趙艷娜，黃春霞，周勇，賈偉寬，胡競(jìng)文，鄭元杰

（1.山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250014；2.山東師范大學(xué) 招生就業(yè)處（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院），山東濟(jì)南 250014；3.山東師范大學(xué) 共青團(tuán)，山東濟(jì)南 250014）

1 數(shù)字圖像處理的學(xué)科特點(diǎn)

在獲取信息的過(guò)程中，視覺(jué)信息作為信息的重要來(lái)源，對(duì)于人的發(fā)展具有重要作用。近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)已在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、軍事公安、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，與人們的日常生活密切相關(guān)，在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展、改善人民生活質(zhì)量中起到了重要作用。

數(shù)字圖像處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)重要的必修課程、核心課程，是通信工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要選修課程。數(shù)字圖像處理作為一門(mén)高度綜合的交叉邊緣學(xué)科，融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器、信號(hào)處理、光學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科[1]，主要講述了利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、特征提取以及圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像復(fù)原等方面的理論和方法[2]。在一般的圖像處理過(guò)程中，首先通過(guò)攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換等步驟進(jìn)行圖像獲取，再進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、幾何變換等，再進(jìn)行圖像分割、特征提取、圖像識(shí)別、圖像理解分析[3]。圖像處理具有較強(qiáng)的綜合性，對(duì)于知識(shí)實(shí)踐應(yīng)用能力要求較高，要求學(xué)生在理解復(fù)雜理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程實(shí)踐[4]。

數(shù)字圖像處理領(lǐng)域?qū)Υ髮W(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的基本要求如下：

（1）深刻理解并掌握?qǐng)D像處理原理和理論基礎(chǔ)；

（2）具有出色的工程實(shí)踐能力，能夠獨(dú)立完成工程實(shí)踐項(xiàng)目[5]；

（3）具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)。

2 數(shù)字圖像處理領(lǐng)域踐行“雙創(chuàng)”教育的方法

數(shù)字圖像處理課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生掌握并理解課程的基本原理及理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力，提高編程能力，使學(xué)生能夠利用數(shù)字圖像處理技術(shù)并結(jié)合創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，從而培養(yǎng)出從事圖形處理工作的專(zhuān)門(mén)人才。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐能力相結(jié)合，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新點(diǎn)，解決在應(yīng)用中遇到的實(shí)際問(wèn)題[6]。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展，并與其他應(yīng)用學(xué)科融合，成為這些學(xué)科研究和發(fā)展的基礎(chǔ)[7]。人工智能的諸多應(yīng)用，如圖像分析、行為識(shí)別等，都離不開(kāi)數(shù)字圖像處理技術(shù)。

然而，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程側(cè)重于知識(shí)的教授，未能與現(xiàn)實(shí)工程實(shí)踐相結(jié)合，容易導(dǎo)致學(xué)生脫離實(shí)際應(yīng)用[8]。此外，圖像處理作為與科技進(jìn)步緊密結(jié)合的學(xué)科，其知識(shí)更新速度快，基于課本知識(shí)的學(xué)習(xí)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不了解前沿的理論與應(yīng)用，學(xué)習(xí)效果不佳。因此，眾多數(shù)字圖像處理培養(yǎng)改革方案被提出。溫旭云等提出了基于學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理課程改革，主張以學(xué)生個(gè)體的就業(yè)目標(biāo)為中心，由學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)通道，提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力[9]。鐘必能等提出了以“翻轉(zhuǎn)課堂”為途徑，將項(xiàng)目教學(xué)融入日常教學(xué)的培養(yǎng)方案，主張廣泛利用線上平臺(tái)，解決書(shū)本知識(shí)更新慢、課堂教學(xué)沉悶的問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[10]。賈永紅等提出了利用數(shù)字圖像處理慕課教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)線上線下相結(jié)合，增強(qiáng)師生互動(dòng)，提高知識(shí)的差異性輔導(dǎo)，更好地發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用[11]。

