基于去霧模型的數(shù)字圖像處理課程綜合實驗設(shè)計及實施

王文成　吳小進　吳萍　何為凱 谷善茂　李東鋒

［摘 要］人工智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對新工科建設(shè)改革提出了新的要求，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程基礎(chǔ)實驗教學(xué)已難以滿足學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。文章在分析當(dāng)前該課程實踐教學(xué)所存在問題的基礎(chǔ)上，闡述圖像去霧模型的相關(guān)理論和將其用于實驗設(shè)計的可行性，并以去霧模型為教學(xué)案例提出實驗設(shè)計的總體思路和準(zhǔn)則，從興趣引導(dǎo)、文獻檢索、理論輔導(dǎo)、建模仿真、報告撰寫和效果評價幾個環(huán)節(jié)介紹綜合性實驗設(shè)計的過程性框架，同時提供通用的實驗平臺界面設(shè)計方案。多年的教學(xué)效果評價表明，該實驗設(shè)計不但可以增強學(xué)生的實踐能力，還可以引導(dǎo)學(xué)生主動了解科技前沿，初步培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，為將其培養(yǎng)為有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字圖像處理；圖像去霧；實驗平臺；綜合實驗

［中圖分類號］G642.0［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）07-0060-05

新一代圖像信息處理技術(shù)作為當(dāng)前人工智能和機器人技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)，已經(jīng)逐漸延伸到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個領(lǐng)域，為當(dāng)今社會科技發(fā)展和人民生活質(zhì)量提升帶來革命性的變化。如何結(jié)合產(chǎn)業(yè)背景和人才需求提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，成為各高校在新工科建設(shè)過程中面臨的現(xiàn)實問題[1-3]。數(shù)字圖像處理課程作為機器視覺感知技術(shù)的基礎(chǔ)，已成為各高校電子信息類、自動化類相關(guān)專業(yè)的必修課程。該課程教學(xué)內(nèi)容涉及面廣、理論性較強，學(xué)生不僅要在課堂上掌握基本概念和不同圖像處理方法的工作原理，還需要在實驗室完成獨立的基礎(chǔ)實驗，如圖像增強、圖像運算、圖像濾波、圖像變換等[4-5]。該課程兼具理論性和實用性，其理論基礎(chǔ)直接到影響到圖像處理算法的框架設(shè)計和實際應(yīng)用。然而，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)生通常只會利用一些軟件庫調(diào)用函數(shù)進行驗證性實驗，這種先理論后實驗的教學(xué)方式很容易使得理論和實踐分割開來，導(dǎo)致部分學(xué)生在完成實驗后只學(xué)會了函數(shù)的調(diào)用，而對算法的實現(xiàn)思路無法理解，實踐能力提高有限[6-7]。因此，只有在教學(xué)內(nèi)容中添加既能深化理論知識又能提高實踐能力的綜合性實驗，才能夠使學(xué)生在實驗過程中對理論方法融會貫通，切實提高實踐創(chuàng)新能力。而如何設(shè)計出能鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力的實驗，成為當(dāng)前新工科改革發(fā)展和教學(xué)的當(dāng)務(wù)之急。

針對以上問題，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外研究人員關(guān)注的單幅圖像去霧這個研究熱點，濰坊學(xué)院（以下簡稱我校）對數(shù)字圖像處理課程的創(chuàng)新型實驗進行了深入探索和全新設(shè)計。本文將以圖像去霧實驗設(shè)計和教學(xué)應(yīng)用為例，將當(dāng)前國內(nèi)外圖像處理的研究熱點問題引入實踐，通過構(gòu)建創(chuàng)新型實驗項目的框架，以期為理實一體化綜合性實驗的設(shè)計提供參考，從而達到提高學(xué)生的理論水平和實踐能力的目的。

一、圖像去霧的實驗原理

近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者對單幅圖像的去霧理論和模型進行了深入研究，特別是基于大氣散射機理提出了許多霧霾圖像清晰化方法，取得了豐碩的成果。目前，該問題屬于數(shù)字圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域中常見的研究內(nèi)容，引入其經(jīng)典理論和算法便于將課程內(nèi)容由圖像復(fù)原向人工智能領(lǐng)域進行拓展。本課題組基于前期的研究成果以及我院對數(shù)字圖像處理課程理論學(xué)習(xí)內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)的課時安排，采用最具代表性的方法進行實驗設(shè)計。

