丁建偉　唐云祁　田華偉

摘要：針對中國人民公安大學視頻偵查專業(yè)的特點，結(jié)合數(shù)字圖像處理教學中的經(jīng)驗，該文探討了如何通過改革教學內(nèi)容、豐富課堂教學方法和突出學生動手實踐來改善數(shù)字圖像處理課程的教學效果，進而培養(yǎng)學生的動手能力和解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；視頻偵查；教學方法；實踐；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）13-0121-02

Abstract： By observing the characteristics of video investigation major in People's Public Security University of China， and based on the teaching experiences in digital image processing classes， this paper studies to reform teaching content， enrich teaching methods and stress practice of students to improve teaching performances of digital image processing， and develop the hands-on abilities and abilities to solve practical problems of students.

Key words： digital image processing； video investigation； teaching method； practice； teaching reformation

1 引言

圖像蘊含豐富的信息，是人們感知世界的重要來源。數(shù)字圖像處理主要通過計算機對圖像信息進行處理，包括分割、增強、復原、去噪、特征提取和分析理解等[1]。目前，數(shù)字圖像處理技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，例如軍事、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學和公安等等。而這些應用需求的增長推動了數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展。由于數(shù)字圖像處理技術(shù)的重要性，很多大學在計算機信息類專業(yè)開設(shè)了數(shù)字圖像處理的課程。學生通過該課程的學習，應能掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本概念、原理和經(jīng)典算法，并能了解如何將其運用于實際生活。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是一門理論性較強的課程，需要較強的數(shù)學基礎(chǔ)知識，例如線性代數(shù)和信號處理等，因此在教學中很容易出現(xiàn)枯燥的算法講解和數(shù)學推導，學生也可能因為教學過于理論和抽象而失去興趣，或因為感覺太難而產(chǎn)生畏懼心理。數(shù)字圖像處理技術(shù)也是一門實踐性較強的課程，很多典型算法是從應用需求逐漸發(fā)展來的，脫離應用只講理論，學生會不知所云，不知道算法理論的具體用處和如何使用。為了改善課堂教學和提升學生動手能力，教師有必要從學生專業(yè)需求出發(fā)，針對課程特點，精心設(shè)計課程，探索如何將理論教學與實踐教學完美結(jié)合，使學生最終既能掌握足夠的基礎(chǔ)知識，又能對實際應用有足夠的了解。本文將結(jié)合實際教學經(jīng)驗和體會，探討如何改善數(shù)字圖像處理課程的教學過程，提升最終的教學效果。

2 數(shù)字圖像處理課程改革的出發(fā)點

數(shù)字圖像處理是一門綜合性的技術(shù)，集成了計算機、光學、電子技術(shù)和信號處理等多學科的知識，涵蓋的內(nèi)容非常廣，從底層的圖像增強、復原和編碼到中高層的特征提取、分割和圖像理解，在有限的課時里教師不可能詳細講解所有內(nèi)容。因此，教師在授課前就需要對授課對象的專業(yè)有所了解，從學生今后工作的需求出發(fā)，精心選擇授課內(nèi)容。筆者授課對象是我校新成立的視頻圖像偵查專業(yè)學生，該專業(yè)學生畢業(yè)后主要在公共安全部門從事視頻圖像偵查的相關(guān)工作，通過搜集整理分析大量的視頻資料，縮小排查范圍，鎖定嫌疑人并找到相關(guān)證據(jù)，提升破案效率。在視頻偵查過程中，對模糊圖像的增強或復原是學生必備的技能。因此，筆者在授課時除了講解重要的基礎(chǔ)知識，將本門課程的側(cè)重點放在圖像的增強與復原上，而學生對這部分的內(nèi)容也非常感興趣，學習的主動性和熱情都非常高，這樣教師的授課效果也大大提高了。

