌握數(shù)字圖像處理的基本內(nèi)容和方法[1]。該課程應(yīng)用前景廣闊、更新發(fā)展快、理論性及實踐性較強(qiáng)[2]。教學(xué)時，不僅要做好理論知識的傳授，還要重視實踐力的培養(yǎng)。

1 基于工程項目的實驗教學(xué)

1.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

圖像處理技術(shù)內(nèi)容豐富，發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、航空航天等領(lǐng)域[3]。該課程要求學(xué)生掌握圖像處理的基本概念、基本原理和分析方法，掌握一定的編程實踐技能。傳統(tǒng)的圖像處理實驗側(cè)重于理論驗證，規(guī)模較小[4]，實踐平臺單一[5]，實驗內(nèi)容簡單枯燥[1]，缺少設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗。很多實驗未考慮知識的應(yīng)用性，只為得到一個驗證性的答案。所處理的圖像多為實驗標(biāo)準(zhǔn)測試圖像，網(wǎng)上就能找到對應(yīng)程序，學(xué)生照搬照抄，不能深層次理解理論內(nèi)容和程序原理及算法，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性及主動性，實踐能力及創(chuàng)新能力無法得到有效的提高[6]。此外，實驗教學(xué)中缺少新內(nèi)容、新方法和新手段，無法開闊學(xué)生視野。實驗缺少工程項目應(yīng)用背景，學(xué)生無法將理論與實際工程項目建立起聯(lián)系，不知道如何將所學(xué)知識運(yùn)用到實踐中，造成理論與實踐脫節(jié)，從而無法滿足現(xiàn)代工程發(fā)展的需要，不利于培養(yǎng)理論與實踐相結(jié)合的實用型人才。因此，實驗教學(xué)應(yīng)緊跟時代步伐，根據(jù)項目實際需要，改變實驗教學(xué)設(shè)計，重視學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力的培養(yǎng)[7]。

1.2 基于工程項目實驗教學(xué)的優(yōu)點

隨著國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重視，很多用人單位要求學(xué)生具備一定的動手實踐能力。因此，必須以就業(yè)為導(dǎo)向，立足學(xué)生的專業(yè)背景，以工程實際項目為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生工程意識、創(chuàng)新意識、實踐能力、理論聯(lián)系實際能力、分析問題和解決問題等創(chuàng)新能力為目標(biāo)[8]。針對實際項目需要，保留必要的經(jīng)典驗證性實驗前提下注重結(jié)合工程實際，以項目應(yīng)用為導(dǎo)向，設(shè)計教學(xué)實驗。

基于項目的實驗教學(xué)是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補(bǔ)充和深化[9]。該方法強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，以學(xué)生專業(yè)特色為基礎(chǔ)，以典型工程應(yīng)用為背景，以學(xué)生為主體，選擇工程實際問題作為實驗內(nèi)容，讓學(xué)生了解項目背景及實際工程意義，將理論知識向工程實際應(yīng)用拓寬，加強(qiáng)學(xué)生工程素質(zhì)、工程意識和實踐能力的培養(yǎng)。由于實驗具有工程背景、技術(shù)前沿動態(tài)及發(fā)展趨勢[1]，因此可實現(xiàn)基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的結(jié)合。通過對傳統(tǒng)經(jīng)典實驗的繼承、發(fā)展與創(chuàng)新，不斷提高實驗項目的科學(xué)性、先進(jìn)性，從而全方位、多層次激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力。通過實驗，不僅很好地掌握理論知識，還能通過對實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，了解理論知識與實際應(yīng)用的差別，提升學(xué)生基礎(chǔ)知識和實際工程相結(jié)合的能力[10]。通過將實驗?zāi)芰Γこ桃庾R、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)納入實驗教學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生利用理論知識解決工程實際問題的思維和方法[11]。