根據(jù)大氣散射理論，景物在霧天環(huán)境中的成像模型主要包含物體表面的發(fā)射光到達攝像機的衰減過程和大氣光到達攝像機的衰減過程兩部分。這是霧天圖像模糊降質(zhì)的理論基礎(chǔ)，也是研究者建立圖像衰減模型和求解還原霧霾圖像的重要依據(jù)。圖1是大氣散射模型的示意圖，其中帶箭頭的虛線為大氣光。

因此，在機器視覺和數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中，用來描述霧霾圖像的散射模型表示為：

[I（x）=J（x）t（x）+A（1-t（x））]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中， [x]為空間坐標(biāo)， [I（x）]為霧霾圖像，[J（x）]為復(fù)原后的圖像，[A]為整體大氣光值，[t（x）]為大氣介質(zhì)的傳輸率。圖像去霧的目的就是從[I（x）]中復(fù)原[J（x）]，得到清晰的圖像。

香港中文大學(xué)的何凱明等人在分析晴天圖像的像素分布規(guī)律的基礎(chǔ)上[8]，將該規(guī)律與導(dǎo)致圖像退化的大氣粒子散射理論相結(jié)合，提出了暗原色先驗?zāi)Ｐ停―ark Channel Prior，DCP）。即對于晴天環(huán)境下拍攝的無霧圖像，除去天空等高亮度區(qū)域，還存在灰度值很低的點，使得[Jdark（x）]趨近于0。其可用公式表示為：

[Jdark（x）=minc∈{r，g，b}（miny∈Ω（x）（Jc（y）））→0]? ? ? ? ? ? （2）

式中，[Jc]是[J]的顏色通道，[Ω（x）]是以[x]為中心的局部鄰域，[Jdark]為計算后的暗原色圖像。

在大氣光[A]已知的條件下，假設(shè)[Ω（x）]內(nèi)的透射率恒定不變，則對（1）式兩邊同時除以[Ac]后進行[minc∈{r，g，b}（miny∈Ω（x）（））]變換，便可根據(jù)（2）式得到估計后的透射率[t～（x）]：

[t～（x）=1-minc∈{r，g，b}（miny∈Ω（x）（Ic（y）Ac））]? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

在實際應(yīng)用中，為了保留一部分殘霧，使圖像具有真實感，引入修正系數(shù)[ω（0<ω≤1）]，則（3） 式可以變換為：

[t～（x）=1-ωminc∈{r，g，b}（miny∈Ω（x）（Ic（y）Ac））]? ? ? ? ? ? ? （4）

為了避免透射率圖中可能存在的方塊效應(yīng)，可采用軟摳圖方法或者引導(dǎo)濾波算法得到平滑的投射率圖[t（x）][8]。

根據(jù)大氣散射模型，一旦求出透射率[t（x）]和大氣光[A]，則根據(jù)公式（1） 即可復(fù)原圖像：

[J（x）=I（x）-Amax（t（x），t0）+A]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

基于DCP的去霧方法是圖像去霧領(lǐng)域的標(biāo)志性成果，為該領(lǐng)域的研究人員提供了一個全新的思路。

二、教學(xué)過程總體設(shè)計

為了使學(xué)生能夠掌握算法的設(shè)計策略，提高其創(chuàng)新性和趣味性，本實驗以實踐驅(qū)動為主線，緊扣教學(xué)目標(biāo)，設(shè)置了基本模塊和拓展模塊，充分發(fā)揮了教師的指導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用。實驗過程分課前、課中和課后三個階段，其中課前、課中由學(xué)生獨立完成，課后拓展階段由小組合作完成，學(xué)生以2～3人為一組，具體設(shè)計思路見圖2。

（一）課前預(yù)習(xí)

首先，學(xué)生根據(jù)實驗教程完成色彩空間相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，了解色彩空間的原理；然后，復(fù)習(xí)Matlab軟件和Image Processing Toolbox工具箱的使用方法；學(xué)習(xí)在線課程，利用Matlab基本繪圖指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示；進行霧霾圖像數(shù)據(jù)的采集和整理；分析設(shè)計任務(wù)，完成各模塊任務(wù)的方案設(shè)計，學(xué)習(xí)融入課程思政元素的知識點。