3 理論授課內(nèi)容與教學方式的改革

在理論授課內(nèi)容上，結(jié)合我校專業(yè)特點做了精心的修訂，即加強基礎(chǔ)理論知識的講解，突出專業(yè)特色與實用性，強調(diào)圖像處理算法的具體應用和如何編程實現(xiàn)，注意結(jié)合實際案例進行講解分析，做到理論和實際完美結(jié)合[2]。

我校數(shù)字圖像處理處理課程為54課時，理論授課為45課時，主要講解圖像處理的基本原理與運算、圖像的空間和頻域增強、圖像復原、圖像壓縮、圖像分割和圖像的表示與描述等。由于課時有限，因此在講解圖像分割、圖像壓縮和圖像的表示與描述等內(nèi)容時只是簡單的介紹，而且圖像視頻偵查專業(yè)在后續(xù)課程安排上也有這些內(nèi)容的更深入的講解。我們在授課時主要把精力放在了對圖像處理的基本原理與運算、圖像的空間與頻域增強和圖像復原這些內(nèi)容的講解上。

為了滿足我校專業(yè)特點和授課內(nèi)容改革要求，我校自己編寫了數(shù)字圖像處理的教材，具有理論性、系統(tǒng)性和實用性等多個優(yōu)點。另外，我們還選擇了由田納西大學的岡薩雷斯教授編寫和北京交通大學阮秋琦翻譯的數(shù)字圖像處理中文教材作為補充，該書是一本非常經(jīng)典的數(shù)字圖像處理書籍，講解非常詳細，內(nèi)容很全面，案例也非常多，還有配套的Matlab版本書籍，方便學生自學探索。

在教學方式上，我們探索使用多種現(xiàn)代化的工具豐富課堂教學。傳統(tǒng)的教學方式主要基于黑板和粉筆，比較單一，不利于展現(xiàn)圖像處理的豐富細節(jié)，效果很難令人滿意。數(shù)字圖像處理課程主要講解的是如何處理圖像，即展現(xiàn)的是圖像或圖形[3]。為了保證課程的可視性效果，我們基于多媒體技術(shù)開發(fā)了豐富多彩的課件，通過PPT和投影儀給學生更形象生動的展示。為了提高學生上課的興趣，我們采用了更多的互動式教學，轉(zhuǎn)變只有老師在講臺上講解的現(xiàn)狀，通過引導式的提問，逐步引導學生理解問題、分析問題和解決問題，并積極鼓勵學生上課提問和討論。另外，由于數(shù)字圖像處理的一些理論和算法比較抽象[4]，數(shù)學公式比較多，我們在上課前編寫了一些小程序，在課堂上通過運行這些小程序演示效果，給學生更直觀的感受，并且通過講解程序的每一步的設(shè)計，讓學生結(jié)合理論和算法分析，更深刻的理解理論和算法的內(nèi)涵以及如何使用，大部分學生對這種直觀演示也更感興趣。

對于理論學習的考核，我們主要采用課堂教學提問、布置作業(yè)和最終閉卷考試等多種方式，平時成績占20%，最終閉卷考試成績占70%，另外10%是實驗成績。

4 實踐教學的改革

傳統(tǒng)的實驗教學一般集中在固定的時間和使用固定的儀器設(shè)備。首先由老師講解原理，然后現(xiàn)場演示如何操作，最后學生按照實驗手冊逐步進行試驗[5]。這種方式比較單一，不利于調(diào)動學生的積極性，學生可能只是生搬硬套的做完試驗，但是沒有更深入的分析為什么這么做以及如何改進試驗，做完試驗可能很快也就忘了。另外，由于基于課堂的實驗學時較少，我校數(shù)字圖像處理實驗課時僅有9課時，而實際上如果學生只在這9個課時里做實驗的話，很顯然是不夠的，遠遠達不到強化實驗教學、提高學生動手能力的目的[6]。因此，我們規(guī)定了5個學生必做的實驗，主要是驗證性的實驗，一般在實驗室課堂上完成。另外，我們還布置了3個開放性的實驗題目，開放性的實驗題目一般屬于綜合性的題目，需要學生綜合運用學到的知識，發(fā)揮自己的想象力，獨立編程調(diào)試，達到預期的實驗效果，并且需要對實驗數(shù)據(jù)進行分析，提出自己的見解。由于開放性的實驗題目要求較高，難度較大，為了避免學生抄襲，使學生真正動手實現(xiàn)而不是走過場，學生交的實驗報告需要附上自己編寫的程序源代碼、注釋以及具體的實驗步驟和分析內(nèi)容。

