面向工程的“數字圖像處理及應用”課程教學改革

呂秀麗 牟海維 韓建 趙麗華 楊韻桐

摘要：工程教育理念下，針對“數字圖像處理及應用”課程存在的學時少、知識點多、教學與工程實際脫軌，學生編程能力低下等主要問題進行教學改革。充分利用超星學習通網絡教學平臺，線上線下結合教學，加大MATLAB語言程序設計實踐，合理設定考核內容。實踐表明，學生的理論聯系實際、分析和解決數字圖像處理工程實際問題能力均得到了大幅提高。

關鍵詞： 數字圖像處理;教學改革;工程教育;MATLAB

中圖分類號：G64 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0134-02

“數字圖像處理及應用”課程是高校電子信息、計算機、自動化類多個專業開設的一門重要的專業課，涉及數學、物理學、生理學、心理學、電子學、攝影和計算機科學等眾多學科，是一門綜合性交叉學科[1-2]。數字圖像處理技術已被廣泛應用于視頻通信、遙感測繪、交通運輸、工業生產、機器人、生物醫學和軍事公安等各個領域，且在這些領域發揮著越來越重要的作用[3]。

1 課程存在的主要問題

（1）課時偏少，我校電子信息工程專業該課程總學時40，理論學時32，實驗學時8。涉及的先修課程知識多，先修課程包括：線性代數、概率論與數理統計、信號與系統、數字信號處理、信息論、程序設計語言等。然而在教學過程中發現學生普遍對先修課程知識掌握不夠扎實。

（2）課程知識點多而雜，教學上注重圖像處理的數學依據、數學推導等，在教學的過程中忽視理論與實際應用之間的聯系，課堂教學與工程實際脫軌，學生對前沿研究熱點了解少[4-5]。

（3）不注重編程語言的運用，學生只會調用MATLAB語言自帶函數，不利于編程能力培養，缺乏圖像處理技術的綜合應用能力。

因此，針對教學過程中存在的問題，對“數字圖像處理及應用”課程進行教學改革迫在眉睫。

2 教學改革

（1）教學團隊開展教學活動

由長期從事圖像處理算法開發的主講教師和實驗教師組建教學團隊，其中教授2人，副教授3人，集體研究課程目標、教學內容、教學方法、學生的知識儲備、國內外相關學術研究熱點，科學制訂教學方案，課程教學網站建設方案，保證各項教學活動的有序開展。

（2）使用國家級優秀教材

我校電子信息工程專業采用的教材是章毓晉教授主編的第4版《圖像工程——上冊：圖像處理》，包括4個單元。第1單元圖像增強，第2單元圖像恢復，第3單元圖像編碼，第4單元圖像拓展，內容包括圖像處理的基本概念、基本原理、典型方法、實用技術以及國際上有關研究的新成果。

（3）利用網絡平臺輔助教學

利用超星學習通網絡平臺輔助教學，學生通過學習通App完成各項任務。先修課程的相關知識點學習資料、課堂教學PPT課件、題庫習題、實驗指導書、作業、考試試卷樣例均發布到學習通平臺，便于學生課前預習，課后復習。從近五年學術期刊中挑選數字圖像處理及應用相關的前沿科技論文，發布到學習通平臺上，使學生們涉獵一定的工程實踐，達到了解圖像工程研究熱點的目的。課堂上學生通過學習通App簽到、教師提問利用“選人”功能隨機點名回答問題，驅使學生認真聽課。

（4）多種教學方法相結合開展課堂教學

課堂主要采用任務驅動、案例、對比、研討等教學方法相結合的方式授課。例如在講解圖像平滑濾波時，首先顯示幾幅帶有噪聲的圖像，然后提出怎樣去除或衰減噪聲，改善圖像質量？帶著任務展開講解。首先顯示幾幅鄰域平均法處理后的圖像，再講基本原理，然后對比不同尺寸模板的鄰域平均效果，討論得出鄰域平均法去噪的優缺點。接著引入幾個改進的方法，如：超限鄰域平均、加權平均、有選擇保邊緣平均法，先對比圖像處理結果，再講基本原理，分析得出結論。最后結合車牌識別等幾個工程實例講解鄰域平均法的實際應用。

