何艷敏, 彭真明, 甘 濤, 劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院,四川 成都 610054)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理

光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

何艷敏, 彭真明, 甘 濤, 劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院,四川 成都 610054)

在光電圖像與光信息處理專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程中,形成了“軟件與硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合、光與電相結(jié)合、單元技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的三結(jié)合體系；依托該光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的嘗試,為培養(yǎng)創(chuàng)新型的光電技術(shù)人才提供實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐平臺(tái),加強(qiáng)了理論知識(shí)和實(shí)踐的融合,取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

光電圖像； 光信息處理； 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,光電圖像與光信息處理技術(shù)日益在光電工程、光信息科學(xué)與技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用,其專業(yè)技術(shù)人才的需求也越發(fā)旺盛[1-3]。光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是為了光電信息學(xué)院“光電探測(cè)與信息處理”方向的本科生專業(yè)核心課程“光電圖像處理”(2009年四川省精品課程)、“紅外與微光技術(shù)” “光電探測(cè)與系統(tǒng)” “信息光學(xué)” “聲光技術(shù)”等課程教學(xué)服務(wù)的[4]。作為光電信息學(xué)院的主干專業(yè)必修課之一的 “光電圖像處理”,是一門理論和實(shí)踐結(jié)合極強(qiáng)的專業(yè)課程,對(duì)于培養(yǎng)符合科技發(fā)展以及社會(huì)需求的光電圖像處理的專業(yè)人才,提供了重要的保障。本實(shí)驗(yàn)課程也可作為“紅外與微光技術(shù)” “光電探測(cè)與系統(tǒng)” “信息光學(xué)”等課程的配套實(shí)驗(yàn),對(duì)于光電信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)的本科教學(xué)具有重要的地位[5-7]。在教授相關(guān)理論知識(shí)的前提下,建立一個(gè)具有較完整體系的光電圖像與光信息處理專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,對(duì)于學(xué)生深入理解光電圖像及光信息處理的相關(guān)理論知識(shí),培養(yǎng)動(dòng)手能力和科研素養(yǎng),有著十分重要的意義。

目前,我院光電信息科學(xué)與工程(光通信與光電工程,信息顯示科學(xué)與技術(shù))2個(gè)專業(yè)本科生人數(shù)達(dá)260余人。針對(duì)這2個(gè)專業(yè)的“光電圖像處理”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),僅僅依靠上機(jī)實(shí)驗(yàn),簡(jiǎn)單地在PC平臺(tái)上運(yùn)行個(gè)別基礎(chǔ)光電圖像處理仿真算法,已經(jīng)不能滿足學(xué)生的要求。建設(shè)該專業(yè)實(shí)驗(yàn)室不僅能夠提供本科相關(guān)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)所需,讓學(xué)生對(duì)于光電探測(cè)系統(tǒng)中的信息采集、傳輸、處理及顯示等全套教學(xué)流程有清楚的了解,也能夠?yàn)橄嚓P(guān)專業(yè)的研究生甚至教師的研究實(shí)驗(yàn)提供合適的設(shè)備和資源。因此,迫切需要建設(shè)一個(gè)資源共享的光電圖像與光信息處理專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,為光電信息學(xué)院廣大師生提供科研、教學(xué)服務(wù)[8]。該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)為學(xué)校本科實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目,校撥經(jīng)費(fèi)為80萬元,完全新建。實(shí)驗(yàn)室基本架構(gòu)見圖1。

圖1 光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室基本架構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)

光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室覆蓋面廣,從點(diǎn)到面,需要讓學(xué)生了解光電探測(cè)系統(tǒng)中的信息采集、傳輸、處理、顯示到應(yīng)用等全套流程,為此實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)要能滿足這個(gè)需求。在該實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中,根據(jù)建設(shè)和具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求,實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買的儀器設(shè)備有三維立體掃描系統(tǒng)、手持式紅外熱像儀、在線式紅外熱像儀、激光平面干涉儀、激光測(cè)距儀、SEED-DEC643視頻處理系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字示波器、數(shù)字顯微鏡、全景云臺(tái)、防震臺(tái)等。

