張曉強(qiáng)

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

數(shù)字圖像具有直觀、生動(dòng)和形象等特征，比聲音和文字蘊(yùn)含更多的信息量。因此，它被廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、國家安全、電子政務(wù)和個(gè)人事務(wù)等領(lǐng)域，成為人類社會(huì)表達(dá)交流信息的重要手段。它在網(wǎng)絡(luò)信息中占有重要的地位。據(jù)心理學(xué)家統(tǒng)計(jì)，人類至少有70%的信息來自視覺。在過去的十幾年里，數(shù)字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展改變了人們的工作、學(xué)習(xí)和生活方式。

近年來，圖像處理已成為IT領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的技術(shù)成果之一，在整個(gè)信號(hào)處理學(xué)科中就業(yè)形勢最好，人才需求量大。為適應(yīng)業(yè)界對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求，北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等國內(nèi)著名大學(xué)均在本科或研究生培養(yǎng)階段開設(shè)了“圖像處理”相關(guān)課程或?qū)I(yè)。“圖像處理”是高等院校電子信息類、計(jì)算機(jī)類專業(yè)的必修或選修課程，其目標(biāo)在于使學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的基本理論、方法和技巧[1]，培養(yǎng)學(xué)生基本的科學(xué)素養(yǎng)和良好的創(chuàng)新能力[2]，具備圖像處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)的基本能力[3]。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行各種目的的處理。主要可分為以下3種類型：

1)低級(jí)處理，去噪、增強(qiáng)和銳化等；

2)中級(jí)處理，分割、加密、水印、分類和識(shí)別等；

3)高級(jí)處理，圖像分析。

圖像處理是研究圖像的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、變換、顯示、理解與綜合利用的一門嶄新學(xué)科，是計(jì)算機(jī)視覺和視頻處理課程的基礎(chǔ)。該課程呈現(xiàn)出理論深?yuàn)W，知識(shí)面廣，實(shí)踐性強(qiáng)和學(xué)習(xí)難度大等特征。它不僅需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，還依賴于相關(guān)先修課程的學(xué)習(xí)和了解。目前，關(guān)于“圖像處理”教學(xué)中相關(guān)先修課程或基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)備、教學(xué)內(nèi)容的選擇、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)組織等方面仍處于探索階段。

鑒于此，堅(jiān)持“科研服務(wù)教學(xué)，教學(xué)促進(jìn)科研”的理念，以學(xué)術(shù)研究為導(dǎo)向，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方法和考核方式等四個(gè)方面對(duì)“圖像處理”課程進(jìn)行了全面的教學(xué)改革。教學(xué)實(shí)踐表明了此次教學(xué)改革的有效性。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

調(diào)研了英屬哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia，UBC)、北京航空航天大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、華北水利水電大學(xué)和徐州醫(yī)學(xué)院等幾所國內(nèi)外大學(xué)開設(shè)的“圖像處理”課程。結(jié)果表明，目前該課程在授課過程中，主要存在如下4個(gè)問題。

1)教學(xué)內(nèi)容陳舊。

許多高校的“圖像處理”課程采用經(jīng)典教材——GONZALEZ R C和WOODS R E著的《數(shù)字圖像處理》。該書雖然較為全面地介紹了圖像處理的基本原理，但是存在知識(shí)更新慢的缺點(diǎn)，書中內(nèi)容略顯陳舊。

實(shí)際應(yīng)用推動(dòng)著數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷推陳出新。目前，教師授課過程中往往依據(jù)多年不變的教學(xué)大綱，側(cè)重基本理論和算法的介紹與實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于公開發(fā)表文獻(xiàn)上的新算法并未能及時(shí)補(bǔ)充[4]。