（5） 加強實驗教學提高理論聯系實際

實驗教學是該課程的重要組成部分，目的是鞏固課堂內容，理論聯系實際，熟練掌握MATLAB語言的數字圖像處理編程，逐步培養學生解決數字圖像處理類復雜工程問題的能力。該課程設置了空域增強、頻域增強、圖像恢復和數字水印4個實驗，涉及數字圖像處理的關鍵知識點，實驗內容如表1所示。

為提高MATLAB編程語言程序設計能力，部分實驗內容要求先調用MATLAB自帶函數實現，然后不調用函數自行編程實現，對比調用函數和自行編程的實驗結果。例如：在直方圖均衡化實驗中，先調用imhist（ ）函數顯示幾幅圖像的直方圖，調用histeq（ ）函數進行直方圖均衡化，然后通過自行編程的方式統計每幅圖的灰度級，并繪制灰度級分布圖，根據課堂講解的直方圖均衡化步驟編程實現圖像的直方圖均衡化處理，對比兩種編程方式的實驗結果。

為提高學生學習興趣，學生可以使用自己拍攝的圖像或電腦繪制的圖像。實驗要求學生從教師提供的多幅具有不同亮度、對比度、紋理特性的圖像以及自行拍攝或繪制的圖像中挑選圖像做實驗，對比實驗結果，總結哪些方法適合處理哪些圖像。例如：通過實驗總結直方圖均衡化適合處理偏暗、偏亮、對比度差的圖像;中值濾波比鄰域平均去除椒鹽噪聲效果好。

將由于實驗課堂學時有限，必須充分利用預習，要求學生課前閱讀實驗指導書，提出實驗內容設計思路，畫出程序流程圖，至少MATLAB編程實現實驗內容（1）并手寫在實驗報告中。

為提高數字圖像處理綜合應用能力，設定一個綜合性設計性實驗：數字水印。實驗要求在載體圖像的DCT（離散余弦變換）域嵌入一個有意義黑白二值水印，利用校園網查閱相關期刊文獻至少3篇，設計數字水印嵌入和提取算法，繪制程序流程圖，可以利用基于紋理、基于DCT系數關系等方法。水印的攻擊測試采用通用攻擊方法如：JPEG壓縮、低通濾波、高通濾波、尺寸縮放、圖像旋轉等至少5種處理。計算含水印圖像峰值信噪比PSNR，提取水印的位錯誤率BER。該實驗應用了數字圖像處理很多知識點，包括圖像幾何變換、離散余弦變換、頻率域圖像濾波、圖像壓縮、圖像間變換、函數映射、像素間關系等，培養學生綜合應用理論知識解決問題的能力，提高程序設計能力，培養創新意識。

（6）合理設定考核

為科學評價學生成績，實現過程監控，課程考核由三部分組成：平時占20%、實驗占20%、期末考試占60%。平時包括利用MATLAB語言編程實現幾何變換、壓縮編碼的作業;通過網絡查閱期刊文獻至少5篇調研數字圖像處理某個方向（人臉識別、數字簽名、手勢識別、車牌識別等）的研究熱點，撰寫調研報告。實驗課成績由預習、課堂表現和實驗報告組成，分別占實驗成績的15%、35%、50%。實驗課上，教師對每位學生單獨提問，教師根據回答問題，編程調試完成情況綜合給出課堂表現成績。

3 總結

“數字圖像處理及應用”課程教學在東北石油大學電子信息工程專業（4個班，110人）進行了研究探索，與往屆學生對比發現，學生的MATLAB語言編程、理論聯系實際解決實際問題能力均有大幅提高，增強了數字圖像處理綜合應用能力，為學生以后的科技活動、科學研究、工程實踐奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 潘祥，劉宏申，陶陶.數字圖像處理課程的研究性實踐教學探索[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2016，33（3）：72-73.

[2] 郭永芳.課堂教學中培養學生創新能力的研究與實踐——以數字圖像處理課程為例[J].學周刊，2017（10）：25-26.

[3] 胡學敏，白麗贇，李蕾，等.針對高校信息類專業課程《數字圖像處理》的教學研究[J].信息通信，2018，31（2）：19-21.

[4] 盧桂馥，王勇.面向應用的數字圖像處理課程的教學改革與實踐[J].銅仁學院學報，2016，18（4）：101-104.

[5] 羅兵，何周浩，殷政，等.結合工程應用的《數字圖像處理》教學改革[J].教育現代化，2018，5（6）：44-46.

【通聯編輯：王力】