王憲 楊書儀 凌啟輝

[摘 要]圖像處理現(xiàn)已成為許多高校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程，該課程具有內(nèi)容多、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)等特點(diǎn)，教學(xué)難度較大。文章分析了圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，總結(jié)了湖南科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊(duì)關(guān)于圖像處理課程探索的成果——以教學(xué)活動(dòng)“立體化”、教學(xué)資源“立體化”、授課教師層次“立體化”為核心特征的圖像處理“立體化”教學(xué)體系。

[關(guān)鍵詞]圖像處理;測(cè)控技術(shù)與儀器;教學(xué)改革;“立體化”教學(xué)體系

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）11-0075-04

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、國(guó)防軍工等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前，社會(huì)對(duì)能從事圖像獲取與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、應(yīng)用調(diào)試及科學(xué)研究的科技人才的需求量非常大，且還在逐年增加。圖像處理現(xiàn)已成為許多高校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程。

利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行各種處理的理論和技術(shù)均屬于圖像處理范疇。圖像處理課程具有內(nèi)容多、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)等特點(diǎn)[2-4]?，F(xiàn)有的大學(xué)培養(yǎng)體系能安排給圖像處理的課時(shí)十分有限，在有限的課時(shí)內(nèi)，學(xué)生要達(dá)到掌握?qǐng)D像獲取與處理的基本理論，了解這些理論在工程實(shí)際中的作用，掌握一定的編程實(shí)踐技能，能利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)圖像信息的各種處理的教學(xué)目標(biāo)非常困難。

為適應(yīng)不斷提高的社會(huì)需求，提升教學(xué)質(zhì)量，本文針對(duì)圖像處理課程教學(xué)實(shí)踐中存在的問題，對(duì)圖像處理的全方位教學(xué)改革進(jìn)行了探索。近年的教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了新教學(xué)方法的有效性。

一、圖像處理教學(xué)中存在的問題

圖像處理是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)一門難度較大的專業(yè)課。通過湖南科技大學(xué)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)早年的教學(xué)實(shí)踐、對(duì)兄弟院校教學(xué)方法和教學(xué)效果調(diào)研、查閱文獻(xiàn)資料[5-7]可知，很多高校（專業(yè)）的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中存在類似的問題，可從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性三方面進(jìn)行概括。

（一）課程內(nèi)容豐富，知識(shí)模塊互相交錯(cuò)，難以厘清脈絡(luò)

圖像處理的教學(xué)內(nèi)容包括圖像的數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像幾何變換與配準(zhǔn)、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)圖像處理、圖像分割、表示與描述等。每一知識(shí)模塊內(nèi)容都十分豐富，如表示與描述又包括圖像中對(duì)象的表示、邊界描述、區(qū)域描述、主分量描述等內(nèi)容，這些內(nèi)容又涉及矩陣論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、頻域變換等基礎(chǔ)理論。圖像處理?yè)碛幸粋€(gè)非常龐大的知識(shí)體系，要全面教授這些內(nèi)容非常困難。

核心知識(shí)模塊之間內(nèi)容相互交錯(cuò)是圖像處理課程的另一個(gè)特點(diǎn)。圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原的目的都是改善圖像質(zhì)量，只是采用的技術(shù)路線不同：圖像增強(qiáng)以某一具體的應(yīng)用背景為核心，通過衰減不必要的信息，從而得到對(duì)這一應(yīng)用背景來說質(zhì)量更好的圖像;圖像復(fù)原則是通過建立圖像退化的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)退化圖像進(jìn)行逆運(yùn)算，恢復(fù)圖像本來的面目，很多時(shí)候難以把兩者清晰的分開。圖像分割原本應(yīng)是圖像增強(qiáng)（圖像復(fù)原）的后續(xù)處理步驟，然而，現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)又使得圖像增強(qiáng)（圖像復(fù)原）和圖像分割深度融合。各模塊之間復(fù)雜的關(guān)系使得學(xué)生學(xué)習(xí)起來更加困難。

（二）教學(xué)模式難以滿足高質(zhì)量圖像處理教學(xué)的要求

傳統(tǒng)的圖像處理教學(xué)一般采用教師講授，學(xué)生完成練習(xí)、實(shí)驗(yàn)和考試的模式，效果不太理想。近年來，有許多高校教師嘗試將一些較為新穎的教學(xué)模式引入圖像處理教學(xué)中，如專題式教學(xué)法、可視化教學(xué)法、討論法、探究法等，取得了一定的效果。