2)重理論，輕實(shí)踐。

教師往往側(cè)重課堂理論授課，缺乏具體的動(dòng)手實(shí)踐項(xiàng)目[5]。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容滯后，與日益發(fā)展的圖像處理技術(shù)不配套。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的局限，學(xué)生所涉及的知識(shí)面較窄，且多年一成不變的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書無法跟上圖像處理技術(shù)快速發(fā)展的步伐；實(shí)驗(yàn)課程往往讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟機(jī)械地完成或重復(fù)實(shí)驗(yàn)，無法做到因材施教和分層培養(yǎng)，不利于培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。

3)理論難度大，抽象程度高。

圖像處理課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式多采用理論灌輸?shù)男问?，理論教學(xué)，大班上課，教師在講臺(tái)上講，學(xué)生在臺(tái)下被動(dòng)接受。這種灌輸式教學(xué)過程枯燥，缺少趣味性，教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動(dòng)性。

4)缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

大多學(xué)生僅按照教師的要求完成作業(yè)，參加考試，達(dá)到合格就算完成了學(xué)習(xí)任務(wù)，從而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造力。教師按部就班地每年重復(fù)講著相同的教學(xué)內(nèi)容，僅為完成當(dāng)年的教學(xué)任務(wù)，缺乏促進(jìn)學(xué)生完成自我學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。然而，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和對(duì)課程的興趣才是保證教學(xué)質(zhì)量的重要因素。

目前，“圖像處理”課程是中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)的必修課程。該專業(yè)每年約有10個(gè)班級(jí)，300名學(xué)生左右。另外，“圖像處理”課程也是全校的公共選修課程，最大限選150人次。目前，該課程要求學(xué)生能夠掌握數(shù)字圖像處理的基本理論和方法，并熟練應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行一些常見的處理。學(xué)好該課程既要求學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，又要求其具備良好的編程能力。除上述4種共同問題外，在該課程的授課過程中還存在學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性、出勤率不高等問題。分析主要原因在于課程理論性太強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)較為薄弱，學(xué)生很難將圖像理論與實(shí)際應(yīng)用有效地結(jié)合起來。

3 教學(xué)改革方案

3.1 教學(xué)內(nèi)容改革

為解決在“圖像處理”課程授課過程中存在的教學(xué)內(nèi)容陳舊問題，添加了學(xué)術(shù)研究模塊，并將學(xué)術(shù)研究理念融入到整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

“圖像處理”課程傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容一般包括圖像處理基礎(chǔ)和技術(shù)兩個(gè)方面：

1)圖像處理基礎(chǔ)包括圖像的表示方法、文件格式、運(yùn)算、幾何變換、頻域變換和類型轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)知識(shí)；

2)圖像處理技術(shù)包括圖像分割、復(fù)原、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別、加密和水印等技術(shù)。

顯然，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容存在與學(xué)術(shù)和實(shí)踐脫節(jié)的缺點(diǎn)。為此，在教學(xué)內(nèi)容方面，除了保留原有圖像處理基礎(chǔ)和技術(shù)等兩個(gè)方面外，新添加了學(xué)術(shù)研究模塊。同時(shí)，將學(xué)術(shù)研究理念融入整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1)圖像處理基礎(chǔ)：針對(duì)每個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)，采用MATLAB語言現(xiàn)場編程演示教學(xué)，以提高學(xué)生的編程能力，為科研實(shí)驗(yàn)的仿真奠定良好基礎(chǔ)。

2)圖像處理技術(shù)：根據(jù)授課課時(shí)情況，有選擇性地重點(diǎn)講解2～3個(gè)圖像處理技術(shù)，如圖像分割、水印和加密等。在講授某項(xiàng)圖像處理技術(shù)時(shí)，如圖像加密技術(shù)，通過文獻(xiàn)檢索結(jié)果給同學(xué)們展示該方向的研究歷史、研究現(xiàn)狀以及研究趨勢。用中國知網(wǎng)(CNKI)檢索題目中含“圖像加密”文獻(xiàn)的檢索結(jié)果，該技術(shù)是從1994年起，有第一篇中文電子文獻(xiàn)記錄；隨后，研究者們的研究興趣逐年提高；從2007年開始，每年發(fā)表論文的數(shù)量超過100篇。從研究趨勢看，目前該方向仍被研究者們高度關(guān)注。同時(shí)，在教學(xué)內(nèi)容上，添加目前國內(nèi)、外在該研究方向上的最新成果，如基于DNA編碼的圖像加密算法[6-8]。

