朱旗 孫涵

摘 要 由于圖像處理的研究?jī)?nèi)容和領(lǐng)域處于不斷發(fā)展之中，社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的圖像處理工程能力的要求越來(lái)越高，現(xiàn)行的相關(guān)課程的教學(xué)模式已難以滿(mǎn)足需求。本文從教學(xué)內(nèi)容選擇、實(shí)踐教學(xué)安排等方面分析了數(shù)字圖像處理的教學(xué)過(guò)程，使用學(xué)生真正掌握?qǐng)D像處理的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵方法，能能夠在實(shí)踐中加以應(yīng)用?？偠灾?，本文提出了一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞 課程改革 數(shù)字圖像處理 教學(xué)方法創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.02.052

Abstract Because the field of research and image processing is constantly evolving， community image processing computer graduates have become increasingly demanding engineering capabilities， the current mode of teaching related courses has been difficult to meet the demand. From the aspect of teaching content herein， practice teaching arrangements analyzed the teaching process of digital image processing， image processing using students to truly master the key technology and key method that can be able to be applied in practice. In summary， this paper proposes a teaching model of combining theory and practice.

Key words course reform； digital image processing； teaching methods innovation

1 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革的意義

良好的產(chǎn)業(yè)背景和巨大的應(yīng)用需求，促使我國(guó)產(chǎn)生了對(duì)數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺(jué)方面大量人才的培養(yǎng)要求。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，我國(guó)圖像處理課程教育與實(shí)踐已經(jīng)取得了十分豐碩的成果，但有些基本的問(wèn)題仍未解決。最主要的是當(dāng)前我國(guó)圖像處理課程教育與社會(huì)對(duì)圖像處理方面的人才要求之間存在較大的不匹配，而導(dǎo)致這一偏差存在的最直接原因是教學(xué)模式陳舊，根本原因是課程結(jié)構(gòu)不合理，問(wèn)題主要表現(xiàn)在：

（1）圖像處理方面人才培養(yǎng)模式?jīng)]有突破學(xué)科教育體系。我國(guó)現(xiàn)行的數(shù)字圖像處理課程的主要內(nèi)容還是停留在較為陳舊的課程體系中，有的課程體系中缺少對(duì)圖像處理課程支撐的前續(xù)課程；在教學(xué)方法上也較為陳舊，主要是通過(guò)教師對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)的講解來(lái)進(jìn)行，而缺少對(duì)學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的重視。

（2）缺少與數(shù)字圖像處理方向相關(guān)崗位要求相匹配的實(shí)驗(yàn)教材。國(guó)內(nèi)缺少適強(qiáng)化工程能力訓(xùn)練、以項(xiàng)目和案例驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教材，導(dǎo)致培養(yǎng)計(jì)劃實(shí)施效果不盡如人意。國(guó)外在上世紀(jì)70年代就在高校中開(kāi)展了圖像處理方面的課程，比較經(jīng)典的教材包括岡薩雷斯和溫茨編著的數(shù)字圖像處理，將重點(diǎn)放在了基礎(chǔ)和應(yīng)用上，并已被許多國(guó)內(nèi)外高校所采用。我國(guó)早在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始采用翻譯的國(guó)外圖像處理方面的教材，但是由于條件的限制，大部分只能進(jìn)行純理論教學(xué)。例如武漢大學(xué)組織編寫(xiě)了計(jì)算機(jī)圖像處理與分析教材。但是總的來(lái)說(shuō)，目前數(shù)字圖像處理相關(guān)教材的發(fā)展與社會(huì)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域人才要求的日益提高并不適應(yīng)。數(shù)字圖像處理（MATLAB版）雖然已經(jīng)有中文版面市，但該教材偏重于基本圖像處理方法的實(shí)現(xiàn)，缺少適合于圖像處理工程訓(xùn)練方面的實(shí)驗(yàn)課教材?，F(xiàn)行的圖像處理課程和實(shí)際工程要求之間的不匹配。現(xiàn)有的數(shù)字圖像處理的主要教學(xué)內(nèi)容與該領(lǐng)域就業(yè)崗位的實(shí)踐要求相關(guān)度低。這就需要對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行按照創(chuàng)新培養(yǎng)方案進(jìn)行仔細(xì)梳理，使得學(xué)生滿(mǎn)足相關(guān)崗位的要求。

（3）考核方式單一，目前大多數(shù)高校的圖像處理相關(guān)課程的考核方式仍以筆試為主，無(wú)法全面客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)水平，特別是實(shí)踐能力水平。

