蔣良孝，李超群

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074）

徐 琪， 曾衛(wèi)明， 章夏芬

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

基于團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

蔣良孝1，李超群2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074）

針對當(dāng)前研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題，分析研究生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)據(jù)挖掘研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)CUG-Miner為例，闡述構(gòu)建高效研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的具體舉措，提出培育研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)成員的若干建議。

研究生教育；團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)；創(chuàng)新能力；培養(yǎng)模式

團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的概念[12]早在20世紀(jì)60年代由英國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家Reg Revans提出，20世紀(jì)80年代末美國組織專家對其重點(diǎn)研究，自此以后，團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)成了理論界和實(shí)務(wù)界廣為關(guān)注的一個熱點(diǎn)。學(xué)者們紛紛從各自的研究領(lǐng)域出發(fā)，對團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行概念界定[2]。研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)就是在研究生中組建學(xué)習(xí)小組，提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)條件，在一定的管理機(jī)制下，有計(jì)劃、有組織地進(jìn)行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)，通過小組成員的深度交流推動整個團(tuán)隊(duì)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)個人與團(tuán)隊(duì)的互動成長，提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量[3]。研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)理念在西方高等教育界很受重視，并體現(xiàn)在高校硬件設(shè)施的建設(shè)中，比如圓桌會議室、餐桌會議室、帶投影和數(shù)字傳送功能白板的小隔間等。近年，我國研究生擴(kuò)招帶來了一系列問題，為此，各研究生培養(yǎng)單位積極探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，不少科研院校紛紛嘗試研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)，試圖以此為突破口解決當(dāng)前研究生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題[4]。

1 當(dāng)前研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題

（1）培養(yǎng)方式單一。自從教育部教研[2009]1號文件發(fā)布以來，我國碩士研究生主要包括學(xué)術(shù)型和專業(yè)型[5]。學(xué)術(shù)型研究生以培養(yǎng)教學(xué)和科研人才為主，授予學(xué)術(shù)型學(xué)位；專業(yè)型研究生以培養(yǎng)滿足市場緊缺的應(yīng)用型人才為主，授予專業(yè)型學(xué)位。二者具有不同的培養(yǎng)方向，理應(yīng)具有不同的培養(yǎng)方式。然而，在實(shí)際的研究生培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)方式區(qū)分不明，甚至幾乎共用相同的培養(yǎng)方式。

（2）課程體系涉及內(nèi)容范圍較窄。研究生課程主要包括學(xué)位必修課和選修課，然而無論是必修課還是選修課，涉及的內(nèi)容范圍都較窄，跨專業(yè)跨學(xué)科課程較少。這種課程體系的局限性導(dǎo)致研究生的基礎(chǔ)理論不能在專業(yè)基礎(chǔ)上拓寬, 研究生的知識面和研究視野狹窄, 適應(yīng)能力較差，不利于研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（3）教學(xué)方式本科化趨勢嚴(yán)重。由于課時(shí)設(shè)置等多方面的原因，研究生教學(xué)大都以任課教師大班課堂講課為主, 缺乏必要的課堂討論和上機(jī)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié), 不利于研究生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

（4）培養(yǎng)單位對研究生導(dǎo)師的考核與評價(jià)體系存在不合理現(xiàn)象。以筆者所在的學(xué)校為例，研究生導(dǎo)師要同時(shí)接受導(dǎo)師資格考核和崗位聘任考核，在考核和評價(jià)導(dǎo)師的過程中，大都偏重科研指標(biāo)的考核，并且主要關(guān)注導(dǎo)師為第一作者的研究成果，導(dǎo)致研究生導(dǎo)師無法潛心指導(dǎo)研究生，甚至出現(xiàn)導(dǎo)師和學(xué)生搶占第一作者的現(xiàn)象，畢竟學(xué)生在參評國家獎學(xué)金和優(yōu)秀碩士學(xué)位論文的時(shí)候也主要關(guān)注學(xué)生本人為第一作者的研究成果。

（5）部分研究生導(dǎo)師指導(dǎo)的學(xué)生數(shù)量過多。當(dāng)前中國研究生培養(yǎng)大都實(shí)行導(dǎo)師責(zé)任制, 隨著碩士研究生招生規(guī)模的擴(kuò)大, 盡管研究生導(dǎo)師的人數(shù)也在增加，但研究生招生還是相對集中在少數(shù)導(dǎo)師身上，導(dǎo)致部分研究生導(dǎo)師指導(dǎo)的學(xué)生數(shù)量過多，指導(dǎo)效果難以保證。

