汪 軍，強 俊

(安徽工程大學計算機與信息學院，安徽蕪湖241000)

圖像是人類感知和獲取外界信息的主要來源，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域涉及人類生活和工作的方方面面。特別是我國正加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式，在以信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化，著力推動制造業(yè)信息技術(shù)的集成應(yīng)用，完善制造業(yè)的技術(shù)和裝備的大背景下，機器視覺技術(shù)在中國進入了一個快速發(fā)展期，眾多公司在尋求利用機器視覺來代替人類視覺進行生產(chǎn)，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。機器視覺和人類視覺一樣，它獲取信息最基本的形式為圖像，關(guān)于圖像的研究涉及數(shù)學、物理、光學、電子、計算機、生物學等多個學科。目前，數(shù)字圖像處理已成為工科院校信息類本科高年級學生的重要應(yīng)用課程。圖像處理課程內(nèi)容涵蓋計算機理論、多種數(shù)理處理算法和計算機編程，它的技術(shù)在遙感、測繪、工業(yè)控制、智能交通、機器人、醫(yī)療等工程方面得到廣泛應(yīng)用［1］。以工程師的視角來分析和講解這門課程，重點傳授如何將這種新興技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中是該門課程改革的主要方向。此處運用現(xiàn)代工程教育理論，將工程應(yīng)用融入數(shù)字圖像處理課堂教學，以應(yīng)用所需知識為主線貫穿圖像處理知識點，從演示現(xiàn)象到理論分析，再到處理算法的設(shè)計實現(xiàn)，最后引入工程實踐訓練，結(jié)合教師的科研項目和學科競賽內(nèi)容，對圖像處理算法展開應(yīng)用，進行工程實踐。這種教學理念在我校的計算機學院相關(guān)專業(yè)數(shù)字圖像處理的教學中取得了良好的效果。

1 面向應(yīng)用的課程教學模式

1.1 面向應(yīng)用的工程教學

現(xiàn)代工程教學模式強調(diào)面向工程應(yīng)用，從應(yīng)用的角度組織知識點，重視學生的主體地位，挖掘?qū)W生自我學習的能力［2］。主要教學思想是理論課堂采用實例化教學，從工程設(shè)計或產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用入手，將課程的知識、原理同應(yīng)用實例有機結(jié)合，構(gòu)成學生易于接受的從現(xiàn)象到原理分析，再到學生設(shè)計實驗驗證，最后回到工程實訓的教學模式。

面向應(yīng)用的工程教學模式的特征為“做中學”和“基于項目教育和學習［3］”。一方面，運用能夠體現(xiàn)課程價值與魅力的工程實例，激發(fā)學生學習動機和動力，引導其在理論聯(lián)系實際的過程中主動地自我掌握專業(yè)知識、技能和素養(yǎng);另一方面，以應(yīng)用為目的，改革實驗內(nèi)容和教學方法，設(shè)計實訓內(nèi)容，指導學生開展工程實踐活動。

面向應(yīng)用的工程教學模式的教學目標是將概念、原理、方法、思想融入到應(yīng)用實例中，并將其轉(zhuǎn)化為學生解決問題的理論基礎(chǔ)和工具，使學生具備解決實際工程問題的知識、能力和素質(zhì)［4-5］。面向應(yīng)用的教學過程是教師、學生共同參與合作，教師主要負責教學內(nèi)容設(shè)計、教學理論聯(lián)系實際過程，強調(diào)的是教學與工程應(yīng)用的結(jié)合，活動的組織和引導。面向應(yīng)用的工程教學作為大學教學的基本思想，對提高學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才具有重要意義。

1.2 數(shù)字圖像處理理論知識教學體系

國內(nèi)數(shù)字圖像處理的教材絕大部分都是參考岡薩雷斯著的Digital Image Processing一書編著出版，其主要內(nèi)容體系包括緒論、數(shù)字圖像基礎(chǔ)、灰度變換、幾何變換、空間濾波、頻域濾波、圖像復原與重建、彩色圖像處理、小波及多分辨率處理、圖像壓縮、形態(tài)學圖像處理、圖像分割、表現(xiàn)與描述、目標識別等［1］。理論教學主要圍繞這些內(nèi)容展開，傳統(tǒng)的授課方式都是講述圖像處理的基本原理與方法，理論教學大部分時間花費在原理的推導上，對于圖像處理方法的應(yīng)用涉及較少，造成學生覺得這門課程枯燥，理論太難［6］。使得本來是面向工程應(yīng)用，實踐性很強的數(shù)字圖像處理課程被學生理解成了數(shù)學理論類的課程，看不到課程的工程應(yīng)用價值，大大降低了學生掌握、學好這門課程的信心和興趣，教學效果大打折扣。