通過建設(shè)光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生能夠了解學(xué)習(xí)相應(yīng)的儀器設(shè)備構(gòu)造、掌握它們的工作原理,并通過實(shí)際操作儀器設(shè)備采集后面需要處理的信號(hào)、圖像。例如通過在線式紅外熱像儀或手持式紅外熱像儀采集紅外圖像,將其傳輸、顯示到計(jì)算機(jī)上,再做進(jìn)一步處理應(yīng)用；通過激光平面干涉儀采集到各種干涉圖像；通過視頻處理系統(tǒng)實(shí)際采集到和學(xué)生生活相關(guān)的一些視頻材料,再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)等。學(xué)生自己操作儀器設(shè)備采集圖像信號(hào),理解更深刻,解決了傳統(tǒng)的只使用現(xiàn)成圖像信號(hào)來處理的問題。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

依托光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式的嘗試,構(gòu)建了“以光電物理現(xiàn)象認(rèn)知、以鍛煉設(shè)計(jì)能力為中心、以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為導(dǎo)向”的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)體系。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及從信息產(chǎn)生、傳輸、顯示到應(yīng)用,以綜合運(yùn)用課堂知識(shí)、學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)思路、掌握實(shí)驗(yàn)手段為主要內(nèi)容,著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和綜合科學(xué)研究能力，完善實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和編寫實(shí)驗(yàn)教程,設(shè)置了具有階梯推進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課程體系,有效補(bǔ)充光電專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容[9]。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是課程組教師在綜合考慮實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)難度、實(shí)驗(yàn)拓展性等多方面因素的基礎(chǔ)上擬定的。通過這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)行,可以在有限的時(shí)間內(nèi),讓學(xué)生強(qiáng)化課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中,課程組教師特別注意對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng),經(jīng)常提出思考性問題,促使學(xué)生獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并提出具體的實(shí)驗(yàn)方法和步驟,鼓勵(lì)他們勇于想象、大膽創(chuàng)新。

光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共包含10個(gè)實(shí)驗(yàn),其中1個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、2個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，其余全部為綜合性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了光電探測(cè)系統(tǒng)中的信息采集、傳輸、處理及顯示的基本應(yīng)用,并留給學(xué)生擴(kuò)展的空間,發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性[10]。具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下:

(1) 光電圖像采集與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。 該實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生掌握使用平面掃描儀、三維立體掃描儀等數(shù)字化設(shè)備以及CCD相機(jī)、視頻采集卡等獲取光電圖像、數(shù)字視頻的方法,同時(shí)將光電圖像采集設(shè)備與計(jì)算機(jī)和打印機(jī)連接,將光電圖像顯示出來,可以修改光電圖像的存儲(chǔ)格式。

(2) 紅外圖像獲取、顯示及處理實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生了解紅外成像機(jī)理、熟悉紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)、掌握在線式紅外熱像儀和手持式紅外熱像儀的使用、采集紅外圖像、顯示紅外圖像,并對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理、增強(qiáng)紅外圖像的識(shí)別度、對(duì)紅外圖像進(jìn)行直方圖均衡化等。

(3) 紅外圖像的非均勻性校正實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解紅外圖像非均勻性產(chǎn)生的原因,熟悉紅外圖像非均勻性校正的常用方法,掌握紅外圖像的一點(diǎn)法、兩點(diǎn)法和多點(diǎn)法非均勻性校正原理。學(xué)生分別采用不同的非均勻性校正方法對(duì)采集到的紅外圖像進(jìn)行校正,比較不同方法校正產(chǎn)生的不同結(jié)果。

(4) 光電圖像頻譜分析實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過這個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)熟悉視頻顯示程序的運(yùn)行、控制過程,搞清光電圖像數(shù)據(jù)處理、傳輸途徑。同時(shí)要求學(xué)生結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)在實(shí)時(shí)視頻顯示程序中增加對(duì)光電圖像處理的算法。該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握傅里葉變換,二維離散傅里葉變換和快速傅里葉變換的原理,學(xué)習(xí)快速傅里葉變換的程序設(shè)計(jì)和計(jì)算方法,獲取傅里葉變換的幅度頻譜特征。

