楊淑瑩 張 樺

摘要:“數(shù)字圖像處理”是一門理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的課程,在課堂教學(xué)上需要增加理論實(shí)現(xiàn)技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié)。本文提出一種面向理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式,將教學(xué)模式從理論灌輸教育轉(zhuǎn)向更為務(wù)實(shí)的專業(yè)素質(zhì)教育,進(jìn)一步闡述提高課程教學(xué)質(zhì)量的若干思路與舉措,為提高學(xué)生的實(shí)踐能力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:圖像處理;教學(xué)模式;傅立葉變換

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革的必要性

隨著計算機(jī)技術(shù)和相關(guān)算法的發(fā)展,數(shù)字圖像處理在工業(yè)自動化、機(jī)器人、雷達(dá)信號處理等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用?！皵?shù)字圖像處理”課程是信息類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課,主要學(xué)習(xí)應(yīng)用計算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理的基本理論、方法。要求學(xué)生在掌握有關(guān)圖像處理和圖像分析的基本概念、基礎(chǔ)理論、典型方法的基礎(chǔ)上,掌握一定的編程實(shí)踐技能,能夠利用計算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)圖像信息的各種處理,如圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像分析、圖像編碼等。培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維,提高實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力,為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)計算機(jī)視覺、模式識別等課程奠定基礎(chǔ)。

“數(shù)字圖像處理”課程起點(diǎn)高、難度大,理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。傳統(tǒng)教學(xué)以理論介紹為主,強(qiáng)調(diào)理論的體系和概念,忽視理論的實(shí)現(xiàn)步驟,基本的編程代碼,造成學(xué)生在學(xué)習(xí)時,普遍感到理論的概念抽象,對理論的理解僅限于表面認(rèn)識,很難看到理論的實(shí)際應(yīng)用效果。面臨實(shí)際問題時,學(xué)生往往不知所措,不知從何下手,更談不上創(chuàng)新應(yīng)用。面對這樣一門理論與實(shí)踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合的課程,學(xué)生們在學(xué)習(xí)中往往會碰到很多困難,既為數(shù)字圖像處理廣泛的應(yīng)用前景所吸引,也常常困擾于課程的理論性,在一些繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)面前望而卻步,從而逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣。這種局面的形成與長期以來的應(yīng)試教育模式不無關(guān)系。

如今,我們大力提倡專業(yè)素質(zhì)教育,注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力,強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和應(yīng)用能力,力求把握本學(xué)科的基本思想方法,避免學(xué)生出現(xiàn)“只見樹木,不見森林”的現(xiàn)象。改革“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)理念,提高其教學(xué)質(zhì)量,將教育模式從應(yīng)試教育轉(zhuǎn)向更為務(wù)實(shí)靈活的專業(yè)素質(zhì)教育,這是擺在我們面前的一個迫切需要解決的課題。并以計算機(jī)類的“數(shù)字圖像處理”課程為例,闡述進(jìn)一步提高課程教學(xué)質(zhì)量的若干思路與舉措。

2注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式

要想激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激勵學(xué)生的創(chuàng)造性思維,就要在如何將枯燥的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為立竿見影的實(shí)際操作上下功夫。一方面需要在課堂教學(xué)中引入適當(dāng)?shù)膱D例分析和編程處理實(shí)例,將復(fù)雜的算法以最直觀的方式展現(xiàn)在同學(xué)面前,將圖像處理前后的效果比較,通過演示算法來提高學(xué)生對理論的直覺感受,使原本很抽象的內(nèi)容變得生動具體。同時,另一方面也需要滿足學(xué)生課后實(shí)踐的要求,針對一些典型的處理方法開設(shè)實(shí)驗(yàn),給學(xué)生提供邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐的機(jī)會,應(yīng)用平時所學(xué)的知識,通過軟件編程實(shí)現(xiàn),觀察處理之后的效果。不但可以鞏固所學(xué)知識,還可提高學(xué)生的動手能力。為了讓學(xué)生既能夠掌握基本理論,又能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。課堂教學(xué)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。本文提出教師在課堂教學(xué)上應(yīng)提供“理論分析→作用演示→實(shí)現(xiàn)步驟→編程代碼→小結(jié)”的五個教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1理論分析環(huán)節(jié)