（6）研究生的生源質(zhì)量下降。以筆者所在的學(xué)校為例，研究生招生的生源主要來源于本校的推免生和報(bào)考生。早些年，受限于國家教育部推免政策及相關(guān)規(guī)定，幾乎每個專業(yè)都只有綜合排名前兩名的本科畢業(yè)生才具有推免外校的資格，大部分具有推免資格的學(xué)生都只能推免本校相關(guān)專業(yè)，學(xué)生生源穩(wěn)定，質(zhì)量相對較高。近年來，隨著國家推免政策的全面放開，絕大部分能力較強(qiáng)的學(xué)生都選擇推免外校，人才流失嚴(yán)重，研究生生源質(zhì)量下降嚴(yán)重。

2 研究生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的優(yōu)勢

（1）研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)有利于形成學(xué)生隊(duì)伍梯隊(duì)。研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的第一步就是要在研究生當(dāng)中組建起不同的學(xué)習(xí)小組。學(xué)習(xí)小組的劃分往往根據(jù)學(xué)生的研究興趣和方向，同一組的學(xué)生往往具有相同或者相近的研究興趣和方向。同時(shí)在分組的時(shí)候，還要考慮到不同年級學(xué)生的交叉搭配，有利于形成學(xué)生隊(duì)伍梯隊(duì)。這樣，導(dǎo)師從原來對研究生個人的指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷ρ芯可鷪F(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)，節(jié)約了導(dǎo)師的指導(dǎo)時(shí)間和精力，同時(shí)也提升了導(dǎo)師的工作效率。

（2）研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)有利于提高學(xué)習(xí)效率。在討論研究生的學(xué)習(xí)效率之前，我們不妨先來看看與研究生學(xué)習(xí)生涯密切相關(guān)的幾件事情：文獻(xiàn)閱讀、實(shí)驗(yàn)分析和論文寫作。然而，對于剛剛?cè)胄５牡湍昙壯芯可鷣碚f，無論是文獻(xiàn)閱讀還是實(shí)驗(yàn)分析和論文寫作都缺乏學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和技巧。然而在團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)形式下，高年級研究生可以向低年級研究生分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和技巧，減少了低年級研究生獨(dú)自摸索帶來的時(shí)間和精力浪費(fèi)。

（3）研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)有利于拓展知識的廣度和深度。研究生首先需要完成的任務(wù)就是確定自己的研究方向，這往往需要研究生先對該研究方向相關(guān)的背景知識進(jìn)行充分的積累和調(diào)研，從中找到自己真正感興趣的研究方向。在個體學(xué)習(xí)形式下，出于時(shí)間和精力的限制，獲取知識的廣度和深度非常有限。在團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)形式下，團(tuán)隊(duì)中的每一個成員都有不同的研究方向和研究深度，都可以向團(tuán)隊(duì)中其他成員學(xué)習(xí)，從而拓展了每一個成員的知識視野，增加了整個研究生團(tuán)隊(duì)獲取知識的廣度和深度。

3 構(gòu)建高效研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的具體舉措

筆者于2012年組建了中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)據(jù)挖掘研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)（地大礦工，CUGMiner）。團(tuán)隊(duì)自組建至今，共培養(yǎng)碩士研究生14人，其中畢業(yè)9人，在讀5人。團(tuán)隊(duì)成員以第一作者在中國計(jì)算機(jī)學(xué)會推薦的國際重要期刊和會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，申報(bào)國家發(fā)明專利6項(xiàng)，獲計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)6項(xiàng)；3名成員遠(yuǎn)赴德國、愛爾蘭、西班牙參加國際學(xué)術(shù)會議，其中1名還獲得2016年度國際人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會議學(xué)生旅費(fèi)獎； 5名成員獲國家碩士研究生獎學(xué)金；4名成員主持過國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。CUG-Miner團(tuán)隊(duì)先后斬獲2017年度湖北省第十一屆挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎、2014年度中國數(shù)據(jù)挖掘競賽第四名、2012年度亞太地區(qū)知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘競賽學(xué)生組亞軍。下面在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上[2]，結(jié)合CUG-Miner團(tuán)隊(duì)建設(shè)的實(shí)踐，談幾點(diǎn)構(gòu)建高效研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的具體舉措。

