農(nóng)業(yè)院校數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)方法探討

王玉偉　劉路　廖娟　唐七星

摘要 ? ?數(shù)字圖像處理是一門理論與實踐緊密結(jié)合的專業(yè)課程，實踐教學(xué)作為一種有效的課堂教學(xué)方法，發(fā)揮著舉足輕重的作用。優(yōu)秀的實踐教學(xué)能夠凸顯課程的實用性，進而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，鞏固理論知識，鍛煉動手能力，提升教學(xué)質(zhì)量。本文分析了數(shù)字圖像處理的課程特點，并以農(nóng)業(yè)院校為例，探討如何更好地實施實踐教學(xué)。

關(guān)鍵詞 ? ?數(shù)字圖像處理;實踐教學(xué);農(nóng)業(yè)院校

中圖分類號 ? ?G642 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）16-0242-02

Exploration ?on ?Practice ?Teaching ?Method ?for ?Digital ?Image ?Processing ?of ?Agricultural ?Universities

WANG Yu-wei ? ?LIU Lu ? ?LIAO Juan ? ?TANG Qi-xing

（College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei Anhui 230036）

Abstract ? ? Digital image processing is a professional course that combines theory with practice. As an effective method of classroom teaching， practice teaching plays an important role. Excellent practice teaching can highlight the practicality of the course， then stimulate learning interest， consolidate theoretical knowledge， exercise practical ability， and improve teaching quality. This paper analyzed the course characteristics of digital image processing， and took agricultural universities as an example to explore how to implement practice teaching better.

Key words ? ?digital image processing; practice teaching; agricultural university

隨著電子信息和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，極大地推動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字圖像處理專業(yè)人才比較緊缺，尤其是基礎(chǔ)知識扎實、創(chuàng)新能力突出的專業(yè)人才，因而培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才的需求越來越高[1]。數(shù)字圖像處理是電子信息類的重要專業(yè)課程，主要包括數(shù)字圖像基礎(chǔ)、灰度變換、空域濾波、頻域濾波、小波分析、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)處理、圖像分割、目標識別等[2]。該課程綜合性較強，內(nèi)容多、跨度大、覆蓋面廣，涉及計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科知識;該課程理論和實踐緊密結(jié)合，通過動手編程將理論公式轉(zhuǎn)化為算法代碼，觀測數(shù)字圖像處理結(jié)果，并加以總結(jié)歸納，加深對理論公式的理解;該課程對學(xué)生創(chuàng)新能力要求較高，針對不同的應(yīng)用場景和需求設(shè)計編寫相應(yīng)的數(shù)字圖像處理算法，并通過大量數(shù)據(jù)測試來驗證算法的有效性[3]。然而，傳統(tǒng)課程教學(xué)過程中存在諸多問題：圖像處理涉及大量的數(shù)學(xué)公式，且理論推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，導(dǎo)致課程內(nèi)容枯燥乏味、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高;教師拘泥于固定的教材案例，圖像數(shù)據(jù)和算法比較單一，串聯(lián)多個知識點的綜合應(yīng)用較少，導(dǎo)致學(xué)生綜合運用圖像處理算法的能力較弱;學(xué)生缺乏動手編程經(jīng)驗，往往出現(xiàn)眼高手低的情況，理論和實踐脫節(jié)嚴重，解決實際問題的能力較弱[4]。根據(jù)數(shù)字圖像處理課程的上述特點和問題，如何針對不同專業(yè)設(shè)計不同的實踐教學(xué)，運用理論知識解決實際問題，顯得尤為重要[5]。根據(jù)農(nóng)業(yè)院校的培養(yǎng)需求，本文選擇谷粒計數(shù)作為實踐教學(xué)案例，并講述該教學(xué)案例的具體實踐過程。

1 ? ?圖像采集實踐

圖像采集是圖像處理的前提，良好的圖像質(zhì)量將大幅降低圖像處理難度。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，受限于專業(yè)的圖像采集設(shè)備，教師往往只使用教材中的圖像素材，復(fù)現(xiàn)教材中的圖像處理算法，容易忽略圖像采集這一重要環(huán)節(jié)。隨著智能手機的逐漸普及，其成像質(zhì)量不斷提高，對于簡單應(yīng)用場景，指導(dǎo)學(xué)生利用智能手機進行圖像采集具有較強的可行性。教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析應(yīng)用需求，確定光源、背景、拍攝角度和距離等參數(shù)，保證所采集的圖像質(zhì)量，便于后續(xù)的圖像處理。

