朱 旗，關(guān)東海

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

1 圖像處理與分析課程教學(xué)改革的意義

圖像處理與分析是人工智能領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，是當(dāng)前眾多圖像智能應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)今社會(huì)的許多智能分析應(yīng)用需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)圖像處理方面的人才需求巨大，對(duì)圖像處理與分析相關(guān)的課程改革順應(yīng)了人工智能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展背景[1]。另外，數(shù)字圖像處理與分析是人工智能與計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的重要課程之一，該課程的教學(xué)改革對(duì)相關(guān)專業(yè)教育具有重要意義。已有的課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)模式注重對(duì)處理方法的知識(shí)介紹[2]，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)體現(xiàn)不足。我們提出了一種基于案例驅(qū)動(dòng)的圖像處理與分析課程教學(xué)改革方法，通過對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)模式的創(chuàng)新，提升學(xué)生對(duì)圖像處理方法的實(shí)踐運(yùn)用能力。

圖像分析，其中包括智能交通、精準(zhǔn)醫(yī)療、生物特征識(shí)別等。

在課堂教學(xué)上采用深入淺出的方式介紹復(fù)雜的處理方法，并提供大量圖像處理的范例和效果展示，有利于學(xué)生對(duì)處理方法的理解，并培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力，為今后從事該領(lǐng)域相關(guān)研究或應(yīng)用開發(fā)打下基礎(chǔ)。并且在前沿技術(shù)討論和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)引入典型案例，提升學(xué)生綜合運(yùn)用圖像處理方法的能力。

2 案例驅(qū)動(dòng)的圖像處理與分析課堂教學(xué)

對(duì)于課程內(nèi)容的改革上，突出對(duì)經(jīng)典圖像處理與分析方法的介紹，并融入相關(guān)領(lǐng)域的前沿，體現(xiàn)課程的高階性。圖像處理與分析的教學(xué)內(nèi)容涉及圖像的基本概念、圖像采集與表示、圖像的空間域處理、圖像的頻率域處理、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)操作、圖像壓縮等內(nèi)容[3]。在教學(xué)內(nèi)容上，新增了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤、圖像識(shí)別與理解案例等。通過對(duì)其中每個(gè)案例的解析，將應(yīng)用問題中的具體需求轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)介紹相關(guān)案例的數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和分類的過程。引導(dǎo)學(xué)生選擇適用的圖像處理與分析方法。在課堂教學(xué)中，充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，展開對(duì)案例處理過程的討論，加深學(xué)生對(duì)其中涉及方法的理解和掌握，從而為進(jìn)一步的圖像處理實(shí)踐任務(wù)打下基礎(chǔ)。