圖像處理包含圖像去噪、增強(qiáng)、分割、壓縮、編碼、特征提取、分類及圖像識別等方法和技術(shù)，這些技術(shù)與工程項目應(yīng)用息息相關(guān)。比如電力系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測項目，該項目運(yùn)用圖像處理技術(shù)檢測接觸網(wǎng)工作狀態(tài)，以便提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，避免發(fā)生事故。項目中，首先采集接觸網(wǎng)圖像，然后對圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)等預(yù)處理，再對圖像進(jìn)行分割，并對分割后圖像進(jìn)行特征提取，通過對接觸網(wǎng)中的零部件進(jìn)行分類，識別，判斷接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)。其工作流程如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測流程

該圖是圖像處理技術(shù)在實際項目中的應(yīng)用。實驗內(nèi)容涉及圖像處理方面的知識較為廣泛，所用方法除了傳統(tǒng)經(jīng)典方法之外，還要針對采集的實際圖像進(jìn)行實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。本文以項目中的圖像增強(qiáng)實驗為例，分別處理國際標(biāo)準(zhǔn)測試圖像與實際采集的接觸網(wǎng)圖像。根據(jù)實驗結(jié)果，分析理論與實際之間的異同，并引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實驗方法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐等綜合能力。

2 圖像增強(qiáng)的實驗教學(xué)設(shè)計

由于圖像采集設(shè)備或天氣環(huán)境等因素的影響，有些圖像視覺效果不好，需要進(jìn)行增強(qiáng)處理。圖像增強(qiáng)的目的就是突出圖像中的重要信息而抑制無用信息，提高圖像質(zhì)量，改善圖像視覺效果，使得處理后的圖像更符合人眼視覺需要或用計算機(jī)對其作進(jìn)一步的處理。本實驗以圖像增強(qiáng)方法為例，由淺入深地介紹了圖像增強(qiáng)技術(shù)的具體應(yīng)用。在增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)測試圖像基礎(chǔ)上，將理論知識應(yīng)用于實際，通過對實際采集接觸網(wǎng)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，并對不同增強(qiáng)方法效果進(jìn)行對比分析，從而加深學(xué)生對圖像處理課程及其工程應(yīng)用的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性及主動性，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識及實踐能力[12]。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)圖像增強(qiáng)技術(shù)

圖像增強(qiáng)可分成頻率域法和空間域法兩大類[13]。頻率域法直接對圖像灰度級做運(yùn)算，空間域法在圖像的某種變換域內(nèi)對圖像的變換系數(shù)值進(jìn)行操作。針對圖像特點，可以采用不同的方法對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

分別采用全域線性變換、直方圖均衡化、中值濾波、小波變換等方法增強(qiáng)國際標(biāo)準(zhǔn)測試圖像，其實驗結(jié)果如圖2所示。視覺效果方面，全域線性變換有一定的圖像增強(qiáng)效果，但效果并不突出；直方圖均衡化增強(qiáng)效果最明顯，對比度得到有效地提高；中值濾波方法增強(qiáng)后的圖像較平滑；小波變換增強(qiáng)后的圖像細(xì)節(jié)保存較好。此時，讓學(xué)生觀察實驗結(jié)果，并結(jié)合每種增強(qiáng)方法的特點分析為何得到不同的實驗結(jié)果，逐步提高學(xué)生分析問題的能力。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)圖像增強(qiáng)效果

根據(jù)圖2實驗結(jié)果，絕大部分同學(xué)覺得直方圖均衡化增強(qiáng)效果最明顯，于是得出直方圖均衡化增強(qiáng)方法最好。此時，老師應(yīng)趁熱打鐵，及時提出問題：對于實際圖像，是否也是直方圖均衡化增強(qiáng)效果最好呢？由此引入實際應(yīng)用，提高學(xué)生興趣，吸引學(xué)生對實際采集圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

2.2 實際圖像增強(qiáng)技術(shù)

圖像增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，比如交通視頻監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)械零部件的分類與識別、圖像去霧、電力設(shè)備的故障監(jiān)測等場合[14-16]。接觸網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的工作狀態(tài)直接影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，若其出現(xiàn)故障，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)場采集的部分接觸網(wǎng)圖像具有低灰度值、低對比度，模糊的輪廓和邊緣、大噪聲等特點，需要對其進(jìn)行增強(qiáng)處理。本實驗首先采用圖2中的增強(qiáng)方法對其進(jìn)行增強(qiáng)處理，處理結(jié)果見圖3。并分析實驗結(jié)果，然后針對實驗中出現(xiàn)的問題提出改進(jìn)方案，從而進(jìn)一步提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