2 數(shù)字圖像處理課程改革的目標(biāo)

針對(duì)圖像處理相關(guān)課程中的以上問(wèn)題，本文提出的創(chuàng)新教學(xué)模式從教學(xué)內(nèi)容選擇、實(shí)踐教學(xué)安排、教學(xué)學(xué)時(shí)分配等方面分析了數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出了一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，本文的研究的目標(biāo)和解決的主要問(wèn)題包括：

（1）對(duì)數(shù)字圖像處理相關(guān)崗位的工作流行進(jìn)行梳理，從而對(duì)數(shù)字圖像處理課程的主要教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新確定。從宏觀上，通過(guò)調(diào)研來(lái)發(fā)掘圖像處理相關(guān)的崗位的工作流行包括哪些方面。從微觀入手，確定哪些是已有的課程體系中涵蓋的，哪些沒(méi)有包含在其中，如何科學(xué)地對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)和培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行合理的修改和優(yōu)化。

（2）對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新。根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)該課程的教學(xué)方法和模式進(jìn)行創(chuàng)新。總體思路是圍繞基本概念和基本方法，結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)概念和方法的掌握，以及提升學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。這就需要老師在備課環(huán)節(jié)，不止從課本入手，而且要花費(fèi)大量精力用于準(zhǔn)備豐富的實(shí)例。

（3）對(duì)數(shù)字圖像處理課程的考核方法進(jìn)行創(chuàng)新。由于傳統(tǒng)的筆試方法無(wú)法全面綜合考核學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理基本方法的掌握和應(yīng)用能力，擬采用課程設(shè)計(jì)的方法來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行該課程的綜合評(píng)價(jià)。課程設(shè)計(jì)的題目設(shè)計(jì)要緊扣教學(xué)和培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)包含主流算法的實(shí)現(xiàn)，又能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)解決具體課題創(chuàng)新能力。同時(shí)在設(shè)計(jì)不同的項(xiàng)目時(shí)，注重圍繞不同的基本方法來(lái)設(shè)計(jì)題目。

本課程較全面、系統(tǒng)地介紹圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基本概念、方法以及一些典型應(yīng)用。圖像處理的主要內(nèi)容有：顏色和光源、圖像格式、圖像的空間域處理（點(diǎn)處理、局域處理、代數(shù)處理、幾何處理等）、圖像的頻率域處理（離散余旋變換DCT、離散Fourier變換DFT等）、 圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像復(fù)原、圖像形態(tài)學(xué)、圖像壓縮等。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的重點(diǎn)是視覺(jué)概論、攝像機(jī)參數(shù)特征和成像模型、攝像機(jī)標(biāo)定方法、雙目視覺(jué)與立體觀測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、典型應(yīng)用案例介紹等。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，可以使學(xué)生了解和掌握?qǐng)D像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基本原理和技術(shù)，培養(yǎng)研究生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，為今后的研究和工作提供良好的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。

3 數(shù)字圖像處理課程改革的內(nèi)容與途徑

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)都處于快速發(fā)展之中，如何將數(shù)字圖像處理的各方面知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的整合，將其梳理成一個(gè)體系，如何將該課程與專(zhuān)業(yè)內(nèi)的其他課程之間的聯(lián)系進(jìn)行合理把握，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方式的把握上，本文進(jìn)行了如下研究。

3.1 數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容改革

“數(shù)字圖像處理”課程是在原“數(shù)字圖像處理”、“機(jī)器視覺(jué)”課程的基礎(chǔ)上構(gòu)建的一門(mén)新的課程，是在原課程上的擴(kuò)展，致力于培養(yǎng)和提升學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理應(yīng)用進(jìn)行掌握和實(shí)踐能力。擬在介紹基礎(chǔ)圖像處理方法的同時(shí)，重點(diǎn)突出目標(biāo)分割，特征提取、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等與實(shí)際工程密切相關(guān)的內(nèi)容。授課過(guò)程中通過(guò)大量研究實(shí)例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)處理工程問(wèn)題方法的同時(shí)，認(rèn)識(shí)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用背景，開(kāi)拓視野，提高興趣。根據(jù)學(xué)生的興趣和用人單位的崗位要求修改教學(xué)內(nèi)容。例如針對(duì)大多數(shù)學(xué)生較為感興趣的目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充。以典型的數(shù)字圖像處理案例入手，使得學(xué)生對(duì)重要概念和方法進(jìn)行深入理解，做到理論與實(shí)踐互相結(jié)合。