在具體的開放性實驗題目選擇上，為了突出本專業(yè)的特點以及考慮學生畢業(yè)后的需求，我們主要選擇了圖像的增強和復原，例如夜晚圖像的增強和復原、噪聲污染圖像的復原以及人臉車牌圖像的增強與復原等。另外，我們設(shè)置的題目并沒有固定實驗內(nèi)容，即學生可以自己選擇具體的實驗內(nèi)容和實驗數(shù)據(jù)。學生可以自己拍攝圖像并對圖像進行處理，這樣可以進一步調(diào)動學生的積極性和探索問題的能力。

在實驗編程軟件的選擇上，推薦學生使用Matlab軟件[7]，因為Matlab集數(shù)值計算、符號計算和圖形可視化三大基本功能于一體，功能強大、操作簡單，是國際公認的優(yōu)秀數(shù)學應用軟件之一。但我們也鼓勵學生嘗試使用C或C++等編程軟件，這樣更能鍛煉學生的編程能力。我們也給學生推薦了一些圖像處理開源軟件的庫，幫助學生借鑒優(yōu)秀的算法實現(xiàn)，但是需要避免學生直接抄襲。

對于實驗教學的考核，主要通過學生實驗室課堂表現(xiàn)、完成實驗報告和開放實驗題目情況綜合判斷，強調(diào)考核學生的動手能力和分析問題解決問題的能力。

總之，在實驗教學的過程中，一切堅持以教師來引導、學生為動手主體、訓練為中心、能力為最終目標[8]。

5 結(jié)語

本文結(jié)合我校視頻圖像偵查專業(yè)的特點，從學生工作需求出發(fā)，探討了通過改革教學內(nèi)容，通過對授課內(nèi)容和教學方式的改革，豐富課堂教學方法和突出學生動手實踐來改善數(shù)字圖像處理課程的教學，幫助學生提高使用圖像處理知識解決問題的能力，培養(yǎng)出社會真正需要的人才。當然，對于數(shù)字圖像處理的教學改革與優(yōu)化是一項長期的任務(wù)，還需要不斷的探索和努力，只有這樣才能滿足社會對圖像處理人才的需求。

參考文獻：

[1] Rafael C. Gonzalez. 數(shù)字圖像處理（第二版）[M]. 阮秋琦 譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2003. 1-24.

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[3] 曹玉東，王冬霞，周軍. 數(shù)字圖像處理課程教學改革與探索[J]. 遼寧工業(yè)大學學報（社會科學版），2013， 15（2）：129-131.

[4] 楊鐵軍，黃琳.數(shù)字圖像處理經(jīng)驗探討[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2010（9）： 91-92.

[5] 姜珊，雙凱. “數(shù)字圖像處理”課程的實驗教學改革[J]. 實驗室研究與探索， 2006， 25（5）：644-646.

[6] 范迪，孫農(nóng)亮，曹茂永. 我?！稊?shù)字圖像處理》課程的實驗設(shè)計[J]. 中國科技創(chuàng)新導刊，2009（2）：166-167.

[7] 秦襄培. Matlab圖像處理與界面編程寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.1-30.

[8] 吳道堅. 創(chuàng)新實踐教學理念促進綜合素質(zhì)培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索，2005（9）：7-10.