楊鐵軍 黃 琳

桂林理工大學(xué) 廣西桂林 541004

數(shù)字圖像處理課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)探討

楊鐵軍 黃 琳

桂林理工大學(xué) 廣西桂林 541004

本文分析了數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩方面所提出的一些觀點(diǎn)和建議，如復(fù)雜理論與直觀實(shí)例的結(jié)合方法，運(yùn)用開放性課題提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要問題和優(yōu)化方法等，具有一定的參考價(jià)值。

數(shù)字圖像處理；教學(xué)方法；興趣激勵(lì)

數(shù)字圖像處理是目前非常熱、應(yīng)用特別廣泛的研究領(lǐng)域之一。數(shù)字圖像處理是一門綜合性非常強(qiáng)的課程，涉及的知識(shí)非常廣泛，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、模式識(shí)別和人工智能等學(xué)科專業(yè)知識(shí)。2009年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Willard S.Boyle 和 George E. Smith，他們研究的電荷耦合元件（CCD）推動(dòng)了數(shù)字影像技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展也起了很大的推動(dòng)作用。數(shù)字圖像處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，學(xué)生通過該課程可以了解數(shù)字圖像處理的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景，掌握一些常用的圖像處理方法，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐了解圖像工程的基本流程和方法，提升他們的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

該課程一般可劃分為4大部分：基礎(chǔ)知識(shí)、圖像預(yù)處理、圖像分析和圖像理解?；A(chǔ)知識(shí)部分包括緒論、色度學(xué)基礎(chǔ)和基本概念；圖像預(yù)處理包括圖像變換、增強(qiáng)、恢復(fù)、壓縮、重建等；圖像分析包括圖像分割、描述和特征提取等；圖像理解包括圖像匹配、識(shí)別等。本科生課程應(yīng)注重基本概念、常用方法及原理和典型應(yīng)用開發(fā)的教學(xué)。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如何合理安排“理論—實(shí)踐—再理論”的教學(xué)流程來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。實(shí)例教學(xué)在該課程中經(jīng)常采用，該課程實(shí)例的顯著特點(diǎn)是直觀，因?yàn)榇蠖嗍峭ㄟ^多媒體以圖像的形式展現(xiàn)；但基礎(chǔ)理論很抽象，因?yàn)樵砗头椒ǘ忌婕敖！⒂?jì)算等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。因此，如何將深?yuàn)W的基礎(chǔ)理論與信息豐富、直觀的處理對(duì)象以合理的方式結(jié)合，并引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)是合理安排“理論—實(shí)踐—再理論”教學(xué)流程的關(guān)鍵問題。本文主要針對(duì)該問題，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來探討該課程的教學(xué)方法的改進(jìn)。

一、理論與實(shí)例的有機(jī)結(jié)合

該課程的實(shí)例具有其他課程實(shí)例不具備的優(yōu)勢(shì)：實(shí)例對(duì)象基本上都是直觀的圖像。因此，實(shí)例能形象地表達(dá)某些原理和結(jié)論。例如，圖像變換中的傅立葉變換，一般課程中的實(shí)例都是數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)，而該課程的實(shí)例是圖像到圖像，在講解變換原理的同時(shí)，可以通過變換前后的圖像實(shí)例來進(jìn)行說明，直觀地表達(dá)了傅立葉變換的作用，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐來加深對(duì)傅立葉變換的理解。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，雖然圖像實(shí)例能形象地反映原理和方法，但不能用實(shí)例來取代對(duì)原理和方法的講解。原理和方法是理論基礎(chǔ)、是本質(zhì)，實(shí)例是表現(xiàn)形式，可以利用實(shí)例來更好地講解圖像處理的原理和方法。演示一個(gè)實(shí)例非常短暫，但要得到一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和對(duì)實(shí)驗(yàn)工具的操作技術(shù)為前提。只有牢固掌握了原理和方法，才可能得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，理論學(xué)習(xí)不能濫用實(shí)例，而應(yīng)該以理論為本，實(shí)例為輔，通過實(shí)例更好地講解理論知識(shí)，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度。