（二）課中實操

首先，教師進行實驗預(yù)習(xí)情況檢查、任務(wù)分解與知識點講解，讓學(xué)生理解去霧模型，并進行數(shù)字化描述，設(shè)計代碼；其次，讓學(xué)生完成系統(tǒng)整體算法的編程、鏈接和調(diào)試，并利用真實霧霾圖像進行實驗，調(diào)節(jié)參數(shù)以獲得不同的結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)；最后，鼓勵學(xué)生利用不同的方案完成實施，進行效果演示，并進行簡單的提問及答辯。

（三）課后拓展

指導(dǎo)學(xué)生開展個人實踐反思，總結(jié)實驗過程中的注意事項；鼓勵學(xué)生個性化選擇拓展創(chuàng)新任務(wù)；要求學(xué)生撰寫設(shè)計總結(jié)報告，通過分組展演答辯方式進行交流與互評，鼓勵學(xué)生開通線上通道上傳優(yōu)秀作品。

三、創(chuàng)新實驗實施過程

我校的大部分學(xué)生經(jīng)過專業(yè)課學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了部分圖像處理的基礎(chǔ)理論、C語言和Matlab編程軟件的基礎(chǔ)操作技能，具備了開展綜合性實驗的可行性。雖然對初學(xué)者而言，該部分內(nèi)容具有一定的挑戰(zhàn)性，但只要進行科學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，相信每個學(xué)生都可以在教師的指導(dǎo)下通過查閱資料和編程仿真來完成。具體的實驗設(shè)計過程見圖3，其中教師主導(dǎo)興趣引導(dǎo)和理論輔導(dǎo)環(huán)節(jié)，學(xué)生主導(dǎo)資料查閱、建模仿真和報告撰寫環(huán)節(jié)，教師和學(xué)生共同主導(dǎo)成績評議環(huán)節(jié)[9-10]。

（一）興趣引導(dǎo)

綜合性實驗相比常規(guī)實驗難度較大，學(xué)生在初始階段容易產(chǎn)生畏難情緒，認(rèn)為自己不可能完成，這就需要教師對其進行信心鼓勵和引導(dǎo)。首先，教師將本課題組所發(fā)表的圖像去霧方面的科研論文和相關(guān)圖片展示給學(xué)生，讓學(xué)生體會到能夠完成這些科研成果的教師就在身邊，實驗的開展有教師的指導(dǎo)作保障，從而提高信心；其次，教師將演示程序展示給學(xué)生，通過修改參數(shù)展示不同的去霧效果，并且與當(dāng)前學(xué)生上課所學(xué)的方法進行比較，讓學(xué)生明白最新研究成果與課本所學(xué)知識的差距，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；最后，結(jié)合課程思政內(nèi)容，講述當(dāng)前我國在相關(guān)領(lǐng)域的突出地位，引導(dǎo)學(xué)生組建小組或團隊開展相關(guān)活動，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性和主動性。

（二）資料查閱

我校部分學(xué)生的資料查閱能力僅僅體現(xiàn)為利用百度搜索引擎進行資料搜索或者登陸一些技術(shù)論壇進行交流等，對于利用專業(yè)的學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索的能力不足，因此需要通過文本資料指導(dǎo)學(xué)生鍛煉利用專業(yè)數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索的能力。教學(xué)所用的中文數(shù)據(jù)庫主要是中國知網(wǎng)（www.cnki.net），所用的英文數(shù)據(jù)庫主要是IEEE數(shù)據(jù)庫（https：//ieeexplore.ieee.org/）。對于數(shù)據(jù)庫的使用，課題組多年來已經(jīng)形成了一個圖文并茂的操作指導(dǎo)書，里面詳細(xì)描述了如何利用不同的關(guān)鍵詞查閱不同的文獻、如何篩選文獻、如何下載和整理文獻，使得學(xué)生僅通過該指導(dǎo)書便能夠迅速掌握相關(guān)數(shù)據(jù)庫的使用方法。

（三）理論輔導(dǎo)

為了更好地理解圖像去霧的理論，課題組除了為學(xué)生提供論文“Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior”和“Guided Image Filtering”的英文原文，還提供了中文翻譯版，讓學(xué)生在課下相互討論，了解論文內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，教師利用一節(jié)課講解相關(guān)的理論知識，讓學(xué)生充分了解算法研發(fā)的動機、算法的工作原理、算法的結(jié)構(gòu)和效果、算法存在的問題，為后面模型的搭建和算法的復(fù)現(xiàn)打好理論基礎(chǔ)，避免因為理論認(rèn)識偏差造成的程序錯誤或?qū)嶒灲Y(jié)果無效。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐我們發(fā)現(xiàn)，上述步驟基本可以讓學(xué)生掌握基于暗原色先驗的圖像去霧原理，部分學(xué)生甚至能夠針對當(dāng)前算法存在的問題提出有效的改進建議。