（1）打造勇于創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)文化。團(tuán)隊(duì)文化是一個團(tuán)隊(duì)發(fā)展的基石和靈魂，也是一個團(tuán)隊(duì)能否長遠(yuǎn)發(fā)展的根本所在。一個優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的建設(shè)和發(fā)展，需要靠團(tuán)隊(duì)文化支撐。一個研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的精神和氣質(zhì)往往由導(dǎo)師決定，導(dǎo)師一定要為研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)注入勇于創(chuàng)新、敢于吃苦、甘于坐冷板凳的精神和氣質(zhì)。當(dāng)然一個團(tuán)隊(duì)的精神和氣質(zhì)最終要落實(shí)到每一個團(tuán)隊(duì)成員身上來，這就要求導(dǎo)師在招生的時(shí)候嚴(yán)格把關(guān)，充分利用雙向選擇的優(yōu)勢，招收符合團(tuán)隊(duì)精神和氣質(zhì)的研究生。

（2）明確學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的共同目標(biāo)。構(gòu)建高效研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的前提條件就是要為整個研究生團(tuán)隊(duì)制定一個明確且被所有成員認(rèn)同的共同目標(biāo)。如果整個團(tuán)隊(duì)的共同目標(biāo)不夠明確或者不被所有成員認(rèn)同，就會影響整個團(tuán)隊(duì)的工作效率和凝聚力。研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的總體目標(biāo)是培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力，具體目標(biāo)可在不同的時(shí)間階段根據(jù)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的任務(wù)來定，比如課程學(xué)習(xí)、學(xué)術(shù)競賽、文獻(xiàn)調(diào)研與綜述、研究項(xiàng)目實(shí)施、學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)交流等。

（3）配置合理的團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)成。就筆者多年帶研究生的經(jīng)驗(yàn)來看，一個研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)通常由同一個導(dǎo)師指導(dǎo)的不同年級的研究生組成。如果一個導(dǎo)師按平均一年招收2個碩士研究生計(jì)算，那么整個研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)在同一時(shí)間階段的成員數(shù)為6人左右，這剛好是一個研究生導(dǎo)師的時(shí)間和精力可以顧得過來的范圍。導(dǎo)師可以充分發(fā)揮高年級學(xué)生“傳幫帶”的作用，幫助低年級學(xué)生快速、健康成長。此外，導(dǎo)師在招生的時(shí)候，還可以適當(dāng)注意團(tuán)隊(duì)成員在性別、性格、專業(yè)背景等方面的差異和互補(bǔ)性，以保證團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)成的多樣性，從而促進(jìn)整個團(tuán)隊(duì)全面積極地發(fā)展。

（4）發(fā)揮導(dǎo)師的團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)作用。首先，導(dǎo)師應(yīng)為團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)提供相應(yīng)的配套條件,此外, 還可創(chuàng)建QQ或者微信群等虛擬網(wǎng)絡(luò)交流平臺, 以便團(tuán)隊(duì)成員之間探討問題，分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、技巧和成果。導(dǎo)師還應(yīng)對研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)提供適度的指導(dǎo), 參與團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)計(jì)劃制定、學(xué)習(xí)過程討論及學(xué)習(xí)效果評價(jià)。比如，導(dǎo)師可以為整個團(tuán)隊(duì)定制“入團(tuán)隊(duì)承諾書”“建議培養(yǎng)方案”“文獻(xiàn)閱讀模板”“算法實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉薄罢撐淖珜懩０濉薄皩＠陥?bào)模板”和“軟件著作權(quán)申報(bào)模板”等一系列相關(guān)規(guī)定和模板文件。

（5）規(guī)范學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的管理制度。具體來說，就是對團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行合理的考核評價(jià), 并將其納入研究生日常管理體系。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下, 團(tuán)隊(duì)成員每周將學(xué)習(xí)內(nèi)容和階段性成果按團(tuán)隊(duì)規(guī)定的模板和格式要求認(rèn)真準(zhǔn)備，以便在例會中充分討論和深入交流。把例會活動作為團(tuán)隊(duì)的慣例活動，納入考勤范疇，對團(tuán)隊(duì)成員參加例會活動的次數(shù)、學(xué)習(xí)計(jì)劃、學(xué)習(xí)總結(jié)、學(xué)習(xí)成果等進(jìn)行考核，并將個人表現(xiàn)及團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)成效作為研究生評價(jià)和助教助研考核的重要參考指標(biāo)。

4 培育研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)成員的若干建議

1）打好基礎(chǔ)，跟對導(dǎo)師。

對一個計(jì)算科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的研究生而言，所謂的基礎(chǔ)主要是指英語、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)編程能力。如果沒有掌握好這些基本的知識和技能，后期創(chuàng)新能力的培養(yǎng)肯定會受到影響。另外，研究生選擇導(dǎo)師同樣非常重要。研究生一定要想清楚自己到底想要什么，然后根據(jù)自己的需要和興趣來選擇適合自己的指導(dǎo)老師，找到和自己興趣和性格相投的導(dǎo)師是研究生學(xué)習(xí)成功的關(guān)鍵。

