莫建文 張彤 袁華 歐陽(yáng)寧

摘要：針對(duì)圖像處理技術(shù)課程相關(guān)知識(shí)多、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，將深度學(xué)習(xí)引入到圖像處理技術(shù)的課程學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)教學(xué)過程中，結(jié)合電子信息學(xué)科的特點(diǎn)和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)圖像處理技術(shù)課程的教學(xué)模式與實(shí)踐進(jìn)行了探討。讓學(xué)生通過分析、解決實(shí)際問題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解，靈活掌握知識(shí)運(yùn)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：圖像處理技術(shù)；深度學(xué)習(xí)；教學(xué)探討

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）09-0115-02

引言

圖像處理是電子信息、計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重要課程[1]，是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，是模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字視頻、視頻通訊、多媒體技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)。在圖像處理技術(shù)課程的教學(xué)中，不但要讓學(xué)生掌握其基本概念和原理，還要讓學(xué)生盡可能理解和掌握?qǐng)D像處理在當(dāng)前時(shí)代應(yīng)用的最新發(fā)展。圖像處理所講授的理論和實(shí)驗(yàn)過程較復(fù)雜[2，3]，如何讓學(xué)生能靈活應(yīng)用這些知識(shí)，是課程學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

在高度信息化的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代背景下，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)引起高校教師的普遍重視[4]，深度學(xué)習(xí)特別是“如何促進(jìn)深度學(xué)習(xí)”也成了當(dāng)前學(xué)習(xí)研究的重要內(nèi)容。本文結(jié)合電子信息學(xué)科的特點(diǎn)和多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，引入深度學(xué)習(xí)框架，對(duì)圖像處理技術(shù)課程的教學(xué)模式與實(shí)踐模式進(jìn)行了探討。

一、圖像處理課程特點(diǎn)

圖像處理有相關(guān)課程、基礎(chǔ)課程較多，實(shí)踐性強(qiáng)，發(fā)展快、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，新方法內(nèi)容抽象，要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)高等特點(diǎn)。隨著安防系統(tǒng)中圖像處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能手機(jī)中的拍照功能越來越強(qiáng)，以及指紋識(shí)別、人臉檢測(cè)等功能在智能手機(jī)中的引入，圖像處理技術(shù)在生活中已經(jīng)無處不在了。圖像處理技術(shù)涉及的相關(guān)課程有模式識(shí)別、數(shù)字視頻、計(jì)算機(jī)視覺、多媒體技術(shù)等?；陔S機(jī)場(chǎng)MFS的方法、基于圖論的方法、基于偏微分方程的方法在圖像增強(qiáng)、分割等各個(gè)方面的應(yīng)用，這些方法要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)高，給教學(xué)帶來了難度。

理論和實(shí)踐的結(jié)合是本課程的關(guān)鍵，注重基礎(chǔ)理論和技術(shù)的教學(xué)，以及加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和課題研究能力的培養(yǎng)是本課程的主要教學(xué)目的。由于涉及課程較多，只有在相關(guān)的模式識(shí)別、數(shù)字視頻等課程學(xué)習(xí)完后，才能進(jìn)一步的開展實(shí)踐。這些工作需要在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)中才能開展。

二、走向深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是指在理解學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能夠批判性地學(xué)習(xí)新的思想和事實(shí)，將其融入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，并將已有的知識(shí)遷移到新的問題中，做出決策并解決問題的學(xué)習(xí)。它是一種主動(dòng)的、探究式的、理解性的學(xué)習(xí)方式，將其引入圖像處理課程的教學(xué)實(shí)踐中，可以讓學(xué)生進(jìn)行理解性的學(xué)習(xí)，深層次的加工各門相關(guān)課程的信息，進(jìn)行主動(dòng)的知識(shí)建構(gòu)和知識(shí)轉(zhuǎn)化，靈活應(yīng)用知識(shí)來解決實(shí)際問題。反思是貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要目標(biāo)是通過對(duì)學(xué)習(xí)過程及結(jié)果的調(diào)控來促進(jìn)問題解決，是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的重要策略之一。針對(duì)課程構(gòu)造了一個(gè)較為復(fù)雜、完整的深度學(xué)習(xí)框架，參考這個(gè)框架，本文構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)化的深度學(xué)習(xí)策略，主要過程為：a.基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)；b.問題提出；c.反思、知識(shí)建構(gòu)或轉(zhuǎn)化；d.知識(shí)應(yīng)用、解決問題。