（四）建模仿真

建模仿真環(huán)節(jié)是在理解理論框架的基礎(chǔ)上鍛煉學(xué)生對工具軟件的應(yīng)用能力。在實踐中，課題組主要推薦學(xué)生使用Visual Studio和Matlab軟件進行程序設(shè)計。鼓勵學(xué)生在輸出結(jié)果達到預(yù)期效果的基礎(chǔ)上通過調(diào)整參數(shù)加強對算法的理解。結(jié)合學(xué)生的知識儲備狀況，教師可指導(dǎo)學(xué)生從以下角度進行改進，例如修改暗原色先驗算法中的大氣光值、修改濾波器的窗口大小、輸入濃度不同的圖像替換不同功能的濾波器等。對于每次參數(shù)的修改都要求學(xué)生進行實驗過程記錄，并篩選保存實驗結(jié)果。

在這個過程中，教師僅起輔導(dǎo)作用，詳細(xì)的優(yōu)化方案和實施方法都需要學(xué)生自行完成，促使學(xué)生從模仿學(xué)習(xí)過渡到主動思考。圖4為大氣光值調(diào)節(jié)對去霧效果的影響圖，其中（a）為原始圖像，（b）-（f）為不同大氣光值下的輸出結(jié)果。學(xué)生通過這個環(huán)節(jié)能夠感受到算法和編程的魅力，主動嘗試調(diào)節(jié)參數(shù)輸出不同的結(jié)果。

（五）報告撰寫

為了避免以往實踐報告批閱過程中發(fā)現(xiàn)的實驗報告雷同、理論分析不足、圖表格式不規(guī)范等問題，本次報告的撰寫要求學(xué)生按照中國科技期刊論文的格式完成。在撰寫實驗報告前，安排學(xué)生閱讀指定的10篇科技論文，通過標(biāo)準(zhǔn)模板格式介紹科技論文的結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)容要求、數(shù)據(jù)展示、引文規(guī)則等。實驗報告需要在拓展實驗結(jié)束一周內(nèi)提交紙質(zhì)版，在報告中需要反映的內(nèi)容如圖5所示，強調(diào)實驗報告撰寫的關(guān)鍵點及內(nèi)容結(jié)構(gòu)的完整性、數(shù)據(jù)真實有效、結(jié)論分析夠深入。學(xué)生只有完全理解實驗報告的撰寫要求并掌握文本的編輯方法，對實驗過程中出現(xiàn)的問題做出合理的解釋，科學(xué)地完成實驗報告，才能在一定程度上避免因內(nèi)容雷同導(dǎo)致的實驗報告流于形式的情況。

（六）成績評議

結(jié)合綜合性創(chuàng)新實驗的實際情況，課題組對相應(yīng)評價方式進行了改革。將學(xué)生實驗的最終成績由傳統(tǒng)的僅靠實驗報告得分，轉(zhuǎn)變?yōu)橛尚〗M答辯成績和實驗報告成績兩部分組成，具體如表1所示。

其中，答辯成績占總成績的60%，需要學(xué)生提前準(zhǔn)備PPT進行答辯，這種小組答辯的方式可以在一定程度上避免學(xué)生之間相互依賴的心理，客觀地反映答辯者的真實水平。實驗報告成績占總成績的40%，由教師根據(jù)文本文件評定實驗過程的條理性、理論分析的嚴(yán)密性和實驗結(jié)果的正確性來進行評價。

這種評價方式改變了傳統(tǒng)的依靠單一實驗報告的評價方式，也擯棄了過于強調(diào)考勤而導(dǎo)致的“出工不出力”的懶散思維，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)了其獨立思考的能力，更促使他們積極參與到探索式學(xué)習(xí)和工程實踐全過程中。