2）參與科研，潛心研究。

經(jīng)過前面兩個環(huán)節(jié)的精心準(zhǔn)備，研究生還需要以主人翁的心態(tài)參與到科學(xué)研究活動的各個環(huán)節(jié)中去。

（1）積累專業(yè)英語詞匯。最重要的途徑就是自學(xué)幾本與自己研究方向緊密相關(guān)的國外優(yōu)秀教材，最好是有中英文對照的教材。學(xué)習(xí)的時(shí)候，兩個版本同時(shí)購買?？吹臅r(shí)候，也交替著看。具體說來，可以分三遍制：第一遍以中文版為主，英文版為輔；第二遍以英文版為主，中文版為輔；第三遍只看英文版，不到迫不得已不要看中文版。通過對幾本英文原著的閱讀，可以積累必備的專業(yè)英語詞匯，提高自己外文文獻(xiàn)的閱讀能力，為后續(xù)的創(chuàng)新活動打基礎(chǔ)。

（2）廣泛閱讀文獻(xiàn)資料。在閱讀文獻(xiàn)的時(shí)候可以先看綜述性論文，后看創(chuàng)新性論文，同時(shí)粗看和細(xì)看相結(jié)合?？淳C述性論文旨在整體把握，縮小閱讀范圍；看創(chuàng)新性論文旨在比較研究，找到問題突破口。粗看一般只需看摘要、引言和結(jié)論部分；細(xì)看則需要仔細(xì)閱讀論文的每一個細(xì)節(jié)，哪怕是一個參數(shù)的設(shè)置也不要放過。

（3）跟蹤同行現(xiàn)有的研究成果。跟蹤同行研究的手段和方法有很多種，如跟蹤作者、跟蹤會議、跟蹤研究室、跟蹤關(guān)鍵詞、跟蹤參考文獻(xiàn)等。一般來說，在任何一個研究領(lǐng)域，都有一些知名的專家教授、會議和研究室，只要把握住他們的研究動態(tài)，就不會失去研究的方向。關(guān)鍵詞跟蹤一般應(yīng)用在研究者對自己要找尋的東西沒有太多了解的情況下，這種方法的不足之處在于查找的結(jié)果往往比較多，還需要進(jìn)一步篩選。參考文獻(xiàn)跟蹤的方法就是在看論文的時(shí)候，根據(jù)需要把文章所引用的論文也找來看看。

（4）學(xué)術(shù)論文的撰寫。一個好的想法還遠(yuǎn)不能等同于一篇好的論文，至少還需要在語言和結(jié)構(gòu)上下一番工夫。關(guān)于論文語言，筆者認(rèn)為有一種行之有效的方法就是在平時(shí)閱讀文獻(xiàn)的時(shí)候，專門用一個筆記本把別人論文中用得比較好的語句記錄起來，以備寫作時(shí)模仿。關(guān)于論文結(jié)構(gòu)，盡管論文的類型不同，論文的結(jié)構(gòu)會有些出入，但基本上都會包括這樣幾個部分：標(biāo)題、作者及其工作單位、摘要、關(guān)鍵詞、引言、相關(guān)工作評述、新方法的提出部分、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、結(jié)論與展望、參考文獻(xiàn)。其實(shí)科技論文的寫作頗有幾分八股文的味道，每次論文寫作幾乎都是先套用論文的一般結(jié)構(gòu)，然后用填鴨式的方法去充實(shí)和完善論文的細(xì)節(jié)。

5 結(jié) 語

社會和科學(xué)發(fā)展日新月異，隨著學(xué)科交叉和信息融合的不斷深入，研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)已經(jīng)成為各科研院校培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的有效途徑?；趫F(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，可以有效提高研究生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，對新時(shí)代背景下的高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有十分重要的意義。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）數(shù)據(jù)挖掘研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)CUGMiner的實(shí)踐與探索已經(jīng)取得了一定的成效，希望今后在學(xué)院和學(xué)校的支持下，進(jìn)一步提升研究生成果產(chǎn)出的質(zhì)量和數(shù)量，為我校計(jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)入ESI排名前1%、甚至成為一流學(xué)科貢獻(xiàn)力量。

[1] 姚廣濤, 資新運(yùn), 張衛(wèi)鋒. 基于科研團(tuán)隊(duì)的研究生培養(yǎng)模式研究[J]. 軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2014(3): 82-85.