在每個(gè)章節(jié)內(nèi)容的設(shè)置上，突出案例教學(xué)。通過案例對(duì)處理結(jié)果及性能進(jìn)行對(duì)比，使得學(xué)生理解每種處理方法的特性。例如，將不同濾波器的處理效果同時(shí)呈現(xiàn)出來，并且將不同參數(shù)的處理結(jié)果也融入對(duì)比案例中。不僅讓學(xué)生掌握不同濾波器的特性，而且讓學(xué)生理解不同濾波器在不同參數(shù)下的響應(yīng)，從而使得教學(xué)過程能夠真正指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐。另外，注重采用先進(jìn)技術(shù)手段，將圖像處理方法的重點(diǎn)和難點(diǎn)通過動(dòng)畫的形式解析其中的過程，讓學(xué)生真正了解處理方法的流程和細(xì)節(jié)。在案例的選擇上，選取具有多種紋理、邊緣、拓?fù)涮卣鞯膱D像[4]作為典型案例，使得處理方法對(duì)不同圖像特征的處理效果都能得以展現(xiàn)。特別對(duì)于一階和二階邊緣增強(qiáng)算法，通過案例展示出高階方法對(duì)于帶有噪聲的圖像具有較強(qiáng)的敏感性，使得學(xué)生能夠深刻理解在使用相關(guān)邊緣增強(qiáng)方法時(shí)為什么要進(jìn)行圖像去噪，從而獲得更好的處理效果。在形態(tài)學(xué)方法的教學(xué)上，以往的教學(xué)方法是通過教師講授或靜態(tài)的方法展示使學(xué)生理解形態(tài)學(xué)處理方法，在我們的教學(xué)過程中將形態(tài)學(xué)的處理過程，以及過程中結(jié)構(gòu)元素與目標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，并能夠根據(jù)學(xué)生理解和反饋的情況，動(dòng)態(tài)控制這些案例的呈現(xiàn)。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，隨著課程的介紹引入關(guān)于知識(shí)點(diǎn)的問題，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效果能夠及時(shí)反饋，從而教師能夠把握學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的程度。對(duì)于通過反饋發(fā)現(xiàn)的掌握薄弱的知識(shí)點(diǎn)，教師可進(jìn)行進(jìn)一步的講解，使得學(xué)生能夠理解和掌握。同時(shí)，課上的教學(xué)內(nèi)容具有一定的高階性，在介紹基本的圖像分析與處理方法的過程中，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和創(chuàng)新。包括將已有的方法應(yīng)用于新的領(lǐng)域，或者針對(duì)新問題設(shè)計(jì)創(chuàng)新的處理方法。在課堂上進(jìn)行當(dāng)堂作業(yè)，通過引入與課上內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)測(cè)試，考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握水平。另外進(jìn)行一定的延展，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)學(xué)生通過創(chuàng)新的方法解決問題，或者將已有的算法應(yīng)用于新的領(lǐng)域。另外，在教材的選用上，教師需要經(jīng)過多方面的比較，選用教學(xué)內(nèi)容完整，可讀性強(qiáng)，并被廣泛采用的教材。使得學(xué)生能夠通過課堂上的學(xué)習(xí)，了解到圖像處理分析與處理方法的經(jīng)典內(nèi)容，并能夠?qū)ζ渲械慕?jīng)典方法進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。在教學(xué)的章節(jié)安排上，教師需要根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行重新組織，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)地進(jìn)行課堂教學(xué)，使得教學(xué)過程中前面的知識(shí)點(diǎn)能夠?yàn)楹竺娴闹R(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效支撐，后面的知識(shí)點(diǎn)能夠作為前面知識(shí)點(diǎn)的延展，并且能夠在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)向?qū)W生介紹更多的處理方法。

3 案例驅(qū)動(dòng)的圖像處理與分析實(shí)踐教學(xué)

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過典型案例的MATLAB源碼介紹，使得學(xué)生不知掌握?qǐng)D像處理方法和原理，并且使其能夠?qū)唧w的圖像處理問題進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)不同濾波器的介紹中，傳統(tǒng)的教學(xué)過程中只涉及濾波器的函數(shù)，而我們的課程中將多種濾波器的代碼在課堂上進(jìn)行演示。不僅讓學(xué)生了解濾波函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)，更能讓學(xué)生靈活運(yùn)用各類濾波函數(shù)。對(duì)于頻域變換方法，我們將頻域變換過程的代碼在課堂上展現(xiàn)給學(xué)生，包括對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換，通過頻域?yàn)V波保留圖像的有用的頻域成分，然后對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行傅里葉逆變換，最后進(jìn)行圖像的后處理。將以上過程的每一步通過代碼讓學(xué)生掌握其應(yīng)用方法，并將每一步的變換結(jié)果在課堂中進(jìn)行展示，使得學(xué)生對(duì)頻域處理方法這一圖像處理與分析課程中的難點(diǎn)進(jìn)行深刻理解和掌握。此外，我們還在課堂中對(duì)典型圖像處理工程問題的關(guān)鍵步驟進(jìn)行代碼展示，提高學(xué)生的編程水平和解決實(shí)際問題的能力。