3)學(xué)術(shù)研究：該模塊具體教學(xué)內(nèi)容主要包括文獻(xiàn)檢索和科技論文寫作等。

3.2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革

為解決在“圖像處理”課程授課過程中存在的輕實(shí)踐問題，設(shè)計(jì)了6個(gè)理論與實(shí)踐一體化的探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目的是使學(xué)生在一個(gè)真實(shí)的項(xiàng)目背景中產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。通過學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和教師的指導(dǎo)學(xué)習(xí)，學(xué)生在課內(nèi)、外都能體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂趣，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的開放式探究性教學(xué)。

從設(shè)計(jì)論證、制作和應(yīng)用效果等多個(gè)方面進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，保證課題涵蓋“圖像處理”課程的核心教學(xué)內(nèi)容，緊扣課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，且具有探究性。每個(gè)探究性課題由易到難，各個(gè)子項(xiàng)目聯(lián)系緊密，層層深入。設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐一體化探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其相對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)如下。

1)實(shí)驗(yàn)一——圖像處理常用函數(shù)的使用。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：imread()，imshow()，imwrite()，im2bw()，size()，imhist()和rgb2gray()等常用圖像處理函數(shù)。

2)實(shí)驗(yàn)二——彩色圖像灰度化算法研究。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：掌握人類視覺系統(tǒng)(human visual system，HVS)最佳算法、單一分量算法、平均值算法、最大/小值算法和最值平均值算法等五種主流彩色圖像灰度化算法的原理和特點(diǎn)；并對(duì)這些算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)；嘗試設(shè)計(jì)一種新的彩色圖像灰度化算法。

3)實(shí)驗(yàn)三——圖像分割算法研究。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：掌握直方圖法、迭代法和Ostu等三種主流圖像分割算法的原理和特點(diǎn)；對(duì)這些算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)；嘗試設(shè)計(jì)一種新的圖像分割算法。

4)實(shí)驗(yàn)四——圖像加密算法研究。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：掌握基于Arnold變換、基于混沌和基于頻域等三種主流圖像加密算法的原理和特點(diǎn)；對(duì)這些算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)；嘗試設(shè)計(jì)一種新的圖像加密算法。

5)實(shí)驗(yàn)五——圖像水印算法研究。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：掌握最低有效位(least significant bit，LSB)、加法準(zhǔn)則和乘法準(zhǔn)則等三種主流圖像水印算法的原理和特點(diǎn)；對(duì)這些算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)；嘗試設(shè)計(jì)一種新的圖像水印算法。

6)實(shí)驗(yàn)六——圖像處理系統(tǒng)。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：圖像處理系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)彩色圖像灰度化、分割、加密和水印的等圖像處理功能，即將實(shí)驗(yàn)二至五的程序代碼進(jìn)行集成，并采用圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)方式進(jìn)行展示。

實(shí)驗(yàn)前，簡單講授實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和涉及的主要MATLAB函數(shù)或命令；實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生采用MATLAB語言進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生提交一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求內(nèi)容充實(shí)，語言簡練，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行描述和總結(jié)。

3.3 教學(xué)方法改革

為解決在“圖像處理”課程授課過程中存在的理論難度大問題，采用了專題式和可視化等兩種教學(xué)方法，詳述如下2個(gè)方面。

1)專題式教學(xué)方法：教師選取并圍繞教學(xué)目標(biāo)，以學(xué)科體系或課程的教學(xué)大綱為指導(dǎo)，不受時(shí)間、地點(diǎn)和教材章節(jié)的限制，把知識(shí)及能力等教學(xué)任務(wù)分解為多個(gè)教學(xué)專題，以專題取代教材或章節(jié)，每一個(gè)任務(wù)就是一個(gè)專題，通過相應(yīng)的教學(xué)方法和手段，使學(xué)生逐一掌握每個(gè)專題內(nèi)容，從而完成教學(xué)任務(wù)[9]。該教學(xué)方法既能使教學(xué)重點(diǎn)突出、信息量大和針對(duì)性強(qiáng)，又能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