[2] 王軍會, 李雷鳴, 車誠, 等. 團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)與高效研究生學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)的構(gòu)建[J]. 中國成人教育, 2012(6): 51-52.

[3] 邢以群, 姚靜. 研究生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)模式的實(shí)踐與探討[J]. 學(xué)位與研究生教育, 2004(2): 23-26.

[4] 王軍會, 李雷鳴, 車誠. 從中外研究生培養(yǎng)談基于團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的研究生培養(yǎng)模式[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版), 2011(2): 98-102.

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1672-5913(2017)11-0055-03

G642

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）2017年度研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（YJG2017214）。

蔣良孝，男，教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)，ljiang@cug.edu.cn。

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）

教育與教學(xué)研究

圖像增強(qiáng)算法的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

徐 琪， 曾衛(wèi)明， 章夏芬

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

文章編號：1672-5913(2017)11-0058-04

中圖分類號：G642

摘 要：針對計(jì)算機(jī)圖像處理課程中算法公式復(fù)雜難懂，原理枯燥又抽象的問題，以圖像增強(qiáng)算法為例，設(shè)計(jì)并講解3個理論聯(lián)系實(shí)踐的綜合小實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解算法的原理和動機(jī)，為計(jì)算機(jī)圖像處理課程中圖像增強(qiáng)算法的教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖像處理；圖像增強(qiáng)算法；圖像灰度分布調(diào)整；圖像平滑；圖像銳化

第一作者簡介：徐琪，女，講師，研究方向?yàn)閳D像處理、模式識別， qixu@shmtu.edu.cn。

0 引 言

圖像增強(qiáng)是計(jì)算機(jī)圖像處理課程中算法的綜合性比較強(qiáng)的1章,面對枯燥而又抽象的算法公式，本科生在學(xué)習(xí)過程中普遍表示理解有困難，更重要的是學(xué)生對于這些算法的動機(jī)和算法的實(shí)際應(yīng)用沒有直觀清楚的認(rèn)識。因此，在該課程章節(jié)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)1套貼近學(xué)生平常能接觸到的實(shí)際問題的綜合實(shí)驗(yàn)，使同學(xué)們通過編程實(shí)驗(yàn)理解算法步驟，靈活融合各種相關(guān)算法以解決實(shí)際問題，從而能夠深刻領(lǐng)悟算法背后的動機(jī)是非常重要而有意義的。

1 圖像增強(qiáng)算法教學(xué)現(xiàn)狀

圖像處理是一門交叉性學(xué)科，其中的圖像增強(qiáng)是要通過對圖像的某些特征進(jìn)行強(qiáng)調(diào)和銳化，以便顯示、觀察或進(jìn)一步分析處理，其算法融合了矩陣運(yùn)算、信號濾波、微分差分等比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和信息論原理。

有些教師認(rèn)為，數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)就是1個數(shù)矩陣，對圖像進(jìn)行增強(qiáng)操作，實(shí)際上是對矩陣進(jìn)行操作，對矩陣表達(dá)和操作的深入了解是學(xué)好圖像增強(qiáng)不可缺少的條件。因此，大部分學(xué)時(shí)用來強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)中的矩陣運(yùn)算，但1個屏幕接1個屏幕的數(shù)學(xué)公式和矩陣使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，影響學(xué)生學(xué)習(xí)圖像增強(qiáng)的興趣。

有些教師選擇避開數(shù)學(xué)原理，直接從計(jì)算機(jī)編程角度來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用較多學(xué)時(shí)來重點(diǎn)講解關(guān)鍵算法的編程實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用背景講解缺乏細(xì)節(jié)。在這種教學(xué)方式下，學(xué)生是對關(guān)鍵算法進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)，卻很難將所學(xué)的基本理論知識與相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域建立起聯(lián)系，談不上靈活應(yīng)用與創(chuàng)新。這樣就使得原本很重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)變成了理論學(xué)習(xí)的輔助，極大降低了圖像處理實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的吸引力，也影響到最終教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

圖像增強(qiáng)的算法很多，但圖像增強(qiáng)的結(jié)果主要依靠人的主觀感覺來評價(jià)。要改變學(xué)生學(xué)習(xí)算法的畏難情緒，就要理論聯(lián)系實(shí)際，通過實(shí)際應(yīng)用來增強(qiáng)算法的效果意義。筆者結(jié)合教材中的基本經(jīng)典增強(qiáng)算法和學(xué)生這個年輕群體的日常相關(guān)問題，設(shè)計(jì)了1套簡化的針對自拍照片進(jìn)行濾鏡處理的綜合小實(shí)驗(yàn)：懷舊老照片濾鏡、美顏美膚濾鏡以及平面油畫濾鏡。