但是，湖南科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊(duì)在圖像處理教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，要取得上述新教學(xué)方法的效果并不容易。圖像處理是一門理論難度大、抽象程度較高的課程，上述新教學(xué)模式和方法的應(yīng)用需要大量演示程序、工程實(shí)例、有豐富材料支持的討論專題。雖然湖南科技測(cè)控專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了圖像處理相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)、省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目等省級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)、企業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目近10項(xiàng)，科研實(shí)力較強(qiáng)，但要從這些科研項(xiàng)目中提出圖像處理教學(xué)素材還有大量的工作要做;這些科研項(xiàng)目中包含的知識(shí)點(diǎn)也不能全面覆蓋圖像處理的教學(xué)要求。

（三）學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣難以持續(xù)

圖像處理課程有一定的新穎性，學(xué)生在課程初期往往學(xué)習(xí)興趣比較濃厚，但是隨著學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入，很多學(xué)生最后會(huì)完全喪失學(xué)習(xí)興趣。造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的。首先，圖像處理課程本身理論性較強(qiáng)，有大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)需要熟悉和理解，某些章節(jié)還非常枯燥（如圖像變換）。其次，現(xiàn)有教學(xué)體系在課程教學(xué)中以及課程結(jié)束后無法給學(xué)生提供應(yīng)用圖像處理課程知識(shí)、自主分析問題、解決問題的機(jī)會(huì)，學(xué)生無法建立煩瑣的數(shù)學(xué)公式與實(shí)踐及創(chuàng)新之間的聯(lián)系。

二、教學(xué)體系改革的主要內(nèi)容

針對(duì)圖像處理教學(xué)中存在的問題，湖南科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊(duì)探索了一套 “立體化”教學(xué)體系——緊密結(jié)合學(xué)科專業(yè)發(fā)展方向優(yōu)化課程內(nèi)容，通過教學(xué)活動(dòng)向多個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透實(shí)現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)“立體化”，通過多渠道擴(kuò)充教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源“立體化”，通過多層次“教師”協(xié)同教學(xué)實(shí)現(xiàn)授課教師層次“立體化”。

（一）面向?qū)W科專業(yè)發(fā)展方向的課程內(nèi)容優(yōu)化

目前，許多高校的電子信息工程、地理信息科學(xué)、機(jī)械電子工程、測(cè)控技術(shù)與儀器等多個(gè)學(xué)科、專業(yè)均把圖像處理作為一門專業(yè)課程，但不同專業(yè)針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)合是有顯著區(qū)別的?，F(xiàn)有的各種圖像處理的教材需滿足不同專業(yè)的需求，內(nèi)容的選擇和章節(jié)偏排起來非常困難，往往知識(shí)點(diǎn)過多，知識(shí)脈絡(luò)不清晰。

湖南科技大學(xué)的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)隸屬于機(jī)電工程學(xué)院，與機(jī)械工程學(xué)科聯(lián)系十分緊密，主要培養(yǎng)具備測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)科領(lǐng)域?qū)I(yè)理論基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力，能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門從事測(cè)量與控制領(lǐng)域內(nèi)儀器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究、運(yùn)行管理等方面的高級(jí)工程技術(shù)人才。

針對(duì)湖南科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以機(jī)械量檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和工業(yè)環(huán)境感知作為圖像處理課程的應(yīng)用背景，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了全面梳理。首先，以機(jī)器視覺測(cè)量和環(huán)境感知的工程實(shí)現(xiàn)為主線，將圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原、圖像分割、特征提取、圖像理解等模塊連接起來。接著，確定各知識(shí)模塊重點(diǎn)講授的內(nèi)容和講授方法。如圖像分割的活動(dòng)輪廓模型，在機(jī)械量測(cè)量中很少應(yīng)用，則課堂講學(xué)只需簡(jiǎn)單描述基本思路即可，無須過多展開;而霍夫變換算法，在各教材中大多描述得非常粗略，而這一算法是一種魯棒性非常強(qiáng)而且思路獨(dú)特的基本幾何特征提取方法，在惡劣工業(yè)環(huán)境的視覺測(cè)量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)霍夫變換的基本原理設(shè)計(jì)了多種形象、類比講解方法;挖掘了多個(gè)該算法潛在的應(yīng)用場(chǎng)景供學(xué)生理解其特性。最后，結(jié)合視覺測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)充。如尺度不變特征轉(zhuǎn)換（Scale-invariant feature transform， SIFT）算法，現(xiàn)有圖像處理教材大多沒有介紹相關(guān)知識(shí)，而這一算法已成為攝影測(cè)量中的圖像拼接、雙目視覺測(cè)量的圖像匹配等步驟的基準(zhǔn)算法。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)內(nèi)容中補(bǔ)充了這一算法和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)（圖像金字塔理論）。