例如，如果要實現(xiàn)谷粒計數(shù)，需要將谷粒從圖像中分割出來，然后統(tǒng)計谷粒區(qū)域個數(shù)。為了保證谷粒圖像分割的準確性，谷粒和背景之間的對比度越高越好。對于不同種類的谷物，其表面顏色差異較大，因而選擇合適的拍攝背景有利于提升圖像的對比度。例如，大米可以選擇黑色背景，綠豆可以選擇白色背景，這樣采集到的圖像中谷粒和背景的顏色存在明顯差異，谷粒圖像分割閾值的選取比較容易。圖1為使用iPhone XR拍攝的白色背景下大米和綠豆的圖像，可明顯看出大米與背景之間的對比度較低，綠豆與背景之間的對比度較高。同時，為了保證谷粒個數(shù)統(tǒng)計的準確性，谷粒擺放時需要保證谷粒之間存在一定間隙，避免出現(xiàn)谷粒緊挨的情況。對上述案例進行拓展，教師可以讓學(xué)生思考如何采集小麥、大豆、玉米、花生等谷物圖像，并安排學(xué)生課后驗證圖像采集效果，提升學(xué)生動手實踐能力。

2 ? ?圖像處理實踐

采集到谷粒圖像以后，下一步需要對圖像進行分析處理，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析圖像特征，確定大致的圖像處理流程，并通過軟件編程實現(xiàn)，再根據(jù)實驗結(jié)果逐步調(diào)整算法參數(shù)，最終達到預(yù)期目標。通過MATLAB編程實現(xiàn)綠豆顆粒計數(shù)，其具體流程如下：①調(diào)用灰度化處理函數(shù)rgb2gray，將圖2（a）所示的彩色圖像轉(zhuǎn)化為圖2（b）所示的灰度圖像;②調(diào)用 OSTU閾值分割函數(shù)imbinarize，將綠豆從白色背景中分割出來，如圖2（c）所示;③調(diào)用孔洞填充函數(shù)imfill，對圖 2（c）中的孔洞進行填充，結(jié)果如圖2（d）所示;④調(diào)用連通域標記函數(shù)bwlabel，對圖2（d）中的連通域進行標記，結(jié)果如圖2（e）所示;⑤最后對連通域個數(shù)進行統(tǒng)計，并將計數(shù)結(jié)果顯示在原始圖像上，如圖2（f）所示。

在上述實踐案例講授過程中，可以通過提問方式引導(dǎo)學(xué)生積極參與討論。例如，圖2（c）分割出的綠豆區(qū)域為何存在孔洞？因為綠豆種臍的顏色偏白，其灰度值大于OSTU閾值。在圖像拍攝過程中為何一定要避免出現(xiàn)谷粒緊挨的情況？因為上述算法假設(shè)圖2（e）中的每個連通域只對應(yīng)1個谷粒區(qū)域，這樣谷粒個數(shù)就等于連通域個數(shù)，如果多個谷粒緊挨，將會導(dǎo)致連通域與谷粒區(qū)域的一一對應(yīng)關(guān)系被破壞，輸出錯誤的計數(shù)結(jié)果。通過這種一問一答的方式，可以有效激發(fā)學(xué)生的求知欲，提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。以上述算法作為參考，安排學(xué)生課后實現(xiàn)小麥、大豆、玉米、花生等谷物的顆粒計數(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的算法編程能力和開拓創(chuàng)新能力，讓學(xué)生切實感受到學(xué)有所用。

3 ? ?結(jié)語

本文選擇谷粒計數(shù)作為農(nóng)業(yè)實踐教學(xué)案例，指出了圖像數(shù)據(jù)采集的重要性，綜合運用了圖像閾值分割、孔洞填充、連通域標記等圖像處理算法，并使用MATLAB編程實現(xiàn)整個實踐過程的具體化、形象化、可視化，指導(dǎo)學(xué)生綜合運用數(shù)字圖像處理的理論知識解決實際問題。實踐教學(xué)的有效實施不僅有助于提升課堂教學(xué)的趣味性，鞏固學(xué)生的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，同時還能夠提升學(xué)生的編程能力，為將來從事相關(guān)行業(yè)打下堅實的專業(yè)基礎(chǔ)。

4 ? ?參考文獻

[1] 翟瑞芳，彭輝，劉善梅，等.農(nóng)業(yè)院校數(shù)字圖像處理課程創(chuàng)新實踐教學(xué)[J].計算機教育，2012（5）：25-29.

[2] 宋懷波，何東健，龍燕，等.農(nóng)業(yè)院?！稊?shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革與實踐[J].考試周刊，2014（70）：10-11.

[3] 郭琳琴，楊艷.《數(shù)字圖像處理數(shù)學(xué)方法》案例教學(xué)探討[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2018，30（6）：81-84.

[4] 李婕，鞏朋成.關(guān)于《數(shù)字圖像處理》課程的體會與思考[J].教育教學(xué)論壇，2018（47）：216-217.

[5] 馬慧敏，袁濤，焦俊，等.基于數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容的實踐案例實施[J].科教導(dǎo)刊，2019（12）：91-93.

基金項目 ? 安徽省教學(xué)研究項目（2019jyxm0110）;安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校級質(zhì)量工程項目（2019aujyxm33，2019aujyxm27，2019aujyxm34）。

作者簡介 ? 王玉偉（1991-），男，安徽太和人，博士，講師。研究方向：數(shù)字圖像處理。

收稿日期 ? 2020-05-05