實(shí)驗(yàn)以《數(shù)字圖像處理（第二版）》中圖像增強(qiáng)章節(jié)中基于點(diǎn)運(yùn)算的灰度分布調(diào)整算法、圖像平滑算法和圖像銳化算法3類算法為例[1]，并結(jié)合彩色圖像處理的基本概念，將作用于灰度圖像的圖像增強(qiáng)算法擴(kuò)展到彩色圖像，達(dá)到彩色圖像增強(qiáng)的目的。實(shí)驗(yàn)過程中，使用Matlab圖像處理工具箱[2]進(jìn)行圖像處理程序開發(fā)與設(shè)計(jì)。Matlab圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，靈活運(yùn)用這些函數(shù)可以完成大部分圖像處理工作，對不能直接調(diào)用庫函數(shù)完成的任務(wù)，Matlab也可通過自編的m文件來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中的呈現(xiàn)就是一個數(shù)字陣列，即數(shù)字矩陣，Matlab擅長矩陣運(yùn)算的特點(diǎn)使其用于數(shù)字圖像處理非常合適[3]。文章中所涉及的實(shí)驗(yàn)使用Matlab圖像處理工具箱的優(yōu)點(diǎn)就是降低本科學(xué)生算法編程的難度，使得學(xué)生只要掌握了算法原理和算法基本步驟就能編程實(shí)現(xiàn)。

2.1 懷舊老照片濾鏡原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

懷舊老照片的特點(diǎn)是圖像低飽和度、低亮度、主色調(diào)偏黃，涉及的圖像增強(qiáng)相關(guān)算法為：線性動態(tài)范圍調(diào)整算法和彩色分量比例調(diào)整算法。

線性動態(tài)范圍調(diào)整算法的原理是進(jìn)行像素點(diǎn)對點(diǎn)的、灰度級的線性映射。該映射關(guān)系通過調(diào)整參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對圖像亮暗差異的改變。在設(shè)計(jì)老照片濾鏡的實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣選擇參數(shù)來達(dá)到老照片偏暗淡的效果，是整體亮度都線性調(diào)暗，還是只針對比較亮的像素進(jìn)行部分調(diào)整。線性動態(tài)范圍調(diào)整的效果并不是最好的，還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生拓展思考非線性的動態(tài)范圍調(diào)整算法，并思考其中的原因，得出人眼對亮度的識別是對數(shù)關(guān)系而非線性關(guān)系這一結(jié)論。

彩色分量比例調(diào)整是為了使圖像主色調(diào)偏黃色，根據(jù)顯示器彩色模型加色系統(tǒng)原理，將圖像紅色分量和綠色分量像素值增加50～100，則圖像色調(diào)將顯示偏黃色，具體要增加的像素值由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖片自行調(diào)整。

圖1是一幅圖像按照上述算法做舊成老照片的示例。在1-1圖中，對讀入的彩色圖像，取其紅色通道分量和綠色通道分量，像素值分別增加100，即得到圖1-2的調(diào)整效果圖。然后，為使圖像整體亮度偏暗，需提取彩色圖像的亮度分量進(jìn)行線性動態(tài)范圍調(diào)整，即將圖1-2的色彩空間調(diào)用rgb2hsv( )函數(shù)進(jìn)行變換，取變換后的value分量（亮度分量）進(jìn)行動態(tài)范圍調(diào)整：調(diào)用imadjust( )函數(shù)，輸入?yún)?shù)取值為[0, 1]，輸出參數(shù)取值為[0, 0.7]，即可得到圖1-3所示效果。

圖1 懷舊老照片濾鏡效果圖

2.2 美顏美膚濾鏡原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對照片進(jìn)行美膚美顏的一般要求是將圖像中人物皮膚進(jìn)行“磨皮”，使其比真實(shí)圖像人物皮膚光滑，換句話說就是要使圖像中人物皮膚像素值分布更均勻；同時(shí)要調(diào)整圖像的整體亮度，使圖像看上去更為清晰明亮，涉及的圖像增強(qiáng)的相關(guān)算法為：邊緣保持類濾波器算法和直方圖均衡化算法。