黨的十七大報(bào)告提出“促進(jìn)以創(chuàng)業(yè)帶動(dòng)就業(yè)”和“提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家”的發(fā)展戰(zhàn)略。大學(xué)生群體具有較強(qiáng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力[12]。在高等學(xué)校開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)高校畢業(yè)生充分就業(yè)創(chuàng)業(yè)，進(jìn)而把我國(guó)建設(shè)成為創(chuàng)新型國(guó)家[13]。為了真正促進(jìn)學(xué)生圖像處理工程實(shí)踐應(yīng)用能力的提升，筆者提出基于“專(zhuān)創(chuàng)融合”的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革，從教學(xué)手段、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行探索。

3 基于“專(zhuān)創(chuàng)融合”的數(shù)字圖像處理課程改革實(shí)踐

3.1 構(gòu)建“以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為引導(dǎo)”的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式

積極探索理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，遵循理論與實(shí)踐并重，強(qiáng)化應(yīng)用能力培養(yǎng)的四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)

（1）理論分析。

現(xiàn)有教材的數(shù)字圖像處理理論內(nèi)容存在多、繁、雜的特點(diǎn)，有些內(nèi)容理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)起來(lái)比較枯燥，且不能反映當(dāng)前技術(shù)的最新進(jìn)展，學(xué)生容易喪失學(xué)習(xí)興趣。為此，筆者在理論分析環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，教學(xué)時(shí)貫徹“少而精”的原則，刪除一些陳舊的內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)前人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀，增加新的內(nèi)容，如圖像特征描述子、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)留出更多時(shí)間，使學(xué)生在實(shí)踐的基礎(chǔ)加深對(duì)知識(shí)的理解。

（2）理論驗(yàn)證。

理論驗(yàn)證環(huán)節(jié)結(jié)合動(dòng)畫(huà)、demo 等進(jìn)行展示，增強(qiáng)理論學(xué)習(xí)的直觀性和趣味性，使學(xué)生快速理解理論，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣，為后續(xù)編程實(shí)現(xiàn)和綜合實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

（3）流程設(shè)計(jì)。

流程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采用框圖、算法流程圖等方式，使學(xué)生從整體上掌握理論實(shí)現(xiàn)的步驟以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所涉及的知識(shí)點(diǎn)。

（4）編程實(shí)現(xiàn)。

編程實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)采用難易結(jié)合的方式，對(duì)課本基本理論，如簡(jiǎn)單的圖像運(yùn)算、直方圖均衡化、圖像空余濾波等，提供示例代碼，及時(shí)讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行實(shí)踐，讓學(xué)生快速上手，體會(huì)到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。待學(xué)生基本熟悉了數(shù)字圖像處理的流程后，教師逐步提高難度，布置一些綜合性較強(qiáng)的題目，如JPEG 圖像壓縮、細(xì)胞分割與計(jì)數(shù)，進(jìn)一步提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

新的教學(xué)方式將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，將傳統(tǒng)的知識(shí)學(xué)習(xí)與新技術(shù)結(jié)合，詳略得當(dāng)，難易適中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心、以能力培養(yǎng)為引導(dǎo)”的教學(xué)目標(biāo)。

3.2 完善教學(xué)案例，構(gòu)建基于案例的課堂教學(xué)方法

近年來(lái)，隨著人工智能在圖像處理方面的成功應(yīng)用，智能安防、智慧醫(yī)療、智能交通、工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等方面的應(yīng)用案例和產(chǎn)品涌現(xiàn)。百度公司的AI 開(kāi)放平臺(tái)，開(kāi)放了若干與圖像處理開(kāi)發(fā)相關(guān)的資源，谷歌、騰訊等高科技公司也提供了類(lèi)似的資源。以Paperwithcode、GitHub 為代表的開(kāi)源網(wǎng)站提供了豐富的學(xué)習(xí)與應(yīng)用資源。筆者根據(jù)多年來(lái)從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理方面的研究經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)了可用性與操作性強(qiáng)、基礎(chǔ)性與發(fā)展性并重的教學(xué)案例庫(kù)。