圖3中，從視覺效果考慮，采用直方圖均衡化增強(qiáng)方法，雖然接觸網(wǎng)零部件得到了增強(qiáng)，但增強(qiáng)后的圖像含有大量噪聲，效果很差，這與圖2實驗結(jié)果是矛盾的。大部分同學(xué)覺得不可思議，就會主動思考為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果。整個思考過程對學(xué)生尤為重要，有助于他們更深刻的理解理論知識及培養(yǎng)分析實際問題的能力。此時，老師引導(dǎo)學(xué)生思考問題產(chǎn)生的可能原因，建議學(xué)生從實際采集圖像的特點進(jìn)行分析，鼓勵學(xué)生參與討論。并提出當(dāng)理論與實際結(jié)果不一致時，該怎么樣去分析實驗結(jié)果？如果增強(qiáng)效果不好，該如何改進(jìn)傳統(tǒng)方法，提高增強(qiáng)效果？這一連串的提問，會提高學(xué)生求知欲，促使他們進(jìn)一步實驗。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)直方圖均衡化方法對標(biāo)準(zhǔn)測試圖像增強(qiáng)效果好，對實際采集的接觸網(wǎng)圖像增強(qiáng)效果不好，就會進(jìn)一步觀察它們的直方圖。標(biāo)準(zhǔn)測試圖像和實際圖像的直方圖如圖4所示。

標(biāo)準(zhǔn)測試圖像直方圖均衡化后，圖像灰度值分布均勻，增強(qiáng)效果好；而實際圖像的直方圖均衡化后，圖像灰度值仍較為集中，增強(qiáng)效果不理想。這是由于實際圖像灰度值太低，同時含有噪聲所致。此時，老師可做適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生思考如何改進(jìn)方法，優(yōu)化程序，并關(guān)注一些圖像處理的前沿技術(shù)，比如提升小波、超小波等圖像處理方法，拓寬學(xué)生知識面，提高求知欲。通過實驗，學(xué)生學(xué)會了如何處理實際工程項目問題，分析問題及解決問題的能力也得到相應(yīng)提高。實踐表明，基于工程項目的實驗教學(xué)法不僅鍛煉了學(xué)生的算法分析、程序編寫、優(yōu)化及調(diào)試能力，學(xué)生對項目背景及意義也有了更深刻的認(rèn)識與理解，真正意義上實現(xiàn)了學(xué)以致用。目前，該方法已經(jīng)取得了一定的效果。我校電氣與電子信息學(xué)院的同學(xué)積極加入創(chuàng)新實驗室，積極參加全國大學(xué)生電子競賽并多次獲獎，連續(xù)多年有學(xué)生成功申請到全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目及學(xué)校的“西華杯”項目，也有部分學(xué)生申請國家專利多項，在國家級期刊發(fā)表論文多篇，效果較為顯著。同時，將項目內(nèi)容運(yùn)用于實驗中，有利于教師改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)水平，這對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義。

圖3 實際圖像增強(qiáng)效果

圖4 標(biāo)準(zhǔn)圖像及實際圖像增強(qiáng)效果及其直方圖

3 結(jié) 語

基于工程項目的實驗教學(xué)在傳統(tǒng)實驗教學(xué)基礎(chǔ)上，通過引入實際工程項目，將理論應(yīng)用于實際，學(xué)以致用，極大地豐富了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式。基于工程實踐的項目緊跟學(xué)科和專業(yè)發(fā)展，具有更為明確的工程背景及意義。通過對實驗標(biāo)準(zhǔn)測試圖像及實際圖像的處理與分析，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓寬了學(xué)生知識面，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決工程項目的能力，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型及綜合型人才。通過基于工程項目的實驗教學(xué)，讓學(xué)生關(guān)注所用技術(shù)的現(xiàn)狀、熱點、新領(lǐng)域，運(yùn)用新思維、新方法來解決實際問題，并可將該方法進(jìn)行推廣，運(yùn)用到更多學(xué)科的實驗教學(xué)中。