要使得圖像分布更為均勻，應(yīng)使用平滑濾波器對圖像進(jìn)行低通濾波，但普通的平滑濾波在平滑圖像的同時(shí)會模糊圖像中的邊界。顯然，這與我們的濾鏡設(shè)計(jì)要求是沖突的，因此，我們設(shè)計(jì)使用邊緣保持類濾波器算法——KNN平滑濾波器來達(dá)到“磨皮”的同時(shí)又能保持邊界清晰的目的。實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生自行編程設(shè)計(jì)KNN平滑濾波器，編程過程中，引導(dǎo)學(xué)生通過經(jīng)驗(yàn)調(diào)整KNN平滑濾波器中濾波窗口大小的設(shè)計(jì)、窗口大小和K值設(shè)定的關(guān)系。

直方圖均衡化算法依據(jù)信息論中數(shù)據(jù)分布越均勻，數(shù)據(jù)信息熵越大的原理，對圖像中像素個數(shù)多的灰度值進(jìn)行展寬，對像素個數(shù)少的灰度值進(jìn)行歸并，從而達(dá)到清晰圖像的目的。直方圖均衡化算法能夠?qū)Α澳テぁ敝蟮膱D像進(jìn)行整體亮度調(diào)整，使圖像亮度的分布更符合人眼識別的特性。實(shí)驗(yàn)過程中，可適當(dāng)要求學(xué)生對直方圖均衡化算法自行編程，了解算法根據(jù)圖像灰度分布概率進(jìn)行直方圖調(diào)整的算法本質(zhì)。直方圖均衡化之后，引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算原圖像和均衡化之后圖像的對比度變化，進(jìn)一步讓學(xué)生理解具有高對比度的圖像才是人眼識別過程中的“清晰”圖像。算法的最終效果可以與Matlab中histeq( )庫函數(shù)的均衡化效果進(jìn)行對比。

圖2 顯示了一幅人臉圖像按照上述算法進(jìn)行美顏美膚濾鏡后的效果。示例中2-1圖整體亮度偏暗，因此，在讀入圖像后通過調(diào)用rgb2hsv( )函數(shù)，取出vaule通道分量調(diào)用histeq( )進(jìn)行直方圖均衡化，圖2-2是對原圖進(jìn)行直方圖均衡化之后的效果。均衡化后，圖像整體清晰度得以提高，但人臉皮膚顏色和亮度的不均勻性更為明顯，因此，對均衡化之后的圖像需要使用KNN平滑濾波器進(jìn)行圖像平滑，示例中濾波器窗口大小為5*5，K值取13，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2-3所示。

需要說明的是，圖2-3顯示的美膚美顏效果與我們實(shí)際應(yīng)用自拍軟件中的美顏效果還是存在一定差距的，由此可引導(dǎo)學(xué)生了解在實(shí)際應(yīng)用中，只使用簡單的圖像處理算法有可能無法徹底解決問題，需要使用一些更為復(fù)雜、先進(jìn)的算法才行。如圖2-4所示，對圖2-2使用雙指數(shù)邊緣平滑濾波器[4]進(jìn)行平滑，其效果更為令人滿意。

圖2 美顏美膚濾鏡效果圖

2.3 平面油畫濾鏡原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鏡頭拍攝的照片，由于色彩豐富，過渡自然因而非常真實(shí)，要將真實(shí)場景圖像做出平面油畫效果，就要減少圖像上的色彩種類并銳化圖像中的景物邊界，涉及圖像增強(qiáng)的相關(guān)算法為：降低圖像量化級別和圖像銳化算法。

大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅為高校全面監(jiān)測和評估大學(xué)生的生活提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，而且這種時(shí)效性與人性化特點(diǎn)突出的分析模式，多與大學(xué)生后期的成長與發(fā)展同樣具有極為重要的意義[2]。以一站式數(shù)據(jù)資源平臺為基礎(chǔ)建立的數(shù)據(jù)分析體系，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)分析手段的手勢，整合與大學(xué)生相關(guān)的飯卡消費(fèi)狀況、勤工儉學(xué)、兼職以及學(xué)習(xí)成績等相關(guān)的信息，從而達(dá)到全面和準(zhǔn)確掌握大學(xué)生信息的目的。此外，以移動終端為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，不僅對大學(xué)生參與社團(tuán)、班級等相關(guān)活動進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，而且通過對大學(xué)生成長情況的分析，為學(xué)校與家長提供了具有針對性的建議，確保了大學(xué)生群體的健康發(fā)展。

圖像的量化就是把數(shù)字圖像像素點(diǎn)上表示亮暗信息的連續(xù)量離散化后，用數(shù)值來表示。普通的灰度圖像量化級別為256，而彩色圖像由3個原色構(gòu)成，量化作用在每個原色上，能表達(dá)的顏色種類為256*256*256個，非常豐富多彩。因此，為了明顯地將自然場景圖像轉(zhuǎn)換成平面畫效果，需要大幅度降低量化級別。在實(shí)驗(yàn)中，可通過線性范圍調(diào)整來對每個原色的分量直方圖進(jìn)行范圍壓縮達(dá)到降低量化級別的目的。