（七）實驗平臺框架

為了方便課堂教學(xué)中的處理效果演示，課題組利用Matlab軟件的App Designer設(shè)計了仿真系統(tǒng)，通過在主界面中點擊就可打開相應(yīng)的子模塊界面。該仿真平臺涉及圖像去霧過程的幾個關(guān)鍵步驟，除了允許操作者通過設(shè)置參數(shù)生成過程性實驗結(jié)果，還提供基礎(chǔ)源代碼和設(shè)計教程，鼓勵學(xué)生根據(jù)需要增減測試模塊、調(diào)整主界面的結(jié)構(gòu)和完善程序。

四、教學(xué)改革效果

該實驗將圖像處理與日常生活、工業(yè)實際相結(jié)合，通過將理論教學(xué)與實驗項目融合在一起，使學(xué)生既能理解圖像分析的原理，又能掌握不同算法設(shè)計在實際中的應(yīng)用，以適應(yīng)應(yīng)用型工程人才培養(yǎng)的需要。教學(xué)過程中，學(xué)生表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣。通過對學(xué)生進行的問卷調(diào)查表明，學(xué)生對該教材的內(nèi)容和質(zhì)量非常滿意，學(xué)習(xí)時注意力集中，學(xué)習(xí)熱情進一步提升。特別是在近3年的大學(xué)生科技競賽中，我校經(jīng)歷過該實驗教學(xué)的部分學(xué)生充分領(lǐng)會到數(shù)字圖像處理算法在機器視覺方面的重要性，并借助軟件工具實現(xiàn)了各種圖像處理和識別算法，參加了國家級和省級機器人大賽、電子設(shè)計大賽、智能制造大賽、智能車競賽等，取得了優(yōu)異的成績，獲獎數(shù)量和質(zhì)量也大幅度提高，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖6所示。

五、結(jié)語

針對傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理實踐環(huán)節(jié)難以兼顧理論性和實用性的問題，課題組將前沿的暗原色先驗圖像去霧模型引入實驗，并加以適當(dāng)簡化，改造為創(chuàng)新型綜合實驗，從興趣引導(dǎo)、文獻檢索、理論輔導(dǎo)、建模仿真、報告撰寫和成績評定幾個環(huán)節(jié)介紹了綜合性實驗設(shè)計的框架，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，受到了學(xué)生的歡迎和好評，取得了較好的教學(xué)效果。本實驗設(shè)計既可以用在數(shù)字圖像處理的課程實驗中，也可以用于學(xué)生的專業(yè)綜合課程設(shè)計。在此基礎(chǔ)上對實驗內(nèi)容進行拓展和改造，增加理論深度后還可以用于畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，這對學(xué)生新工科專業(yè)人才實踐能力的培養(yǎng)起到了良好的促進作用。

下一步，課題組將編寫專門的綜合性實驗教材，縮短理論教學(xué)和實驗教學(xué)與工業(yè)實際應(yīng)用之間的距離，讓實驗教學(xué)更加完善，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生以后的就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 李欣，張琪，王蓉.虹膜識別系統(tǒng)綜合實驗設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2021，38（1）：75-77.

[2］ 王文成，李健，王瑞蘭，等.基于Matlab GUI的數(shù)字圖像處理仿真平臺設(shè)計與開發(fā)[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（2）：141-144.

[3］ 傅志中，李曉峰，周寧，等.基于問題學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像均值濾波器教學(xué)研究[J].實驗室研究與探索，2020，39（4）：138-142.

[4］ 羅兵，何周浩，殷政，等.結(jié)合工程應(yīng)用的《數(shù)字圖像處理》教學(xué)改革[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（6）：44-46.

[5］ 于浩.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理方法與實現(xiàn)研究[J].電子世界，2017（9）：160.

[6］ 趙俊紅.數(shù)字圖像處理課程綜合性實驗教學(xué)設(shè)計：以圖像修復(fù)為例[J].黑龍江科學(xué)，2021，12（11）：35-37.

[7］ 肖志勇，劉建軍，宋曉寧，等.《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革探索研究[J].教育教學(xué)論壇，2017（3）：86-87.

[8］ HE K， SUN J， TANG X. Single image haze removal using dark channel prior[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2011，33（12）： 2341-2353.

[9］ 覃磊，孫開瓊，劉春苔.數(shù)字圖像處理綜合性實驗教學(xué)案例研究與實現(xiàn)[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報，2018，37（2）：91-97.

[10］ 龔黎華，朱啟標(biāo)，周志洪，等.基于Matlab的數(shù)字圖像處理綜合設(shè)計性實驗[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（11）：48-53.

［責(zé)任編輯：林志恒］