通過相關(guān)討論課的引入，學(xué)生通過閱讀選擇圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的研究，并在課堂上分享所閱讀的文獻(xiàn)的背景、所提出的方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過前沿案例充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，將案例中的復(fù)雜工程問題的求解過程進(jìn)行展示，提升學(xué)生的實(shí)踐能力，并有利于學(xué)生進(jìn)一步深刻掌握?qǐng)D像處理方法的特性[5]。另外，在討論環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備過程中，需要學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)配合。例如，同組內(nèi)一部分同學(xué)負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研，一部分同學(xué)負(fù)責(zé)文獻(xiàn)閱讀，一部分同學(xué)負(fù)責(zé)PPT制作等。另外，采用這種方式能夠結(jié)合學(xué)生的研究興趣和經(jīng)驗(yàn)，在所關(guān)注的領(lǐng)域進(jìn)行深入挖掘，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并實(shí)現(xiàn)了課堂學(xué)習(xí)和科研的相互促進(jìn)。團(tuán)隊(duì)共同將一個(gè)前沿的處理方法進(jìn)行學(xué)習(xí)和展示，提升了學(xué)生的分工協(xié)作能力。在編程實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過設(shè)計(jì)具有代表性和探索性的圖像處理任務(wù)，讓學(xué)生針對(duì)實(shí)際問題選擇使用課堂上學(xué)習(xí)的圖像處理方法，并通過查閱文獻(xiàn)，對(duì)問題中的一些處理環(huán)節(jié)進(jìn)行編程解決。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式，我們的實(shí)驗(yàn)課具有更強(qiáng)的創(chuàng)新性，學(xué)生能夠不拘泥于已有的教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)所需要解決的問題的特性進(jìn)行求解。相比單一或簡(jiǎn)單的圖像處理問題，實(shí)際應(yīng)用中的圖像處理問題一般較為復(fù)雜，需要團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人發(fā)揮自身的特長(zhǎng)，共同展現(xiàn)集體的智慧。實(shí)際教學(xué)中可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)具有創(chuàng)新性的圖像問題較為感興趣，能夠切身深入?yún)⑴c到問題解決的過程中。

在圖像處理與分析及數(shù)字圖像處理課程中介紹智能框架的基本結(jié)構(gòu)和模型的設(shè)計(jì)方法。在課程中引入物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)、圖像分割實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)有智能框架下，進(jìn)行物體識(shí)別與圖像分割實(shí)驗(yàn)的環(huán)境搭建。重點(diǎn)幫助同學(xué)熟悉已有智能框架，并鼓勵(lì)學(xué)生在后期的智能模型開發(fā)中使用智能框架。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)有些圖像處理方法的原理能夠掌握，但是對(duì)其編程實(shí)踐尚有一定的距離，需要通過實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)際操作提升對(duì)方法的應(yīng)用能力。在實(shí)驗(yàn)課中介紹編程平臺(tái)的基本操作，常用的函數(shù)等內(nèi)容，主要時(shí)間留給學(xué)生進(jìn)行程序的編寫。在實(shí)驗(yàn)課中除了能夠使得學(xué)生能夠搭建一般的圖像處理環(huán)境，而且能夠針對(duì)具體的圖像處理問題進(jìn)行針對(duì)性的應(yīng)對(duì)和解決。

通過課程的開展，學(xué)生能夠?qū)D像處理方法進(jìn)行靈活運(yùn)用，先后開展了圖像紋理識(shí)別、車牌識(shí)別、身份證字符識(shí)別等課程設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)題目的選擇上，需要考慮其能包含他想處理與分析課程中的經(jīng)典方法，也能體現(xiàn)出一定的創(chuàng)新性和高階性。其中掌紋圖像識(shí)別實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠?qū)φ萍y圖像進(jìn)行分類的算法并編程實(shí)現(xiàn)。部分圖像作為訓(xùn)練集，構(gòu)建識(shí)別模型。其余圖像作為測(cè)試集，在預(yù)測(cè)模型統(tǒng)計(jì)每張測(cè)試圖像的預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算識(shí)別準(zhǔn)確率。掌紋靜脈提取實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)從掌紋圖像中提取靜脈區(qū)域的算法并編程實(shí)現(xiàn)。程序能夠輸出原始掌紋圖像及標(biāo)注靜脈區(qū)域的圖像。車牌識(shí)別實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)囕v圖片進(jìn)行預(yù)處理，通過邊緣檢測(cè)方法或模板匹配方法找出車牌位置，對(duì)其中的數(shù)字和字母區(qū)域進(jìn)行分割，采用閾值化方法將其轉(zhuǎn)換為二值圖像，并進(jìn)行最終的車牌識(shí)別。設(shè)計(jì)字符識(shí)別實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)已有的帶有字符圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)和去噪，然后對(duì)圖像進(jìn)行水平方向的校準(zhǔn)以去除拍攝角度問題對(duì)字符識(shí)別帶來的影響，進(jìn)一步通過投影、特征分析或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)字符區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定，然后對(duì)其中的每個(gè)字符區(qū)域進(jìn)行分割，進(jìn)而使用不同分類器對(duì)字符語義進(jìn)行識(shí)別。通過課程設(shè)計(jì)的開展，學(xué)生不僅掌握了圖像處理和智能分析平臺(tái)的搭建和配置，而且能夠綜合運(yùn)用課堂上所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行實(shí)際問題的解決。根據(jù)學(xué)生掌握?qǐng)D像處理方法水平的不同，為一部分學(xué)有余力的同學(xué)提供參與科研項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，使其課程學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合[6]，相互促進(jìn)。對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的問題進(jìn)行答疑，使得對(duì)課程中的難點(diǎn)問題進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和掌握。