自然圖像中景物邊界一般不會特別突兀，而畫出來的圖像最明顯的一個特征就是有著清晰的邊界，因此，在實(shí)驗(yàn)中要指導(dǎo)學(xué)生使用圖像銳化算法去檢測原自然場景圖像中的邊界信息，并按自由度增強(qiáng)后疊加到原圖，達(dá)到清晰邊界的目的。實(shí)驗(yàn)過程中，引導(dǎo)學(xué)生分別使用水平銳化算子、垂直銳化算子和Canny算子3種邊界檢測算法去提取邊界，最后，為提取的邊界圖像設(shè)定1個自由度權(quán)重（0～1），根據(jù)實(shí)際圖像情況，將邊界信息按自由度權(quán)重疊加至降低量化級別后的圖像上。

圖3 是一幅彩色建筑物圖像按照上述算法進(jìn)行平面油畫濾鏡后的效果。為了說明問題，我們選擇一幅彩色建筑物圖像（見圖3-1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在將R、G、B三原色的每個分量的量化級別從256降為2之后，得到了圖3-2的效果，量化級別不夠所形成的偽輪廓現(xiàn)象正好體現(xiàn)了平面油畫色塊過渡不自然的特點(diǎn)。然后，我們將在原圖上用Canny算子提取的邊界信息（見圖3-3），按照0.5的自由度權(quán)重疊加至圖3-2中，即可得到最終的濾鏡效果（見圖3-4）。

圖3 平面油畫濾鏡效果圖

3 教學(xué)效果與討論

在教學(xué)過程中，由于圖像處理算法中包含很多數(shù)學(xué)模型和信號處理原理，學(xué)生們看到較復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式就會產(chǎn)生畏難情緒，也因而陷于糾結(jié)算法步驟和算法實(shí)現(xiàn)上，反而將最重要的算法動機(jī)和算法原理給忽略了。實(shí)際上，圖像處理這門課程與人們的日常生活是息息相關(guān)的，像二維碼掃描、指紋識別、車牌識別等都是圖像處理算法的應(yīng)用。筆者在講解圖像增強(qiáng)算法的過程中，以本文所設(shè)計(jì)的3個自拍濾鏡實(shí)驗(yàn)輔以驗(yàn)證和說明，使得學(xué)生能夠立竿見影地看到圖像增強(qiáng)算法的實(shí)際應(yīng)用效果，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，由于在試驗(yàn)中對實(shí)驗(yàn)問題的本質(zhì)進(jìn)行了分析，討論了不同算法的選擇和融合，驗(yàn)證了不同的算法參數(shù)，使得學(xué)生對算法原理理解得更加深刻，從而掌握算法背后的動機(jī)。

通過這種與學(xué)生日常生活相關(guān)的圖像的處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生們對圖像處理課程的興趣大大增強(qiáng)，不再認(rèn)為圖像處理課程僅僅是一門數(shù)學(xué)應(yīng)用困難、編程也困難的交叉性理論課程，很大程度上調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。更為關(guān)鍵的是，在課程算法講解的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到任何算法模型的提出都是需要和解決的實(shí)際應(yīng)用問題的本質(zhì)相關(guān)，理解問題本質(zhì)，把握算法原理才是最重要的。

4 結(jié) 語

筆者所在的圖像處理教研小組的各位教師長期從事計(jì)算機(jī)圖像處理的相關(guān)研究，通過多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，理論和實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)方法可以大大調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，實(shí)踐和學(xué)生的日常生活聯(lián)系越密切，他們的積極性就越高[56]。今后，針對計(jì)算機(jī)圖像處理這門課程的其他章節(jié)，如圖像變換、圖像壓縮與編碼，也可設(shè)計(jì)一系列實(shí)際案例的實(shí)驗(yàn)方案，并在最終課程結(jié)束后，將所有章節(jié)實(shí)驗(yàn)整合，形成一個完整的圖像處理軟件工具箱，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的興趣和成就感。

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[2] 周品, 李曉東. Matlab數(shù)字圖像處理 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2012.

[3] 楊保華, 王菁, 梁欣. Matlab在“數(shù)字圖像處理”教學(xué)中的應(yīng)用研究 [J]. 教育教學(xué)論壇, 2016(2): 171-172.

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（見習(xí)編輯：景貴英）