“圖像處理”是一門新型課程?？紤]到每位授課教師一般都有1～2個(gè)研究方向，同時(shí)，每個(gè)圖像處理技術(shù)本身也易于做成專題，分別由不同的授課教師來講授。這樣既可充分發(fā)揮每位教師的特長，又能使學(xué)生獲得每個(gè)圖像處理技術(shù)較為全面和前沿的學(xué)術(shù)知識(shí)。

2)可視化教學(xué)方法：借助圖像處理可視化教學(xué)演示系統(tǒng)進(jìn)行授課，通過圖形圖像的方式，展示較為復(fù)雜的算法原理，降低學(xué)習(xí)難度。該教學(xué)方法不但能讓課堂教學(xué)活潑生動(dòng)，而且也可加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握程度[10]。目前，現(xiàn)已開發(fā)了分割、加密、水印和增強(qiáng)4個(gè)圖像處理教學(xué)演示系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記號(hào)依次為：2015SR189969，2014SR1387030，2015SR189233和2015SR189219。

①圖像分割教學(xué)演示系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)圖像閾值分割算法、基于邊緣檢測的圖像分割算法、基于區(qū)域的圖像分割算法和基于遺傳算法的圖像分割算法。其中，該系統(tǒng)的主界面如圖1所示。

圖1 圖像分割教學(xué)演示系統(tǒng)主界面

②圖像加密教學(xué)演示系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)了基于Arnold變換的圖像加密算法、基于 Logistic映射的圖像加密算法、基于離散小波變換(discrete wavelet transform，DWT)的圖像加密算法和基于離散余弦變換(discrete cosine transform，DCT)的圖像加密算法。其中，該系統(tǒng)的主界面，如圖2所示。

圖2 圖像加密教學(xué)演示系統(tǒng)主界面

③圖像水印教學(xué)演示系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)基于LSB的圖像水印算法、基于DCT的圖像水印算法、基于加性擴(kuò)頻(additive spread spectrum，ASS)的圖像水印算法[11-12]和基于乘性擴(kuò)頻(multiplicative spread spectrum，MSS)的圖像水印算法[13]。其中，該系統(tǒng)的主界面，如圖3所示。

圖3 圖像水印教學(xué)演示系統(tǒng)主界面

④圖像增強(qiáng)教學(xué)演示系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)了基于直方圖均衡化的圖像增強(qiáng)算法、基于模糊理論的圖像增強(qiáng)算法、基于Retinex理論的圖像增強(qiáng)算法和基于白平衡的圖像增強(qiáng)算法。其中，該系統(tǒng)的主界面，如圖4所示。

圖4 圖像增強(qiáng)教學(xué)演示系統(tǒng)主界面

3.4 考核方式改革

為解決在“圖像處理”課程授課過程中存在的缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題，將結(jié)課論文作為重要考核指標(biāo)之一，詳細(xì)描述如下。

閉卷考試是高校對(duì)學(xué)生能力考核的主要方式。它雖然能在很大程度上反映出學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，但是不能反映學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力?！皥D像處理”作為一門實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)的課程，采用這種考核方式很難全面反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，該課程采用了一種“閉卷考試成績、實(shí)驗(yàn)成績、結(jié)課論文成績和考勤成績”的綜合考核方式，各部分成績比例依次為30%、30%、30%和10%。其中，閉卷考試環(huán)節(jié)重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)重點(diǎn)鍛煉學(xué)生的編程能力；結(jié)課論文環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新和論文撰寫能力。結(jié)課論文要求獨(dú)立完成，要有自己的觀點(diǎn)，2 500字左右，按照題目、作者、摘要(中英文)、關(guān)鍵詞(中英文)、正文(包括引言、算法、實(shí)驗(yàn)、結(jié)論)、致謝(若需要，可以有)、參考文獻(xiàn)(不少于4篇)等“八股文”的形式來撰寫?？记诃h(huán)節(jié)為了防止學(xué)生無故缺課。