“基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)”是一般教學(xué)過程都具備的前期學(xué)習(xí)過程，為后面的深度學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)；“問題提出”是結(jié)果應(yīng)用實(shí)踐，給出學(xué)生們感興趣的問題，引起對(duì)學(xué)習(xí)的注意；“反思、知識(shí)建構(gòu)或轉(zhuǎn)化”是深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對(duì)知識(shí)的建構(gòu)，促進(jìn)對(duì)各個(gè)相關(guān)知識(shí)的綜合理解、轉(zhuǎn)化，完善基本技能；“知識(shí)應(yīng)用、解決問題”體現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的高階特性，將知識(shí)、技能進(jìn)行綜合聯(lián)接。

深度學(xué)習(xí)的一個(gè)重要特點(diǎn)是靈活的知識(shí)應(yīng)用。圖像處理是門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要通過解決實(shí)際問題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解，把知識(shí)靈活運(yùn)用，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的開展。圖像處理要求的知識(shí)面較廣，新技術(shù)、新方法很多，受到學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)限制，不能在短短的課堂上講述所有的方法。針對(duì)本科生的教學(xué)過程，不僅在課堂教學(xué)中引入深度學(xué)習(xí)，在相關(guān)的課程、實(shí)踐環(huán)節(jié)中都體現(xiàn)圖像處理技術(shù)的具體應(yīng)用，每個(gè)環(huán)節(jié)中根據(jù)實(shí)際情況，引入深度學(xué)習(xí)過程模式。讓學(xué)生能真正學(xué)會(huì)自己動(dòng)手解決問題，提高學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性。

三、課堂教學(xué)中的深度學(xué)習(xí)

在課堂教學(xué)過程中，可以根據(jù)“問題—反思—生成”模式來開展教學(xué)活動(dòng)，即通過創(chuàng)設(shè)問題情境、制造認(rèn)知沖突來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思探究、知識(shí)建構(gòu)及問題解決。部分教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的深度學(xué)習(xí)教學(xué)模式設(shè)計(jì)如下。

（一）圖像增強(qiáng)教學(xué)中的應(yīng)用

“問題—反思—生成”模式設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)如下：

“噪聲對(duì)圖像的影響—產(chǎn)生原因—低通濾波器設(shè)計(jì)（平滑模版）”。

教學(xué)過程中，首先聯(lián)系電路分析、數(shù)字信號(hào)處理等課程提出問題：

1.“圖像噪聲和電路噪聲的相同點(diǎn)”。

2.“電路中用RC電路去除噪聲，數(shù)字信號(hào)中如何模擬這一過程”等。

在反思環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生明白，噪聲在時(shí)域上的體現(xiàn)是快速變換的信號(hào)，在圖像中是隨著空間間隔快速變換的光的強(qiáng)度；RC電路的本質(zhì)是利用電容的充、放電過程，減緩信號(hào)的變化，達(dá)到去除噪聲的目標(biāo)。

在生成環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理中的FIR數(shù)字低通濾波器，采用簡(jiǎn)單的鄰域加權(quán)平均，減弱信號(hào)的變化量，達(dá)到平滑噪聲目的。不同加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成了不同的平滑模版。

（二）車牌識(shí)別教學(xué)中應(yīng)用

車牌識(shí)別是圖像處理中結(jié)合實(shí)踐常見的一個(gè)應(yīng)用例子，包含圖像預(yù)處理、車牌檢測(cè)、二值化、字符分割、字符識(shí)別等多個(gè)子過程，每個(gè)子過程都可以利用“問題—反思—生成”的深度學(xué)習(xí)模式來開展教學(xué)活動(dòng)。

