郭永芳?。ê颖惫I(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院　300130）

黃　凱?。ê颖惫I(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院　300130）

區(qū)分難度等級(jí)的數(shù)字圖像處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

郭永芳（河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院300130）

黃凱（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院300130）

摘要：本文在分析目前數(shù)字圖像處理課程遇到的幾個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出區(qū)分難度等級(jí)的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，并用一個(gè)實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明。實(shí)踐表明，繪制程序流程圖以及區(qū)分難度等級(jí)的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生更好地掌握數(shù)字圖像處理相關(guān)算法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生編程能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)流程圖難度等級(jí)

DOI：

10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.01.009

數(shù)字圖像處理是信息科學(xué)中發(fā)展最快的研究熱點(diǎn)方向，是模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、多媒體技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)。自從20世紀(jì)60年代以來(lái)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)部分高校開始設(shè)置數(shù)字圖像處理課程，目前其已經(jīng)成為高校信息類專業(yè)普遍開設(shè)的一門課程。我校計(jì)算機(jī)學(xué)院、信息學(xué)院和電氣學(xué)院的相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了數(shù)字圖像處理課程。

然而，目前數(shù)字圖像處理課程遇到如下幾個(gè)問(wèn)題：（1）數(shù)字圖像處理課程從本質(zhì)上說(shuō)是一門研究數(shù)學(xué)算法的課程，而現(xiàn)實(shí)的教學(xué)情況是學(xué)生普遍數(shù)學(xué)功底薄弱，學(xué)生面對(duì)抽象的數(shù)學(xué)問(wèn)題有嚴(yán)重的畏難情緒,一些學(xué)者對(duì)此在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了許多研究[1-4]。（2）計(jì)算機(jī)類、信息類的相當(dāng)一部分碩士研究生和博士研究生都在進(jìn)行和圖像處理相關(guān)的研究，因此數(shù)字圖像處理課程成為多個(gè)學(xué)校研究生入學(xué)考試課程或面試課程。（3）目前部分諸如“軟件杯”這樣的全國(guó)大學(xué)生競(jìng)賽，會(huì)選用一些需要圖像處理知識(shí)的競(jìng)賽題目，例如人臉識(shí)別及認(rèn)證登陸、基于視頻文件的車輛分析系統(tǒng)等。全國(guó)數(shù)學(xué)建模大賽2013年題目——碎紙片的拼接和復(fù)原，也要利用圖像處理的知識(shí)。

這就要求我們?cè)谟邢薜臄?shù)字圖像處理授課中，如我校計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字圖像處理為32學(xué)時(shí)，不僅要使得學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理，諸如圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼和圖像分割等基本圖像處理的算法原理，更要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，并嘗試改進(jìn)，激發(fā)學(xué)生專業(yè)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

我自2007年春季學(xué)期開始講授數(shù)字圖像處理，個(gè)人學(xué)習(xí)經(jīng)歷、多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及和其他優(yōu)秀任課教師多方交流，深刻認(rèn)識(shí)到編程實(shí)現(xiàn)算法，即將枯燥的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為立竿見影的實(shí)際操作可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。因此，針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程的輔助課程——數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)，我進(jìn)行了一些深入的研究。

一、編程語(yǔ)言的選擇

鑒于我校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在大二下學(xué)期學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程，此時(shí)已經(jīng)學(xué)習(xí)的C++編程語(yǔ)言，有一定的編程基礎(chǔ)。而MATLAB語(yǔ)言計(jì)算矩陣比較方便，并且Image Processing Toolbox提供了一套全方位的參照標(biāo)準(zhǔn)算法、函數(shù)和應(yīng)用程序，可用于進(jìn)行圖像處理、分析、可視化和算法開發(fā)。因此，數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程首先會(huì)用兩個(gè)學(xué)時(shí)簡(jiǎn)要介紹MATLAB編程環(huán)境和圖像中常用函數(shù)。在實(shí)現(xiàn)具體算法時(shí)，編程語(yǔ)言主要選擇MATLAB語(yǔ)言，對(duì)于部分算法，學(xué)生可以選用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，這樣安排可以使學(xué)生掌握不同的編程語(yǔ)言，主要在于編程環(huán)境不同，提高學(xué)生自學(xué)能力。