針對“數(shù)字圖像處理”課程所授內(nèi)容離不開計算機(jī)編程實(shí)現(xiàn),僅僅紙上談兵是不夠的。課堂上不能只介紹理論,使學(xué)生理論與實(shí)際相脫離,在實(shí)踐中無從下手。同時,課堂上也不能花大量的時間講解復(fù)雜的程序框架下的實(shí)現(xiàn)代碼。這就要求教師在課堂上既要闡述理論的分析、推理和作用,又要提供基于理論的處理方法,編程代碼,及實(shí)例應(yīng)用分析,熏陶學(xué)生處理的思路和編程的技巧。

在這一環(huán)節(jié)上,教師需要循循善誘講解理論的推理和理論的作用。由于增加了其它的環(huán)節(jié),在這一環(huán)節(jié)上較以前的講解應(yīng)該更需簡練。在課程內(nèi)容上堅(jiān)決貫徹“少而精”原則,大力壓縮多年形成的過窄、過深和過繁的教學(xué)內(nèi)容,為實(shí)踐性的教學(xué)環(huán)節(jié),以及學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)爭取到了必要的時間和空間,這樣使學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),有利于他們的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2理論作用演示環(huán)節(jié)

課堂上通過運(yùn)行代碼,用來演示各種算法,學(xué)生可以見到理論應(yīng)用到實(shí)際的效果,增加對理論的認(rèn)識,掌握理論付諸于實(shí)踐的技術(shù),同時提供各種算法的源代碼供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。

2.3實(shí)現(xiàn)步驟環(huán)節(jié)

這一環(huán)節(jié)的目的是使學(xué)生能夠從整體上了解理論實(shí)現(xiàn)的步驟,為理解理論實(shí)現(xiàn)的軟件編程代碼打下基礎(chǔ)。講解實(shí)現(xiàn)步驟要啟發(fā)引導(dǎo),簡明扼要。

2.4編程代碼環(huán)節(jié)

講解編程代碼的目的是讓學(xué)生掌握理論實(shí)現(xiàn)的具體方法和技巧,提供學(xué)生模仿手段,縮短學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際所需的探索時間,提高學(xué)生動手實(shí)踐能力。

2.5小結(jié)環(huán)節(jié)

目的是進(jìn)一步對技術(shù)原理、作用和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié),將難點(diǎn)、重點(diǎn)小結(jié),同時提出新的思考問題,讓學(xué)生思考和練習(xí)。

2.6新的教學(xué)模式應(yīng)用

按照本文提出的五個教學(xué)環(huán)節(jié),筆者以圖像頻域變換處理課堂講解方式為例,介紹這五個步驟的執(zhí)行過程。

(1) 先介紹傅立葉頻域變換、理想低通濾波,理想高通濾波等基本理論。

(2) 教師利用教學(xué)輔助軟件,運(yùn)行實(shí)例,進(jìn)行理論驗(yàn)證,見到理論作用,如圖1所示。(a)所示代表原圖,圖(b)、(c)、(d)分別顯示快速傅立葉變換、理想低通濾波和理想高通濾波的效果,從(c)、(d)幅圖非常容易理解理論的作用和效果。

(3) 介紹傅立葉頻域變換的實(shí)現(xiàn)步驟,具體為以下7個步驟:

① 獲取原圖像的數(shù)據(jù)區(qū)首地址、圖像的高度和圖像的寬度。

② 計算進(jìn)行傅里葉變換的寬度和高度,這兩個值必須是2的整數(shù)次方。計算變換時所用的迭代次數(shù),包括水平方向和垂直方向。

③ 行列順序依次讀取數(shù)據(jù)區(qū)的值,存儲到開辟的復(fù)數(shù)存儲區(qū)。

④ 調(diào)用一維快速傅里葉變換函數(shù)進(jìn)行垂直方向的變換。

⑤ 轉(zhuǎn)換變換結(jié)果,將垂直方向的變換結(jié)果轉(zhuǎn)存回時域存儲區(qū)。

⑥ 調(diào)用一維傅里葉變換函數(shù),在水平方向上進(jìn)行快速傅里葉變換(步驟同上①—④)。

⑦ 將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成可顯示圖像,并將坐標(biāo)原點(diǎn)移至圖像中心位置,使得圖像可以顯示整個周期頻譜。