例如在字符識(shí)別子過程中，首先提到的問題是“計(jì)算機(jī)如何做識(shí)別”，這個(gè)問題比較有難度，在“反思”階段只能引導(dǎo)學(xué)生通過比較兩幅數(shù)字圖像的每個(gè)像素值，也就是模版匹配的方法，到達(dá)識(shí)別的目的。這樣在“生成”階段可以利用相關(guān)法進(jìn)行匹配，完成識(shí)別過程的任務(wù)。

四、將科研思想、深度學(xué)習(xí)方法運(yùn)用到實(shí)踐科研過程中

課堂學(xué)習(xí)，以老師講授為主，沒有體現(xiàn)學(xué)生的主動(dòng)性。在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課上，以及后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入深度學(xué)習(xí)，結(jié)合老師的一些科研課題，讓學(xué)生主動(dòng)思考，增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)性。在這階段的實(shí)踐中結(jié)合深度學(xué)習(xí)，以問題為中心，讓學(xué)生通過查閱資料和及時(shí)的交流討論自主的解決問題，這樣培養(yǎng)了學(xué)生初步開始科研活動(dòng)的能力。

（一）課程實(shí)驗(yàn)中，引入深度學(xué)習(xí)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

圖像處理課程實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，結(jié)合生活中的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)photoshop、美圖等軟件中的部分相應(yīng)算法，實(shí)驗(yàn)素材采用學(xué)生自己生活中的照片。讓學(xué)生自己尋找想解決的問題，通過反思、分析，靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)，解決問題。這樣達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性的目的。

（二）課程設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用題目

課程實(shí)驗(yàn)中，由于時(shí)間短，只能對(duì)課本上的部分算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，不能進(jìn)行更多的綜合反思。課程設(shè)計(jì)是一個(gè)持續(xù)數(shù)周的實(shí)踐過程，在這過程中，設(shè)計(jì)些簡(jiǎn)單的應(yīng)用題目，讓學(xué)生有充足的時(shí)間反思，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

（三）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，提煉綜合題目

教師可以從科研課題和開發(fā)項(xiàng)目中，提煉出一些關(guān)鍵問題，并結(jié)合當(dāng)前學(xué)生感興趣或覺得有前途的工具平臺(tái)，作為本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目。臨近畢業(yè)了，學(xué)生們?cè)谡夜ぷ鬟^程中已經(jīng)接觸了較多的社會(huì)，他們選擇課程設(shè)計(jì)經(jīng)常帶著較強(qiáng)的傾向性，選擇通常受到以后工作的需求、媒體上宣傳等因素影響較重。近年來，隨著智能手機(jī)的普及，社會(huì)上對(duì)Android環(huán)境下的編程工程師需求較多，學(xué)生們對(duì)這方面的知識(shí)需求也較迫切，而課程的設(shè)置卻難以跟上這些需求。畢業(yè)設(shè)計(jì)中如果可以補(bǔ)充學(xué)生的知識(shí)需求，無疑可以大大提高學(xué)生們的興趣。

將教師圖像處理方面的科研與學(xué)生需求結(jié)合，提出“Android平臺(tái)下的人臉檢測(cè)”、“Android平臺(tái)下的字符識(shí)別”、“二維碼的檢測(cè)與提取”、“Android平臺(tái)下視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤”等題目，這些題目的成果可以運(yùn)行在學(xué)生手機(jī)上，提高了學(xué)生的興趣和成就感。

五、總結(jié)

針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，結(jié)合多年的教學(xué)體會(huì)，在課堂教學(xué)、實(shí)踐等環(huán)節(jié)引入深度學(xué)習(xí)，對(duì)一些教學(xué)過程進(jìn)行了探討。通過深度學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解，靈活掌握知識(shí)運(yùn)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，如何更有效地改善教學(xué)效果，還需要在教學(xué)實(shí)踐中不斷的探索。

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