南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 鄧麗珍 朱 虎

“圖像與視頻處理”課程立體化教學(xué)研究
——以歸一化互相關(guān)圖像匹配為例

南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 鄧麗珍 朱 虎

【摘要】立體化教學(xué)逐漸成為高校工科專業(yè)教師教學(xué)的一種重要的教學(xué)方法，本文針對工科課程“圖像和視頻處理”的教學(xué)，提出了“實(shí)際意義和應(yīng)用→定義→數(shù)學(xué)原理→編碼→三維效果演示”全方位立體化的教學(xué)模式，該模式把工科理論和數(shù)學(xué)依據(jù)以及編程實(shí)踐渾然天成般的融合在一起，從而全面提高學(xué)生的理論創(chuàng)新和實(shí)際動(dòng)手能力。本文以圖像匹配里的歸一化互相關(guān)匹配為例，深入闡述了立體化教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)的具體過程。

【關(guān)鍵詞】圖像和視頻處理；立體化教學(xué)；歸一化互相關(guān)；Matlab編程

引言

圖像和視頻處理是信息技術(shù)中的一門新興學(xué)科，它在軍事、安保、醫(yī)學(xué)、遙感、氣象等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?！皥D像和視頻處理”課程是高等工科院校通信工程、電子信息工程、廣播電視工程和自動(dòng)化等專業(yè)的一門重要專業(yè)課，是南京郵電大學(xué)廣播電視工程專業(yè)開設(shè)的本科生主干課程。該課程是圖像與廣播電視工程專業(yè)學(xué)生本科階段接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，向?qū)W生介紹了圖像與視頻處理方面的基礎(chǔ)知識。該課程主要將數(shù)字圖像、視頻等媒體信息的處理技術(shù)有機(jī)地融合在一起，揭示其內(nèi)在的聯(lián)系，以便讓學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)掌握更系統(tǒng)、更全面的知識。

“圖像和視頻處理”課程是一門對數(shù)學(xué)推理能力和編程動(dòng)手能力都要求比較高的課程。傳統(tǒng)的照本宣科式的教學(xué)方式，忽略了學(xué)生的理論聯(lián)系數(shù)學(xué)和實(shí)踐能力培養(yǎng)，缺乏綜合應(yīng)用能力的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生面對具體應(yīng)用問題無從下手。為了加深學(xué)生對該課程理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的掌握和增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行改革，在教學(xué)中引入立體教學(xué)法。通過工科的定義聯(lián)系數(shù)學(xué)原理在到編程實(shí)現(xiàn)，最后到實(shí)驗(yàn)結(jié)果立體顯示的方式，來鞏固所學(xué)理論知識，加深學(xué)生對抽象理論知識的理解和感性認(rèn)識，同時(shí)更好地培養(yǎng)學(xué)生的理論功底和創(chuàng)新能力，進(jìn)而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

1 立體化教學(xué)模式

本文在結(jié)合了“圖像和視頻處理”課程中的具體內(nèi)容的基礎(chǔ)上，作者提出一種“圖像和視頻處理”課程教學(xué)中的立體化教學(xué)模式。該教學(xué)模式分為“實(shí)際意義和應(yīng)用→定義→數(shù)學(xué)原理→編碼→三維效果演示”的五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，五個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，相互依存，把工科定義和數(shù)學(xué)理論以及編程實(shí)踐渾然天成般的融合在一起。通過對實(shí)際意義和應(yīng)用的講解提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而引出工科定義，通過分析其數(shù)學(xué)意義，提高學(xué)生對其理論的數(shù)學(xué)依據(jù)的理解，可以更好的激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)造性思維；然后，通過編程實(shí)驗(yàn)和三維效果演示，使原本很抽象的內(nèi)容變得簡單生動(dòng)。另外，為了滿足學(xué)生實(shí)踐的要求，可以布置課后編程作業(yè)，這樣不但可以鞏固所學(xué)知識，還可提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

下面我們將以圖像和視頻處理里面的圖像匹配中的歸一化互相關(guān)為例，將介紹如何把枯燥無味的歸一化互相關(guān)匹配算法，轉(zhuǎn)化為實(shí)際意義和應(yīng)用→定義→數(shù)學(xué)原理→編碼→三維效果演示的立體化教學(xué)方式。

2 實(shí)際意義和應(yīng)用

圖像匹配是“圖像和視頻處理”課程中一節(jié)重要的內(nèi)容。圖像匹配技術(shù)在生活和工作中有著廣泛的應(yīng)用，根據(jù)相關(guān)專家統(tǒng)計(jì)大約有40%的機(jī)器視覺應(yīng)用中需要用到圖像匹配技術(shù)。圖像匹配技術(shù)有著極其廣泛的應(yīng)用，從工業(yè)流水線的自動(dòng)監(jiān)控到軍事上的目標(biāo)檢測識別與跟蹤、從遙感中的資源分析到氣象中的氣象預(yù)報(bào)、從醫(yī)療中的醫(yī)療診斷到交通管理的智能交通、從文字識別到圖像數(shù)據(jù)庫檢索以及景物分析中的變化檢測等等，幾乎現(xiàn)代生活中的每一處都能見到圖像匹配技術(shù)。