（二）教學(xué)活動(dòng)向多個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透

工程類專業(yè)知識(shí)教育除了課題講授以外，還有專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)、專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽等多個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)協(xié)同?！靶鹿た啤苯逃砟詈凸こ探逃龑I(yè)認(rèn)證[8-9]的要求都非常注重教學(xué)活動(dòng)理論聯(lián)系實(shí)際和學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力的培養(yǎng)。為提高教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將圖像處理課程向多個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透。從大一下半學(xué)期開始選拔、吸收優(yōu)秀學(xué)生參加教師的圖像處理、視覺測(cè)量研究項(xiàng)目;在專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)中安排有關(guān)視覺測(cè)量的內(nèi)容，為專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)提供一些需要圖像處理知識(shí)的題目選擇。這一舉措使得部分學(xué)生課程開始以前即有機(jī)會(huì)接觸圖像處理知識(shí)及應(yīng)用;課程結(jié)束以后仍有機(jī)會(huì)在教師指導(dǎo)下自由探索和實(shí)踐應(yīng)用圖像處理知識(shí)解決實(shí)際問題;還可“以點(diǎn)帶面”，由持續(xù)參與了圖像處理多個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)教學(xué)活動(dòng)的學(xué)生帶動(dòng)全體學(xué)生更好地理解圖像處理算法理論的實(shí)際應(yīng)用，以取得更好的教學(xué)效果。

（三）多渠道擴(kuò)充教學(xué)資源

由前面分析可知，演示程序、工程實(shí)例、有豐富材料支持的討論專題等教學(xué)資源的缺乏限制了專題式教學(xué)法、可視化教學(xué)法、討論法、探究法等新型教學(xué)方法在圖像處理教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。如何完全依靠教學(xué)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)教學(xué)資源十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也容易與工程實(shí)際脫節(jié)，達(dá)不到理想的教學(xué)效果。

湖南科技測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)從多個(gè)渠道同時(shí)推進(jìn)擴(kuò)充圖像處理教學(xué)資源。

1.將教師科研項(xiàng)目開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

相關(guān)教師長(zhǎng)期從事工業(yè)環(huán)境下的視覺測(cè)量理論與技術(shù)研究，積累了大量的素材。教學(xué)團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一部署這些素材的教學(xué)資源轉(zhuǎn)化工作：將視覺測(cè)量軟件轉(zhuǎn)化為可在課堂演示的教學(xué)示例程序;將工程項(xiàng)目拆分成若干專題供學(xué)生研討。如相關(guān)教師完成的科研成果“大型擠壓機(jī)多活動(dòng)部件五自由度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”就被轉(zhuǎn)化為了教學(xué)示例程序（如圖1所示）和“工業(yè)環(huán)境下圖像增強(qiáng)技術(shù)”“激光光斑亞像素定位技術(shù)”兩個(gè)討論專題。由科研成果轉(zhuǎn)化的教學(xué)資源其優(yōu)點(diǎn)在于非常貼近工程實(shí)際;缺點(diǎn)在于過于綜合，學(xué)生理解起來難度偏大。

2.將學(xué)生工程實(shí)踐成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

新培養(yǎng)體系“教學(xué)活動(dòng)向多個(gè)培養(yǎng)環(huán)節(jié)滲透”實(shí)施以后，學(xué)生在不同培養(yǎng)階段的實(shí)踐也會(huì)產(chǎn)生大量教學(xué)素材，這些素材加以利用也可以轉(zhuǎn)化為有效的教學(xué)資源。如圖2是2017級(jí)某學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)“基于機(jī)器視覺的藥片邊界破損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”開發(fā)的簡(jiǎn)單測(cè)試程序。這一畢業(yè)設(shè)計(jì)就可轉(zhuǎn)化為圖像連通分量分析和霍夫圓變化算法的演示程序，還可整理成不同方法用于物體（幾何形狀）完整性檢測(cè)的討論專題。這些教學(xué)資源雖然還與工程實(shí)際有一定的距離，但可以更為全面的覆蓋教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生理解起來也更為容易。