4 實(shí)踐教學(xué)改革

為驗(yàn)證此次教學(xué)改革效果，對(duì)中國礦業(yè)大學(xué)“圖像處理”全校公共選修課程，近3年的課程選課人數(shù)、出勤率和成績情況進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 課程選課人數(shù)分析

課程選課人數(shù)指標(biāo)能夠粗略地反映出學(xué)生對(duì)某門課程的興趣。近3年，中國礦業(yè)大學(xué)“圖像處理”全校公共選修課程的學(xué)生選課人數(shù)(最大限選150人次)如表1所示。數(shù)據(jù)表明，通過此次教學(xué)改革，2017年學(xué)生選課人數(shù)為144人次，與2015年和2016年相比，有了明顯提高。

4.2 學(xué)生出勤率分析

表1 近三年選課人次情況

學(xué)生出勤率指標(biāo)能夠粗略地反映出學(xué)生對(duì)此次教學(xué)改革的認(rèn)同度。近3年，中國礦業(yè)大學(xué)“圖像處理”全校公共選修課程的學(xué)生出勤情況如表2所示。數(shù)據(jù)表明，通過此次教學(xué)改革，2017年學(xué)生平均上課率為81%，與2015年和2016年相比，有了明顯提高。

表2 近三年學(xué)生出勤情況

4.3 學(xué)生成績分析

學(xué)生成績的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)可對(duì)課程教學(xué)質(zhì)量做出較為客觀的評(píng)價(jià)[14]。近三年，中國礦業(yè)大學(xué)“圖像處理”全校公共選修課程的學(xué)生成績情況如表3所示。數(shù)據(jù)表明，通過此次教學(xué)改革，2017年學(xué)生成績中優(yōu)秀和良好比例分別為25.3%和36.14%，與2015年和2016年相比，有了明顯提高。

表3 近三年學(xué)生成績情況

5 結(jié)束語

以學(xué)術(shù)研究為導(dǎo)向，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方法和考核方式等4個(gè)方面對(duì)“圖像處理”課程進(jìn)行教學(xué)改革，有效地解決了該課程在授課過程中存在的教學(xué)內(nèi)容陳舊、輕實(shí)踐、理論難度大和創(chuàng)新能力弱等問題，主要貢獻(xiàn)如下4個(gè)方面。

1)教學(xué)內(nèi)容方面：為解決教學(xué)內(nèi)容陳舊問題，添加了學(xué)術(shù)研究模塊，即文獻(xiàn)檢索和科技論文撰寫等，并將學(xué)術(shù)研究理念融入整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

2)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方面：為解決輕實(shí)踐問題，設(shè)計(jì)了6個(gè)理論與實(shí)踐一體化的探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3)教學(xué)方法方面：為解決理論難度大問題，采用了專題式和可視化教學(xué)方法。在可視化教學(xué)方法方面，現(xiàn)已開發(fā)了分割、加密、水印和增強(qiáng)等4個(gè)圖像處理教學(xué)演示系統(tǒng)。

4)考核方式方面：為解決缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題，采用了一種“閉卷考試成績、實(shí)驗(yàn)成績、結(jié)課論文成績和考勤成績”的綜合考核方式。各部分成績比例依次為：30%、30%、30%和10%。

近3年的教學(xué)實(shí)踐對(duì)比分析表明，此次教學(xué)改革有效地解決了授課過程中存在的問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，教學(xué)質(zhì)量得到明顯改善，總體教學(xué)效果令人滿意。