圖像編程仿真的實驗教學

張學軍

摘要：本研究針對高校理工科專業電子信息學科本科生“數字圖像處理”課程的課堂教學模式，運用互聯網+等現代信息技術手段實施互動型教學，并基于對照結果對其今后的發展和健全提出改善方案和建議，以期達到“金課”標準和要求。

1. 引言

數字圖像處理這門課程的基本原理常常需要用抽象的數學表達式進行說明，學生不能形成直觀感性的認識和理解。從掌握知識的規律而言應該是”百聞不如一見，百見不如一練“，但是數字圖像處理程序編程語言多樣，學生掌握的編程基礎與技巧不一，很難在課堂上形成有效的知識傳輸體系【1-5】，不利于讓學生在興趣驅動下進行學習【6-8】。由此可見建立簡單易操作的仿真實驗非常重要。而圖像因其數據量大，網絡計算處理時延嚴重。本實驗采用了網絡編程與邊沿計算相結合的方式，有效地解決了實時響應的難點，使學生能隨時隨地使用移動設備進行實驗。

2. 課程功能設計

數字圖像處理課程虛擬仿真教學實驗的構建是借助網絡技術、虛擬現實技術而形成的各種虛擬實驗交互環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣，學習課程的知識要點，完成各種預定的實驗項目。該教學實驗項目主要劃分為學習體驗模塊、動手實踐模塊，以及課堂輔助模塊三大類。學生能夠僅僅使用普通手機就能進行全程實驗，無需安裝任何插件。在虛擬平臺獲取得實驗結果必須最終回歸現實環境，用真實的自選計算機語言來進行編程。相信該“虛實結合”的實驗方式將成為未來數字圖像處理技術教學的一個至關重要的環節。

通過基于網絡軟件技術構建的數字圖像處理技術綜合虛擬仿真實驗，學生應該熟練掌握以下幾個方面的基礎知識：

（1）圖像分割技術

（2）圖像增強與復原技術

（3）紋理特征分析

（4）圖像特征量的提取技術

（5）醫學圖像的格式

并且能夠利用學習到的基本理論知識，使用系統提供的功能模塊選項，對特定題目進行求解。比如圓形目標的提取，三維醫學圖像的建模等。該實驗教學平臺為學生提供了一種不受時間、地點、實驗設備限制的虛擬實驗環境，使學生能在互聯網上以生動直觀、經濟、精確以及安全等特征的虛擬仿真教學，將課堂上抽象的內容具體化、形象化;使教師可以以更加開放的方式進行教學活動，從而提高實驗教學的伸縮性和適應性，克服實驗場地、實驗器材、課時數、實驗能耗等對學生實踐能力培養的限制，為培養具備解決圖像處理復雜性工程問題能力的本科人才服務。

3. 實驗效果

項目面向實時虛擬仿真和遠程在線虛擬仿真兩種模式為學生提供不受時空約束的實驗環境，整個綜合虛擬仿真實驗體系模擬了真實圖像處理軟件設計的編程方式，構建了流程圖結構的“搭積木”式的虛擬仿真實驗環境。針對《數字圖像處理》課程的教學目標要求對其中的圖像分割技術、圖像增強與復原技術、紋理特征分析、圖像特征量的提取技術、醫學圖像建模等要素開展虛擬仿真實驗，通過三維建模、虛擬仿真、人機交互等技術，實時再現圖像處理編程的每個過程場景，跟蹤三維建模系統中每一步驟的動態過程，探究控制參數對圖像處理性能的影響規律，然后回歸真實的計算機編程。該虛擬仿真實驗體系包括基本算法驗證實驗和2個綜合設計實驗。

如圖1所示，在真實場景下圖像處理的編程活動需要針對具體的編程語言平臺以及操作系統。而該虛擬仿真平臺模擬了通常使用的程序流程圖結構，大大降低了學習圖像編程的難度，讓學生在虛擬的環境下快速掌握圖像處理技巧。也提供了從虛擬平臺到實際編程指導意見，最終在網上實驗成功后再用實際編程語言去實現該功能。

4. 結語

鑒于在新冠疫情期間網上授課的要求，我們開發并投入使用的《數字圖像處理》課程的網上數字圖像處理系統平臺，同學們可以根據自己的學習進度和要求使用瀏覽器進行正在講授的圖像處理各個知識點的實驗，通過互動式網上系統選擇不同的算法觀察圖像處理后的結果，加強對書本上各種函數，算法的理論理解。每節課上有約40位同學同時在線使用了該系統，程序運行正常流暢，達到預期效果。

參考文獻

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基金項目

該研究受到2021年度廣西高等教育本科教學改革工程立項項目“后疫情時代背景下"互聯網+"課堂教學模式探索與實踐一以電子信息工程專業為例” （項目編號：2021JGB121）;廣西創新驅動發展專項“人工智能的交互式智能云音箱研發與產業化”（項目編號：桂科 AA21077007）的資助。