(5) 光電圖像的退化與復(fù)原實(shí)驗(yàn)。通過該綜合性實(shí)驗(yàn),學(xué)生能掌握光電圖像退化/復(fù)原模型,設(shè)計(jì)光學(xué)散焦中的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)、掌握逆濾波和維納濾波光電圖像復(fù)原方法,同時(shí)利用DSP SEED-DEC643視頻處理系統(tǒng),編寫程序代碼來實(shí)現(xiàn)光電圖像復(fù)原。

(6) 光學(xué)干涉圖分析與處理實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解和分析球面、平面、機(jī)械表面、陶瓷、半導(dǎo)體晶片表面面形以及光學(xué)波前特性。將單幅或多幅條紋圖導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中,利用條紋追蹤技術(shù)或相移算法解析干涉條紋圖,進(jìn)行波前的幾何分析及衍射分析,觀察被測(cè)件的表面面形或形變,分析干涉圖與溫度、應(yīng)力及振動(dòng)等因素的函數(shù)關(guān)系。利用編程進(jìn)行簡(jiǎn)單干涉圖的處理與分析,對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(7) 多源光電圖像融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生了解多源光電圖像(多波段紅外、紫外、可見光、高光譜遙感等)融合目的、意義和用途,理解和掌握?qǐng)D像融合的基本原理,掌握光電圖像融合的實(shí)現(xiàn)步驟和流程,能夠編程實(shí)現(xiàn)兩幅及多源傳感器圖像融合,并進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

(8) 激光光斑圖像檢測(cè)與測(cè)距實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過這個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)了解激光測(cè)距的基本原理和激光光斑有效區(qū)域檢測(cè)原理,掌握激光光斑圖像處理方法, 熟悉激光光斑中心定位方法,分析各種邊緣檢測(cè)算法對(duì)激光光斑圖像的處理效果差別,對(duì)不同算法導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果的差異進(jìn)行精度分析。

(9) 光電視覺測(cè)量系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)利用專業(yè)照明光源、工業(yè)CCD圖像采集系統(tǒng)、數(shù)字顯微鏡、計(jì)算機(jī)或圖像工作站搭建完整的光電測(cè)量機(jī)器視覺系統(tǒng),利用搭建的光電測(cè)量系統(tǒng)對(duì)零件的幾何形狀參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,掌握測(cè)量典型幾何圖形——直線、圓孔等的基本計(jì)算方法。

(10) 光電成像目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生熟悉掌握各種圖像預(yù)處理方法,并了解這些方法在圖像分析與識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)跟蹤等應(yīng)用中所起作用。用編程來完整實(shí)現(xiàn)從圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取與分析及各種應(yīng)用的完整流程,綜合利用學(xué)到的光電圖像處理知識(shí),解決目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別及目標(biāo)定位跟蹤問題,提高學(xué)生利用圖像處理知識(shí)解決實(shí)際問題及分析問題的能力。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在基礎(chǔ)(驗(yàn)證)性、綜合性、設(shè)計(jì)性3個(gè)層次的基礎(chǔ)上,同時(shí)提出若干開放性、挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)題目,鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新，鼓勵(lì)和支持本科生積極參與國(guó)際、國(guó)內(nèi)科技創(chuàng)新競(jìng)賽等活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力,提升他們的軟件設(shè)計(jì)、硬件開發(fā)和科研實(shí)踐能力，探索培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的新教學(xué)模式等[11]。