二、分難度等級(jí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和編程能力有一定的差異，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三個(gè)等級(jí)：

1.A等級(jí)：繪制算法流程圖，并用MATLAB庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法；教學(xué)目的：熟練掌握數(shù)字圖像處理算法。

2.B等級(jí)：繪制算法流程圖，自己按照流程圖用MATLAB語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)算法；教學(xué)目的：熟練掌握數(shù)字圖像處理算法，提高編程能力。

3.C等級(jí)：繪制算法流程圖，自己按照流程圖用MATLAB語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)算法，并比較多種相關(guān)算法，或分析算法優(yōu)缺點(diǎn)，改進(jìn)算法；教學(xué)目的：熟練掌握數(shù)字圖像處理算法，提高編程能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：（1）流程圖的重要性：A、B和C三個(gè)等級(jí)中都要求學(xué)生必須繪制算法流程圖。我根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生面對(duì)算法不知從何入手，而繪制算法流程圖可以使思路清晰，一方面可以更深刻地了解算法本身的含義，另一方面可以將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將多個(gè)功能簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)小功能，比較容易入手。（2）實(shí)驗(yàn)區(qū)分難度等級(jí)，A等級(jí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，所有學(xué)生都必須具備此水平；B等級(jí)提高學(xué)生編程能力，鼓勵(lì)學(xué)生在A等級(jí)基礎(chǔ)上自助完成B等級(jí)實(shí)驗(yàn)；C等級(jí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)考研，參加競(jìng)賽的學(xué)生提前做好準(zhǔn)備。

下面列舉數(shù)字圖像處理的其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)——圖像空間域平滑。該實(shí)驗(yàn)的主要目的是要求掌握幾種常見的圖像平滑算法，主要涉及的算法有局部平滑法、超限像素平滑法、灰度最相近的K個(gè)鄰點(diǎn)平均法、最大均勻性平滑法、有選擇保邊緣平滑法以及中值濾波法。

A等級(jí)：繪制所有算法的流程圖，并能用MATLAB庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)局部平滑法和中值濾波法，給出圖像處理結(jié)果。

B等級(jí)：在A等級(jí)的基礎(chǔ)上，不用庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種算法，給出圖像處理結(jié)果。

C等級(jí)：在B等級(jí)的基礎(chǔ)上，利用上述算法，對(duì)不同的圖像進(jìn)行處理，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行比較分析，鼓勵(lì)改進(jìn)算法。

圖1示出了4-鄰域局部平滑法的流程圖和對(duì)應(yīng)的MATLAB程序，屬于B等級(jí)，不同算法主要區(qū)別在于圖1中間虛線部分示出部分的兩層循環(huán)內(nèi)處理形式，這也是算法核心所在。

圖1　局部平滑法流程圖和MATLAB程序

三、結(jié)束語(yǔ)

目前，計(jì)算機(jī)類的多種課程實(shí)驗(yàn)都是要求學(xué)生編程解決一些問(wèn)題，然而部分學(xué)生無(wú)從下手，而失去學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)驗(yàn)表明，繪制程序流程圖，讓學(xué)生自己將復(fù)雜的問(wèn)題步驟化，從而分解為一個(gè)一個(gè)小問(wèn)題，可以引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，繪制流程圖的過(guò)程也是熟悉算法思想的一個(gè)重要過(guò)程。而區(qū)分難度等級(jí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以滿足不同學(xué)生的需求，也可以引導(dǎo)并啟發(fā)學(xué)生面對(duì)新算法時(shí)如何分析問(wèn)題，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

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