以工程應(yīng)用所需知識為主線，就是以應(yīng)用為目標，以工程項目所需的知識點組織教學體系。圖像處理在工程應(yīng)用中是代替人的視覺去理解視覺場景，因此為了圖像的理解、識別，自然要對圖像進行處理以滿足圖像理解。圖像處理教學按照圖像處理應(yīng)用的工程一般過程去組織，涉及圖像的采集、圖像灰度變換、幾何變換校正、濾波與圖像復原等預處理，對圖像進行形態(tài)學運算，分割減少圖像理解識別的干擾信息，表現(xiàn)出圖像的主要內(nèi)容，最后進行圖像的理解和目標識別，為工程應(yīng)用服務(wù)。

從演示工程應(yīng)用入手教學的基本理念是避開理論的推導，首先講述該圖像處理算法在工程中的應(yīng)用，演示工程應(yīng)用實例程序，給出算法的應(yīng)用目標;再闡述算法的數(shù)學理論基礎(chǔ)，并運用Matlab圖像處理工具箱進一步演示圖像處理算法的效果，激發(fā)學生的興趣;最后，運用算法語言描述該圖像處理算法的流程，給出用具有移植性好的C語言的實現(xiàn)途徑，為工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。這里以圖像處理中灰度變換的授課為例，說明教師在深刻理解灰度變換本質(zhì)和掌握灰度變換的工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上設(shè)計的教學內(nèi)容和教學過程。

教學內(nèi)容:灰度變換的本質(zhì)是灰度圖像以像素矩陣表示，對圖像數(shù)據(jù)的每個像素進行修正，改變圖像的灰度范圍及分步，像素的位置不發(fā)生改變。修正的方法用一個映射將原圖像中每個像素的值映射為新的值，因此根據(jù)映射函數(shù)的不同，自然就有了線性變換和非線性變換兩大類不同的變換算法。線性變換和非線性變換算法本質(zhì)是相同的，在課時有限的情況下只需要詳細描述其中的一、兩種即可，其他的作為課外第二課堂的自學，讓學生自己查閱資料解決。不同的灰度變換算法的映射函數(shù)是如何確定的，如何衡量評價灰度變換算法，學生腦海中自然就會存在這樣的疑問，教學的時候就適時引出圖像的統(tǒng)計特性——灰度直方圖，進而提出直方圖均衡化算法。

教學過程:第一步，演示刑偵圖像處理中的某個灰度變換實例，如圖1所示的車牌圖像灰度變化前后的結(jié)果。這種反差非常明顯的前后處理效果緊緊抓住了學生的眼球，學生想進一步搞清楚產(chǎn)生這種灰度變換效果的原理。

第二步，講解灰度變換的原理，令r為原圖像I(x，y)在任一點(x，y)的灰度值，s為輸出圖像，g(x，y)為對應(yīng)點(x，y)的灰度值，灰度變換可以用統(tǒng)一的式(1)表示。

圖1 灰度變換實例

T為變換函數(shù)，T若為線性函數(shù)，則為線性變換;若為非線性函數(shù)，則為非線性變換。授課時列出常用的幾種非變換函數(shù)，如對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)(伽瑪變換)、階躍函數(shù)(灰度閾值)、分段線性變換函數(shù)等;

第三步，采用Matlab演示上述的幾種變換，給學生展示變換效果圖;

第四步，提出這些變換的產(chǎn)生效果如何衡量，變換函數(shù)如何確定，自然引出圖像的統(tǒng)計特性——灰度直方圖，將灰度變換前后圖像的灰度直方圖用Matlab直觀顯示出來，得出拉伸灰度級改善圖像顯示效果的結(jié)論。提出圖像處理中最常用的直方圖均衡化灰度處理算法，并用Matlab算法演示不同圖像的效果，給學生直觀印象;

第五步，重點講述直方圖均衡化算法的處理流程，用C語言偽碼形式給出算法，引導學生課后完成灰度變換處理的C語言實驗程序。

以上，以灰度變換為例闡述了數(shù)字圖像處理的理論教學過程。這里可以看出，整個灰度變換理論教學課堂上借助實際的工程應(yīng)用實例和Matlab軟件演示，只需要較少的學時完成理論教學。這種借助軟件演示工程應(yīng)用的教學，避開了一開始的數(shù)學理論推導，提高了學生學習的興趣和掌握好這門技術(shù)的自信心。特別適合這類有一定編程基礎(chǔ)的高年級計算機類專業(yè)應(yīng)用課程的教學。