3.2 實(shí)現(xiàn)理論課與實(shí)踐環(huán)節(jié)的合理分離與有機(jī)結(jié)合

對(duì)圖像處理與機(jī)器視覺(jué)課程進(jìn)行理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的合理分離。 對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程單獨(dú)設(shè)立實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生上機(jī)操作機(jī)會(huì)，以培養(yǎng)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合分析問(wèn)題能力。例如讓學(xué)生通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)身份證號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，車(chē)牌號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，以及紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)等。通過(guò)這些課程設(shè)計(jì)的實(shí)施，學(xué)生能夠加深對(duì)圖像增強(qiáng)，圖像分割，圖像去噪，以及應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)的模式識(shí)別方法等的掌握，而且設(shè)計(jì)題目貼近生活，能夠較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。本文作者已在該方面有了一定的教學(xué)實(shí)踐，受到了學(xué)生的歡迎和好評(píng)，取得了較好的教學(xué)效果。

配合“數(shù)字信號(hào)處理”、“Matlab原理及應(yīng)用 ”等理論課，使得學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)注意實(shí)踐，并且使得課程體系得到相應(yīng)的支撐。

把“圖像處理實(shí)驗(yàn)”、“機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)”與部分同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生了解理想條件下和實(shí)際工程中圖像處理方法的聯(lián)系與區(qū)別，并在畢業(yè)論文環(huán)節(jié)中得到充分運(yùn)用。

3.3 改革圖像處理課程的教學(xué)手段

采用國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的較為先進(jìn)的教育理念和方法，以數(shù)字圖像處理課程的具體實(shí)際情況進(jìn)行分析，探索與本課程相適應(yīng)的教學(xué)理念和方法。理論教學(xué)課時(shí)量一般只有32學(xué)時(shí)，在教學(xué)方法上，不追求內(nèi)容能夠大而全，面面俱到，而是從基本概念和方法入手，以實(shí)例為引線貫穿各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)具體實(shí)例和應(yīng)用讓學(xué)生對(duì)方法的特點(diǎn)進(jìn)行深入理解。調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，適當(dāng)開(kāi)展“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)。將一定的課程時(shí)間留給學(xué)生上臺(tái)來(lái)講，通過(guò)學(xué)生的講述，學(xué)生可以加深掌握?qǐng)D像處理的根本原則和基本方法，同時(shí)教師可從學(xué)生的講述中了解學(xué)生掌握的具體情況，共同研究解決圖像處理中的實(shí)際問(wèn)題，從而獲得更深層次的理解。

在借鑒、吸收國(guó)內(nèi)外教學(xué)質(zhì)量管理思想的基礎(chǔ)上，力圖實(shí)現(xiàn)圖像處理教學(xué)方面的突破與創(chuàng)新。對(duì)教學(xué)質(zhì)量管理系統(tǒng)若干基礎(chǔ)模型進(jìn)行分析，在教學(xué)模式教學(xué)質(zhì)量管理中引入全面質(zhì)量管理。

4 總結(jié)與展望

本文針對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行課程教學(xué)計(jì)劃和課程教學(xué)大綱設(shè)計(jì)，提出了一種對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)模式的創(chuàng)新。與時(shí)俱進(jìn)，重新確定圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生普適的動(dòng)手能力，為未來(lái)的圖像處理實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。重點(diǎn)解決圖像處理方面人才培養(yǎng)的效果與市場(chǎng)需求之間的差異，使得學(xué)生畢業(yè)后能夠盡快勝任大部分實(shí)際圖像處理工程。將數(shù)字圖像處理工程技術(shù)系統(tǒng)地應(yīng)用到理論教學(xué)和技能教學(xué)中，并確定應(yīng)用范圍、技術(shù)路線選擇以及學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)原則。改革現(xiàn)有圖像處理課程教學(xué)模式。在課堂教學(xué)中，以實(shí)例使學(xué)生能更快、更直接地掌握?qǐng)D像處理方法的基本原理，從而為縮短理論教學(xué)課時(shí)創(chuàng)造條件。改革現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行歸類(lèi)和分析的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的圖像處理實(shí)驗(yàn)調(diào)整方案。

基金項(xiàng)目：本文受到江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐課題（研究生模式分析與視覺(jué)處理課程群實(shí)踐體系改革與實(shí)現(xiàn)），南京航空航天大學(xué)本科教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目（圖像處理課程的研究與實(shí)踐）， 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（Nos. NR2013033，NR2014041）的支持

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