3.從合作企業(yè)獲取教學(xué)資源素材

教學(xué)團(tuán)隊(duì)還與湖南睿圖智能科技有限公司、長(zhǎng)沙市偉視創(chuàng)圖像技術(shù)有限公司等圖像處理、視覺測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)建立了科研和人才培養(yǎng)合作關(guān)系，從這些企業(yè)獲取的教學(xué)資源可作為以上兩個(gè)教學(xué)資源獲取途徑的有益補(bǔ)充。

（四）多層次“教師”協(xié)同教學(xué)

一個(gè)合格的課程主講教師應(yīng)具備系統(tǒng)、全面講授教學(xué)內(nèi)容的能力，熟悉課程各知識(shí)點(diǎn)和各章節(jié)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)體系中，面授講課教學(xué)環(huán)節(jié)通常由主講教師獨(dú)自完成。

在新教學(xué)體系中，面授講課由主講教師主導(dǎo)，本科生、研究生、企業(yè)技術(shù)人員共同參與。主講教師負(fù)責(zé)基本理論知識(shí)點(diǎn)的講授;在主講教師完成教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的講授后，邀請(qǐng)參與了不同層次實(shí)踐活動(dòng)的各年級(jí)本科生和研究生，讓他們結(jié)合自己的學(xué)習(xí)過程談如何理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)以及該知識(shí)點(diǎn)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。在數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)、圖像變換、圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原等模塊講授教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后，安排合作企業(yè)的高級(jí)專業(yè)技術(shù)人員做“圖像的數(shù)字化與質(zhì)量提升”專題講座。在圖形壓縮、圖像檢測(cè)與分割、圖像表示與描述等模塊講授完成以后，安排合作企業(yè)的高級(jí)專業(yè)技術(shù)人員做“數(shù)字圖像信息獲取”專題講座。

在新的教學(xué)體系中，四類“教師”具有不同的知識(shí)結(jié)構(gòu)和技術(shù)工作經(jīng)歷，可從不同的視角對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行闡述。四類“教師”的講授互為補(bǔ)充，可為學(xué)生提供知識(shí)點(diǎn)的“全景圖像”。

三、教學(xué)改革初步成效

湖南科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊(duì)2016年開始探索圖像處理課程“立體化”教學(xué)體系，并根據(jù)教學(xué)實(shí)踐的效果不斷完善，現(xiàn)已初見成效。2016年開始，逃課的學(xué)生人數(shù)明顯減少，特別是2017年和2018年，學(xué)生基本上能保持全勤，這表明學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣顯著提升;課程中穿插的討論專題由于有豐富的教學(xué)資源支撐，大部分學(xué)生能很快進(jìn)入角色并積極發(fā)言，專題討論氣氛非?；钴S;學(xué)生考試成績(jī)提高顯著，不及格率和良好、優(yōu)秀率均明顯提升，這表明新教學(xué)體系能使得學(xué)生更好地掌握該課程主要知識(shí)點(diǎn);參加了課程主講教師圖像處理、視覺測(cè)量研究項(xiàng)目和學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生中，多名考取了研究生繼續(xù)深造，其中一名被世界百?gòu)?qiáng)大學(xué)瑞典隆德大學(xué)（Lund University）錄取。

四、結(jié)語(yǔ)

社會(huì)對(duì)能從事圖像獲取與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、應(yīng)用調(diào)試及科學(xué)研究的科技人才的需求逐年增加。圖像處理現(xiàn)已發(fā)展成為許多高校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的主干課程。然而，圖像處理課程具有內(nèi)容多、難度大，理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)質(zhì)量難以保證。本文分析了圖像處理教學(xué)中存在的問題，總結(jié)了湖南科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)團(tuán)隊(duì)關(guān)于圖像處理課程探索的成果——以教學(xué)活動(dòng)“立體化”、教學(xué)資源“立體化”、授課教師層次“立體化”為核心特征的圖像處理“立體化”教學(xué)體系。教學(xué)實(shí)踐初步驗(yàn)證了新體系的有效性。堅(jiān)持“立德樹人”為根本，結(jié)合“新工科”建設(shè)和工程認(rèn)證的要求，面向社會(huì)對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器高級(jí)專門人才的需求，持續(xù)對(duì)圖像處理“立體化”教學(xué)體系進(jìn)行改進(jìn)和完善是下一步工作的方向。

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[責(zé)任編輯：陳 明]