指導(dǎo)學(xué)生在智能框架下進(jìn)行物體識(shí)別與圖像分割實(shí)驗(yàn)的環(huán)境搭建。重點(diǎn)幫助同學(xué)熟悉智能框架，并鼓勵(lì)學(xué)生在后期的智能模型開發(fā)中使用國(guó)產(chǎn)框架。通過物體識(shí)別實(shí)驗(yàn),使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)視覺中物體識(shí)別相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，了解物體識(shí)別中的圖像識(shí)別與視頻識(shí)別，同時(shí)掌握深度學(xué)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。掌握不同相關(guān)的物體識(shí)別中比較成熟的物體識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理，熟悉使用深度學(xué)習(xí)框架。通過圖像分割實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握?qǐng)D像分割任務(wù)難點(diǎn)，了解如何使用深度學(xué)習(xí)解決相關(guān)問題。掌握不同圖像分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與核心思想，熟悉使用深度學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的一般流程[7]，并能夠根據(jù)處理方法的結(jié)果對(duì)處理過程進(jìn)行優(yōu)化[8]。優(yōu)化的過程涉及對(duì)算法的設(shè)計(jì)改進(jìn)以及對(duì)參數(shù)的調(diào)優(yōu)，使得學(xué)生能夠?qū)σ延兴惴ńY(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)優(yōu)，鍛煉學(xué)生優(yōu)化圖像處理方法的能力。

另外，在對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)上，通過多維度的學(xué)生表現(xiàn)綜合考量，包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、大作業(yè)完成情況等融入評(píng)價(jià)過程中，建立對(duì)學(xué)生掌握?qǐng)D像處理與分析能力綜合評(píng)價(jià)體系。特別是在對(duì)大作業(yè)的完成度考核中，除了考量對(duì)圖像的處理效果外，還要綜合評(píng)價(jià)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)方法的掌握程度，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的表述與書寫等方面。在教學(xué)過程完成后，對(duì)整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入思考和剖析，結(jié)合學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的程度和反饋進(jìn)行總結(jié)，從而指導(dǎo)以后的教學(xué)工作，形成閉環(huán)[9]。例如，在以后的教學(xué)工作中對(duì)以往學(xué)生反饋的難點(diǎn)進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹，并通過更為豐富和生動(dòng)的案例幫助學(xué)生理解其中的數(shù)學(xué)原理和思維。并結(jié)合行業(yè)和領(lǐng)域發(fā)展前沿[10-11]，對(duì)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)進(jìn)行介紹，體現(xiàn)課程的高階性，并能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極積極性，提升教學(xué)的效果。

4 總結(jié)與展望

通過學(xué)習(xí)對(duì)圖像處理與分析的教學(xué)改革，可以使學(xué)生深入了解和掌握數(shù)字圖像處理的基本原理和當(dāng)前主流的處理方法。培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際圖像處理和分析領(lǐng)域工程問題的能力，為今后學(xué)習(xí)和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。啟發(fā)學(xué)生對(duì)圖像識(shí)別等任務(wù)進(jìn)行智能分析方法設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于實(shí)踐。通過介紹圖像處理和分析方法和技術(shù)的同時(shí)，注重融入思政元素。結(jié)合我國(guó)在圖像智能分析領(lǐng)域的發(fā)展水平與競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)學(xué)生的榮譽(yù)感和使命感。引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生開發(fā)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的智能分析方法，為實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)替代打下基礎(chǔ)。針對(duì)復(fù)雜的圖像分析任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作，樹立大局意識(shí)，發(fā)揚(yáng)集體主義精神。