二、開放性課題的運(yùn)用

另外，可以設(shè)置一些與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的開放性課題來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并提升他們應(yīng)用所學(xué)方法和技術(shù)來解決實(shí)際問題的能力。如以平時(shí)拍攝的數(shù)字照片為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用所學(xué)的圖像處理技術(shù)改善該照片的質(zhì)量；或者給出一幅醫(yī)學(xué)影像（如血管造影），要求綜合運(yùn)用所學(xué)圖像預(yù)處理、分割等技術(shù)，提取血管的邊緣。教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生往往對(duì)于這些自身相關(guān)的或者實(shí)際應(yīng)用問題有濃厚興趣，因此更能激發(fā)他們對(duì)于該課程的學(xué)習(xí)，積累將原理、方法轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于信息類專業(yè)學(xué)生，可以要求他們使用一些高級(jí)編程語言來實(shí)現(xiàn)，如C++，Java等，提高他們對(duì)于工程應(yīng)用中常用工具的熟練掌握程度，提升就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。開放性課題的選題應(yīng)突出綜合性、應(yīng)用性和趣味性，一般可采用分組完成的形式。分組的人數(shù)不宜太多，一般5人左右為一組，由組長(zhǎng)牽頭并負(fù)責(zé)小組內(nèi)的任務(wù)分工。分組有利于增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，并且發(fā)揮每個(gè)組員的特長(zhǎng)，在有限的課程教學(xué)周期內(nèi)按時(shí)完成該課題。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要問題和對(duì)策

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方面，采取“先講解，后嘗試，找問題，再實(shí)現(xiàn)”的基本流程。即教師先講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的步驟和方法并動(dòng)手實(shí)現(xiàn)。一般會(huì)遇到某些問題，實(shí)驗(yàn)無法順利進(jìn)行，這時(shí)需要教師觀察學(xué)生遇到的主要問題，并有針對(duì)性地講解解決這些典型問題的方法。故障排除后，學(xué)生再次修改實(shí)驗(yàn)方法繼續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。以上“找問題，再實(shí)現(xiàn)”的過程可能是一個(gè)迭代的過程，所以需要教師多監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，方能保證實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量。該過程的主要目的是要求學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)他們的分析問題、解決問題的能力，而應(yīng)該杜絕直接將實(shí)現(xiàn)代碼交給學(xué)生的做法。

教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的問題主要分為兩類：一類是對(duì)于原理、方法的理解不夠充分，主要表現(xiàn)為設(shè)計(jì)階段沒有思路，不知從何下手，或者實(shí)驗(yàn)方法錯(cuò)誤較多導(dǎo)致得不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；另一類是實(shí)驗(yàn)工具使用的問題，如用Matlab仿真或VC++實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)于一些與工具使用相關(guān)的問題感到束手無策，實(shí)驗(yàn)進(jìn)程就此擱置。針對(duì)第一類問題，教師可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)加強(qiáng)對(duì)原理、方法的分析，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手之前再次學(xué)習(xí)該原理和方法；第二類問題可能五花八門，需要教師在實(shí)驗(yàn)時(shí)多觀察，并為他們提供必要工具使用的指導(dǎo)，以保證按時(shí)順利完成實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)束語

本文對(duì)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐提出了一些改進(jìn)教學(xué)方法的建議，包括復(fù)雜理論與直觀實(shí)例的有效結(jié)合，開放性課題提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的主要問題和解決方法等。這些建議對(duì)提高該課程的教學(xué)質(zhì)量有一定的參考價(jià)值，有利于對(duì)圖像處理技術(shù)人才的培養(yǎng)，提高學(xué)生將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]李樹濤.基于理論—設(shè)計(jì)—實(shí)踐的數(shù)字圖像處理研究性教學(xué)模式研究[J].高等理科教育, 2009,5：58～61

[2]Rafael Gonzalez, Wood R. Digital Image Processing(2nd Edition)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003

[3]張坤華,紀(jì)震.數(shù)字圖像處理可視化教學(xué)體系探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(1)：113～115

Discussion on teaching experience of digital image processing

Yang Tiejun, Huang Lin
Guilin university of technology, Guilin, 541004, China

This paper proposes some teaching methods of digital image processing based on the course characteristic analyzing and teaching practicing. The methods of complex theory and visual instance combination,improving students’ learning interest using opening project, and optimizing the primary problems of experimental instruction are discussed.

digital image processing; teaching method; interests actuating

2009-12-23

楊鐵軍，博士，講師。