(4) 筆者課堂教學(xué)軟件采用Visual C++ 6.0開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā),介紹傅立葉頻域變換軟件核心代碼。

(5) 總結(jié)。對傅立葉變換的原理、作用和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié),強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)、重點(diǎn),同時對學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué),讓學(xué)生思考理想低通濾波、理想高通濾波的實(shí)現(xiàn)步驟及軟件核心代碼的變化。

“作用演示”可以安排在“理論分析”之前,也可以放在“編程代碼”之后,或隨著講解的需要,隨時進(jìn)行多次演示。“作用演示”放在“理論分析”之前,能夠讓學(xué)生事先了解本次教學(xué)的內(nèi)容,了解技術(shù)原理的作用,做到有的放矢,心中有數(shù);“作用演示”放在“編程代碼”之后,可以進(jìn)一步對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

3新教學(xué)模式對教師的要求

本文提出課堂教學(xué)分五個步驟,即“理論分析→作用演示→實(shí)現(xiàn)步驟→編程代碼→小結(jié)”,筆者認(rèn)為這五個步驟相輔相成,缺一不可。教師在講解某種基本理論之后,采用啟發(fā)式教學(xué)講解實(shí)現(xiàn)步驟,讓學(xué)生了解算法的實(shí)現(xiàn)思路和方法,再進(jìn)行軟件演示,進(jìn)一步讓學(xué)生體會短小精悍的核心代碼編程語句,通過運(yùn)行代碼,學(xué)生可以見到理論應(yīng)用到實(shí)際的效果,增加對理論的認(rèn)識,掌握理論付諸于實(shí)踐的技術(shù)。

“作用演示”需要教師課前對教學(xué)軟件進(jìn)行開發(fā)或深入解讀源代碼,需要教師具備編程能力,及將理論與編程代碼相結(jié)合的解釋能力,客觀上對教師的要求更高。

4結(jié)語

本文根據(jù)“數(shù)字圖像處理”課程的具體特點(diǎn),結(jié)合教學(xué)實(shí)踐,提出“理論分析→作用演示→實(shí)現(xiàn)步驟→編程代碼→小結(jié)”一系列改善教學(xué)效果的思路和舉措。這種教學(xué)方式將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來,學(xué)生可以從理論和實(shí)用的編程技巧兩方面掌握圖像處理技術(shù),提高動手實(shí)踐能力,使學(xué)生認(rèn)識更加具體、生動,牢固掌握所學(xué)知識,達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。我們在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)理論算法與編程的有機(jī)結(jié)合,經(jīng)過這種方式培養(yǎng)的學(xué)生能夠解決基本的圖像處理問題,同時可以按照教師提供的軟件平臺框架進(jìn)行綜合處理,添加相應(yīng)的代碼,創(chuàng)新出新的變換效果。課堂上學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高,興趣濃厚;課下學(xué)生通過查資料、選擇設(shè)計方案、程序編寫與調(diào)試等一系列的工作解決新的實(shí)際問題,很大程度地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新能力。學(xué)生在設(shè)計思想、開拓意識、創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)和動手能力等方面得到了培養(yǎng)和鍛煉,感受到成功的喜悅和自我價值的實(shí)現(xiàn),樹立了科技創(chuàng)新的信心。

教學(xué)改革是一項(xiàng)長期的任務(wù),改革傳統(tǒng)重理論輕實(shí)踐的教學(xué)理念,將教學(xué)模式從理論灌輸教育轉(zhuǎn)向更為務(wù)實(shí)的專業(yè)素質(zhì)教育,還需要持續(xù)深入的研究、探討和實(shí)踐。

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