3 實(shí)驗(yàn)室的特色

光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室具有以下特色。

(1) “軟硬、光電、單元與系統(tǒng)”三結(jié)合體系。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),形成了“軟件與硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合,光與電相結(jié)合,單元技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的三結(jié)合體系。涉及硬件系統(tǒng)搭建、程序與軟件設(shè)計(jì),全面培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力。對(duì)于工程技術(shù)類學(xué)生而言,面臨著要將書本所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工作崗位的現(xiàn)實(shí)問題,因此,培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、提高分析解決問題的能力顯得至關(guān)重要，既有光學(xué)信息的獲取采集,也涉及采集之后相應(yīng)的光信息圖像處理,培養(yǎng)光電結(jié)合的創(chuàng)新人才。部分新立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目源于實(shí)驗(yàn)室教師科研項(xiàng)目,既有單元技術(shù)實(shí)驗(yàn),也涉及綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生了解光電系統(tǒng)及其核心技術(shù)有重要意義。

(2) 創(chuàng)新的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｔ趥鹘y(tǒng)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街?一般是先進(jìn)行理論知識(shí)的講解,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),往往會(huì)造成理論環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的脫鉤。光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),大膽進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式的嘗試,構(gòu)建了“以光電物理現(xiàn)象認(rèn)知、以鍛煉設(shè)計(jì)能力為中心、以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為導(dǎo)向”的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)體系。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及從信息產(chǎn)生、傳輸、顯示到應(yīng)用,以綜合運(yùn)用課堂知識(shí)、學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)思路、掌握實(shí)驗(yàn)手段為主要內(nèi)容,著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和綜合科學(xué)研究能力,完善理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、課內(nèi)外相結(jié)合的課程體系,強(qiáng)化實(shí)踐訓(xùn)練,探索培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

(3) 擴(kuò)展性和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),充分利用學(xué)院的科研優(yōu)勢(shì),以科研帶動(dòng)和彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué),將團(tuán)隊(duì)的科研課題研究?jī)?nèi)容和取得的技術(shù)成果科學(xué)地轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,提高綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比重。更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要充分體現(xiàn)科學(xué)研究的精髓,又要注重學(xué)生操作性、創(chuàng)造性訓(xùn)練以及系統(tǒng)思維和整體設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng),提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的檔次和水平。依托實(shí)驗(yàn)室,指導(dǎo)學(xué)生參與國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、校級(jí)創(chuàng)新基金項(xiàng)目及大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(undergraduate research training program,URTP)等國(guó)際、國(guó)內(nèi)科技創(chuàng)新競(jìng)賽活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生盡早參加科學(xué)研究基本訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)科研資源與人才培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合[3]。實(shí)驗(yàn)室成為工程技術(shù)類學(xué)生開展課程綜合訓(xùn)練、URTP、創(chuàng)新基金等科研訓(xùn)練項(xiàng)目和課外科技競(jìng)賽活動(dòng)的研究基地,成為學(xué)生科研啟蒙、提高能力、孕育成果的實(shí)踐舞臺(tái)。

4 結(jié)語

光電圖像與光信息處理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將科研轉(zhuǎn)化為本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,建成光電圖像處理、光信息處理等光電工程技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)一流水平的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,為培養(yǎng)創(chuàng)新型的光電技術(shù)人才提供實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐平臺(tái),契合了相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用,加強(qiáng)了理論知識(shí)和實(shí)踐的融合,取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

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Construction on laboratory for optoelectronic image and optical information processing

He Yanmin, Peng Zhenming, Gan Tao, Liu Shuang

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

During the process of the construction on the laboratory for Optoelectronic Image and Optical Information Processing speciality, a three-combined system: “Combination of software with hardware designs, combination of light with electricity,and combination of unit technology with system experiments” is established. Based on the construction of the laboratory for optoelectronic image and optical information processing, the exploration on the innovative experimental teaching mode is carried out in order to provide an experimental and practical platform for cultivating innovative optoelectronic technology talents, and strengthen the integration of theory and practice, which has made the good experimental teaching effect.

optoelectronic image; optical information processing; innovative experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.056

2016-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41301460)

何艷敏(1977―),女,四川成都,博士,副教授,主要研究方向?yàn)閳D像處理及模式識(shí)別.

E-mail：heyanmin@uestc.edu.cn

G642

A

1002-4956(2017)5-0223-03