南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 王皖君 程玉柱 李趙春

基于OpenCV的圖像處理編程教學(xué)模式研究

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 王皖君 程玉柱 李趙春

實(shí)踐教學(xué)是圖像處理課程教學(xué)的重要組成部分。本文將OpenCV引入到數(shù)字圖像處理的實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，包括多種開發(fā)平臺(tái)的搭建、函數(shù)的調(diào)用、算法演示等。利用Visual Studio和Anaconda與OpenCV搭建PC端圖像處理平臺(tái)，同時(shí)搭建Android Studio與OpenCV手機(jī)端圖像處理平臺(tái)。通過兩種平臺(tái)教學(xué)實(shí)踐表明，此教學(xué)模式能顯著地提高教學(xué)效果。

OpenCV；圖像處理；教學(xué)模式

1 引言

“數(shù)字圖像處理”課程理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)，理論上囊括了幾乎所有的數(shù)學(xué)理論。在實(shí)踐上，傳統(tǒng)采用Matlab軟件進(jìn)行教學(xué)，Matlab雖然易于學(xué)生掌握，但不適合工程應(yīng)用，與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的教學(xué)思路不符，而采用C++語言教學(xué)，難度較大，短時(shí)間很難入門。

OpenCV是開源計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，由Intel公司主導(dǎo)開發(fā)的基于BSD開源發(fā)型的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，具有多種接口：C、C++、Java、Python等，可以運(yùn)行在多種操作系統(tǒng)上。與Matlab相比，OpenCV的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)且高效，提升軟件算法的可應(yīng)用性。同時(shí)可以利用GPU硬件，實(shí)現(xiàn)算法的并行加速處理。OpenCV實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺的很多通用算法，算法通過函數(shù)、類和模塊實(shí)現(xiàn)，便于學(xué)生調(diào)用和練習(xí)，有助于提高圖像處理課程的實(shí)踐教學(xué)效果。

本文將OpenCV引入到“數(shù)字圖像處理”課堂教學(xué)中來，通過搭建PC端和手機(jī)端兩種開發(fā)平臺(tái)，生成兩套編程教學(xué)系統(tǒng)，供學(xué)生上課進(jìn)行二次開發(fā)和學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效果。通過編程教學(xué)，有助于圖像處理理論及算法的理解。

2 PC端OpenCV圖像處理實(shí)現(xiàn)

學(xué)生電腦主要配備微軟的Windows操作系統(tǒng)，因此，PC端構(gòu)建OpenCV教學(xué)系統(tǒng)主要基于Windows系統(tǒng)開發(fā)。本文通過Visual Studio與OpenCV構(gòu)建C++圖像處理算法演示系統(tǒng)，同時(shí)也用Anaconda與OpenCV構(gòu)建Python圖像處理算法教學(xué)系統(tǒng)。

2.1 Visual Studio與OpenCV教學(xué)軟件系統(tǒng)

Visual Studio 2017是微軟于2017年3月8日正式推出的新版本，是迄今為止最具生產(chǎn)力的 Visual Studio 版本，其內(nèi)建工具整合了.NET Core、Azure 應(yīng)用程序、微服務(wù)、Docker 容器等所有內(nèi)容，本文采用面向?qū)W生、開源和個(gè)人開發(fā)者的免費(fèi)社區(qū)版。平臺(tái)搭建過程：首先下載Visual Studio和OpenCV，安裝VS2017，然后解壓OpenCV，得到預(yù)先編譯好的lib、bin、include等文件夾；打開Visual Studio，設(shè)置好庫(kù)文件路徑，電腦高級(jí)變量等。最后新建工程，輸入代碼，實(shí)現(xiàn)圖像處理算法，進(jìn)行課堂演示。

2.2 Anaconda與OpenCV教學(xué)軟件系統(tǒng)

Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，Python是純粹的自由軟件， 源代碼和解釋器遵循 GPL協(xié)議。語法簡(jiǎn)潔清晰，強(qiáng)制用空白符作為語句縮進(jìn)。具有豐富和強(qiáng)大的庫(kù)。Anaconda可以看做Python的一個(gè)集成安裝，安裝它后就默認(rèn)安裝了python、IPython、集成開發(fā)環(huán)境Spyder和眾多的包和模塊，非常方便。Python分成2.x版本和3.x版本，安裝方式通常有兩種，一種直接拷貝cv2/pyd文件，另一種利用conda install opencv 命令實(shí)現(xiàn)。

3 Android手機(jī)OpenCV圖像處理實(shí)現(xiàn)

搭建Android與OpenCV圖像步驟如下：首先下載并安裝Android Studio2.1.2版本，并將下載好的OpenCV for Android解壓到固定文件夾。利用AS新建工程，并加載OpenCV模塊，至此，開發(fā)環(huán)境搭建成功，設(shè)置AVD，生成手機(jī)模擬器，測(cè)試程序的有效性。

4 編程模式比較

圖1 不同平臺(tái)邊緣檢測(cè)效果圖

課堂采用理論和實(shí)踐交互式比較教學(xué)模式，學(xué)生預(yù)先安裝好PC端和手機(jī)端開發(fā)軟件，首先運(yùn)行代碼演示，學(xué)生看到算法的實(shí)際效果，增強(qiáng)對(duì)理論認(rèn)識(shí)，并掌握VS/Android與OpenCV編程技術(shù)，提供算法源代碼供學(xué)生二次開發(fā)，作為課堂及課后練習(xí)。

本文以圖像Canny邊緣檢測(cè)為例，說明其教學(xué)過程。首先讀取彩色圖像，彩圖灰度化，并利用Canny算子對(duì)灰度圖進(jìn)行邊緣檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，圖1（a）為原始圖像，圖1（b）為VS2017邊緣檢測(cè)處理結(jié)果，圖1（c）為手機(jī)模擬器上的邊緣檢測(cè)結(jié)果。通過多種編程模式可以實(shí)現(xiàn)同樣的處理結(jié)果，使得學(xué)生更好地理解圖像處理算法的精髓。

理論可在實(shí)踐開發(fā)之前，也可在開發(fā)之后，或者交替進(jìn)行。大致按照“理論、實(shí)踐、理論、分析、總結(jié)”的模式進(jìn)行教學(xué)。在此過程中，需要教師既具有較強(qiáng)的理論功底，也具有實(shí)踐編程能力，將理論與編程代碼相結(jié)合的能力，對(duì)教師提出了更高的要求。

5 總結(jié)

針對(duì)數(shù)字圖像實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，從教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容上，對(duì)該課程教學(xué)模式進(jìn)行了探索研究。將OpenCV引入到教學(xué)中，使得學(xué)生高效利用電腦和手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。讓學(xué)生采用不同的編程語言和開發(fā)平臺(tái)，通過比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對(duì)圖像處理算法的理解，顯著地提高教學(xué)質(zhì)量。

[1]李樹濤,胡秋偉.LIShu-tao,等.OpenCV在”數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(6):26-28.

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[3]朱娟花,吳昂.MATLAB在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2011,14(1):66-67.

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王皖君（1984—），男，博士，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院講師，主要研究方向：自動(dòng)化。

南京林業(yè)大學(xué)2017年校級(jí)“教學(xué)質(zhì)量提升工程”項(xiàng)目。

程玉柱（1980—），男，博士，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院講師，主要研究方向：圖像處理與模式識(shí)別。

李趙春（1978—），女，博士，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院副教授，主要研究方向：控制理論及控制工程。