3 定義

所謂圖像匹配是指在一幅（或一批）圖像中尋找與給定目標(biāo)圖像相似的圖像或者圖像區(qū)域（子圖像）的過程。通常將已知目標(biāo)圖像稱為基準(zhǔn)圖（或者模板圖），而將待搜索圖像中可能與它對應(yīng)的子圖稱作該模板的待匹配的目標(biāo)圖像。圖像匹配是在來自不同時(shí)間或者不同視角的同一場景的兩幅或多幅圖像之間尋找對應(yīng)關(guān)系，基準(zhǔn)圖可以比實(shí)時(shí)圖大也可以比實(shí)時(shí)圖小?；ハ嚓P(guān)匹配算法是一種最基本的灰度統(tǒng)計(jì)匹配方法，它要求參考圖像和待匹配圖像具有相似的灰度和尺度信息。歸一化互相關(guān)匹配算法是一種經(jīng)典的互相關(guān)的匹配算法，經(jīng)常寫為NCC（Normalized Cross Correlation）算法，其通過計(jì)算模板圖像和待匹配圖像的互相關(guān)系數(shù)值來確定匹配的相似程度，互相關(guān)系數(shù)最大時(shí)對應(yīng)的搜索窗口的位置決定了模板圖像在待匹配圖像中的位置。NCC的相關(guān)矩陣公式定義為：

其中，h（x，y）和f（x，y）表示實(shí)時(shí)圖像H和模板圖像F在（x，y）位置像素點(diǎn)的灰度值。NCC算法具有很高的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。

4 數(shù)學(xué)原理

通過觀察互相關(guān)匹配的公式，我們可以聯(lián)想到中學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)過的柯西不等式：

把工科的理論聯(lián)系到學(xué)生所學(xué)的數(shù)學(xué)知識里面，有助于學(xué)生深化理解理論，為將來進(jìn)行科研創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)。這要求授課教師有著更強(qiáng)的責(zé)任心，而且需要扎實(shí)的理論功底和數(shù)學(xué)分析能力。

5 編碼

“圖像和視頻處理”課程所授內(nèi)容都可以通過計(jì)算機(jī)編程來進(jìn)行試驗(yàn)和測試，通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和效果，從而直觀的再現(xiàn)課程所講述的內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和建立學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新的自信心。當(dāng)然，這要求教師具備極強(qiáng)的編程能力和將理論與編程代碼相結(jié)合的解釋能力，現(xiàn)場講解編程思想和演示編程過程，不僅可以熏陶學(xué)生處理的思路和提高學(xué)生的編程技巧，而且可以很好的建立起學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的興趣和能力。

本文應(yīng)用MATLAB R2014a影像處理工具箱中提供的相關(guān)函數(shù)和命令，對數(shù)字圖像進(jìn)行互相關(guān)匹配去識別基準(zhǔn)圖，其核心代碼和注釋如下：

scene = im2double（imread（‘1.jpg’））；%讀取目標(biāo)圖像并轉(zhuǎn)為雙精度浮點(diǎn)型

template = im2double（imread（‘1_template.jpg’））；%讀取基準(zhǔn)圖像并轉(zhuǎn)為雙精度浮點(diǎn)型

［template_height，template_width］=size（template）；%輸出目標(biāo)圖像大小

［scene_height，scene_width］=size（scene）；%輸出基準(zhǔn)圖像大小

for i=1：scene_height-template_height

for j=1：scene_width-template_width

temp_picture=imcrop（scene，［j，i，template_width-1，template_height-1］）；

r（i，j）=corr2（temp_picture，template）； %計(jì)算互相關(guān)系數(shù)

end

end

figure， surf（r）， shading flat，hold on %畫出三維互相關(guān)系數(shù)的峰值圖像。

scene = im2double（imread（‘1.jpg’））；%讀取目標(biāo)圖像并轉(zhuǎn)為雙精度浮點(diǎn)型

［x，i］=max（r）， ［y，j］=max（max（r）），i=i（j）； %找出相關(guān)系數(shù)的峰值的位置

plot（j：j+template_width，i，’r’）；%畫紅色的匹配結(jié)果框

plot（j：j+template_width，i+template_height，'r'）；

plot（j，i：i+template_height，'r'）；

plot（j+template_width，i：i+template_height，'r'）；

figure，imshow（template，［］）； %顯示匹配結(jié)果

6 三維效果演示

課堂上通過運(yùn)行代碼，用來演示利用互相關(guān)匹配算法的實(shí)現(xiàn)過程，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 互相關(guān)匹配算法實(shí)例

最后，讓學(xué)生課后思考和實(shí)驗(yàn)習(xí)題；針對傳統(tǒng)的互相關(guān)匹配方法計(jì)算速度比較慢的缺點(diǎn)，采用什么方法可以提高算法的實(shí)時(shí)性，改進(jìn)要有數(shù)學(xué)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣，完成了學(xué)生可以在課堂上見到從實(shí)際意義和應(yīng)用到定義，再到數(shù)學(xué)原理和編碼，和最后的三維效果演示的整個(gè)全方位的立體化教學(xué)過程，從而增加對理論認(rèn)識的深度，掌握理論付諸于實(shí)踐的編程技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技巧，同時(shí)提供相應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)的源代碼供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。再增加學(xué)生的課后實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展，這樣可以達(dá)到全方面的引導(dǎo)和提高學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力。

7 結(jié)束語

本文根據(jù)“圖像和視頻處理”課程的具體特點(diǎn)和特色，通過結(jié)合理論的數(shù)學(xué)依據(jù)和具體可見的編程演示實(shí)驗(yàn)，提出了實(shí)際意義和應(yīng)用→定義→數(shù)學(xué)原理→編碼→三維效果演示的立體化教學(xué)方式。這種教學(xué)方式即可以提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，而且能夠增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)學(xué)分析能力和激發(fā)學(xué)生的理論創(chuàng)新能力。將圖像和視頻處理的專業(yè)知識和實(shí)際應(yīng)用、數(shù)學(xué)以及編程實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，使得學(xué)生可以即掌握圖像和視頻處理課程知識和相關(guān)技術(shù)，也提高了學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：南京郵電大學(xué)教改基金（編號：JG00215JX66）。

作者簡介：

鄧麗珍（1985—），女，安徽宿州人，博士，講師，研究方向：信號處理與模式識別。