1.3 點、面、體的多層次實踐教學

面向應(yīng)用的工程教學的實驗關(guān)鍵是“基于應(yīng)用項目”的教育和學習［7，8］，數(shù)字圖像處理的實驗以工程應(yīng)用為目的，圍繞工程應(yīng)用設(shè)計實踐教學體系，使設(shè)計的實驗項目能作為工程應(yīng)用的實際函數(shù)庫。因此在數(shù)字圖像處理的實踐教學設(shè)計上，摒棄了快速驗證算法的Matlab實驗工具，而采用C或者C++為算法設(shè)計語言，以便學生最終應(yīng)用于工程實踐，整個實踐教學體系設(shè)計成如圖2所示的點、面、體的多層次結(jié)構(gòu)。

點、面、體的多層次實踐教學體系是以項目應(yīng)用為主線;以圖像類工程項目開發(fā)所需要的圖像處理函數(shù)庫軟件包為目標，將圖像處理分為灰度變換、幾何變換、空間濾波、頻域濾波、圖像分割、形態(tài)學處理、特征提取等幾個面，用圖2中的平行四邊形表示;課內(nèi)完成每類處理算法的一個代表性實驗點，用圖2中的橢圓表示，該類圖像處理算法的其他算法學生在課外完成(如灰度變換用直方圖均衡化算法為課內(nèi)實驗，課外完成灰度變換的對數(shù)、伽瑪、閾值、分段線性變換等)，與課內(nèi)完成的實驗一起撰寫實驗報告;在課程結(jié)束后，作為課程考核完成圖像處理軟件包，并利用該軟件包展開圖像處理的工程應(yīng)用設(shè)計。

2 面向工程應(yīng)用的實訓考核

課程的考核是檢驗學生所學與教師授課水平的重要手段，考核的方式常用的有試卷、大作業(yè)、課程論文等多種形式［9］。數(shù)字圖像處理課程是一門典型的信息應(yīng)用類課程，具有很強的以工程應(yīng)用為主的特點［10］，課程理應(yīng)以考核學生的實際應(yīng)用設(shè)計能力為主。

圖2 數(shù)字圖像處理實踐教學體系

設(shè)計的實踐教學體系中已經(jīng)對理論內(nèi)容進行鞏固和提高，實驗成果就是學生課程內(nèi)容掌握的體現(xiàn)，因此本門課程筆者在教學過程中并沒有采用傳統(tǒng)的幾種考核形式，而是以項目設(shè)計作為考核的手段去檢查、評價學生課程學習的效果?？己朔譃閮蓚€部分，基本部分是將考核融合到學生實踐環(huán)節(jié)中，對學生的每次課內(nèi)實驗點進行驗收、打分，并結(jié)合實驗報告中學生課外完成的其他算法以及實驗分析和心得體會進行評價，計入課程總成績中;提高部分是在課程結(jié)束后，學生利用課內(nèi)外實驗過程形成的圖像處理軟件包，自主設(shè)計完成印章圖像處理與鑒別、細胞圖像處理與測量等的圖像工程應(yīng)用子模塊，并由教師對學生完成的作品進行驗收，過程為學生展示自己的設(shè)計成果，教師對其設(shè)計進行提問、學生回答，成績計入總分，基礎(chǔ)部分與提高部分各占50%，組成學生該門課程的考核得分。實踐表明，這種考核不僅能反應(yīng)學生全過程的學習狀況，而且對提高學生學習興趣和專業(yè)實踐能力具有良好的促進作用。

3 結(jié)束語

從數(shù)字圖像處理課程本身的特點出發(fā)，對課程教學進行改革，將工程應(yīng)用融入數(shù)字圖像處理的課程教學中，研究了面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程從演示現(xiàn)象到理論分析的課程授課模式，并以灰度圖像處理實例闡述了該授課模式的過程。設(shè)計了以應(yīng)用為主線，點、面、體相結(jié)合的多層次實踐教學體系。提出以實驗驗收和工程設(shè)計成果展示相結(jié)合，面向工程應(yīng)用的課程考核方法。筆者運用上述理論在本校的計算機科學與技術(shù)專業(yè)和信息與計算科學專業(yè)進行了實踐，在信息與計算科學專業(yè)的軟件設(shè)計方向，數(shù)字圖像處理作為該專業(yè)的方向課，學生分流，小班教學，效果尤其明顯，在近2年的全國大學生“飛思卡爾杯”智能賽車競賽攝像頭組中，該方向的學生屢屢獲得較好成績，驗證了課程改革的效果。

面向應(yīng)用的教學模式改革在當前大力提倡工程教學的背景下是一個長期的、任重道遠的任務(wù)，對教師的要求比較高，不僅要具有深厚的理論功底，還要具備較強的工程實踐經(jīng)驗。要求專業(yè)教師能夠以工程應(yīng)用的角度，從教學內(nèi)容、教學方法、教學手段等多方面進行改革落實，培養(yǎng)學生運用理論知識分析問題、解決問題的能力，有效提高學生的工程素質(zhì)，為其成為合格的工程應(yīng)用型人才打下堅實的基礎(chǔ)。

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