教學(xué)案例既要結(jié)合當(dāng)前人工智能的研究熱點(diǎn)，又要結(jié)合教材內(nèi)容，選擇案例的原則如下：

（1）代表性原則。案例應(yīng)該是學(xué)生熟悉的內(nèi)容，易于理解且學(xué)生能夠獨(dú)立完成，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠反映圖像處理的關(guān)鍵理論知識(shí)和算法。

（2）實(shí)用性原則。案例能夠讓學(xué)生利用課程所學(xué)解決現(xiàn)實(shí)生活中遇到的一些問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際。

（3）啟發(fā)性原則。案例設(shè)計(jì)堅(jiān)持基礎(chǔ)性與擴(kuò)展性結(jié)合的原則，加入綜合案例。綜合案例給予學(xué)生思考的余地和創(chuàng)新的空間，訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立思考、查閱文獻(xiàn)解決問(wèn)題的能力。鼓勵(lì)學(xué)生使用Python 完成綜合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生使用Pytorch 等深度學(xué)習(xí)工具。部分應(yīng)用案例與知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)如表1 所示。

表1 部分課程知識(shí)點(diǎn)與相應(yīng)案例

由表1 可以看出，有些案例對(duì)應(yīng)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如對(duì)比度增強(qiáng)和圖像增強(qiáng)；有些案例涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如天空分割、道路分割、圖像搜索、車(chē)牌識(shí)別、人臉識(shí)別、人像動(dòng)漫化等。以人像動(dòng)漫化為例，其涉及人臉檢測(cè)、人臉?lè)指詈吞幚恚^發(fā)檢測(cè)、頭發(fā)分割和處理，基于深度學(xué)習(xí)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)字圖像處理大部分知識(shí)點(diǎn)都采用以案例引出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而采用演示法和實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)。

3.3 基于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室及校企合作開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)

創(chuàng)新是社會(huì)進(jìn)步的靈魂，創(chuàng)業(yè)是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要途徑。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主要體現(xiàn)在結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”，利用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)有所用，在“雙創(chuàng)”項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)和理論的深刻理解[14]。筆者根據(jù)近幾年指導(dǎo)大學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽的經(jīng)驗(yàn)，提出基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的數(shù)字圖像處理改革實(shí)踐，實(shí)踐框圖如圖2所示。筆者選取基于數(shù)字圖像處理課程指導(dǎo)學(xué)生參與“雙創(chuàng)”項(xiàng)目的實(shí)例——數(shù)字圖像處理在園區(qū)安防的應(yīng)用探索，介紹“雙創(chuàng)”競(jìng)賽與圖像處理教學(xué)的融合。

圖2 基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的數(shù)字圖像處理課程改革實(shí)踐

園區(qū)安防系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3 所示。該系統(tǒng)利用人臉識(shí)別技術(shù)，對(duì)檢測(cè)到的人臉信息進(jìn)行一系列相關(guān)技術(shù)分析，包括人臉識(shí)別預(yù)處理、人臉圖像采集、比對(duì)識(shí)別等，得到不同神態(tài)、不同角度的人臉照片作為訓(xùn)練集。利用配置卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合訓(xùn)練集進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)多輪訓(xùn)練與測(cè)試集進(jìn)行比對(duì)，不斷優(yōu)化，提高識(shí)別精度。接著將識(shí)別的信息上傳至云平臺(tái)，進(jìn)行可視化展示，若發(fā)現(xiàn)非園區(qū)可疑人員，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)通知安防人員查看情況；若檢測(cè)到園區(qū)人員，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行打卡、統(tǒng)計(jì)工時(shí)。這一系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)人員管理、智慧安防、智能簽到，能夠真正推動(dòng)智慧社區(qū)、智慧工廠、智慧園區(qū)的建設(shè)，讓科技融入生產(chǎn)生活。該項(xiàng)目獲得了第六屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽山東省中國(guó)國(guó)際省金獎(jiǎng)，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程的熱情。

圖3 園區(qū)安防系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.4 課程考核

數(shù)字圖像處理課程既有理論知識(shí)講解，也有上機(jī)實(shí)踐和綜合實(shí)踐。因此，該課程不僅要考查學(xué)生的理論知識(shí)，還要考查學(xué)生的實(shí)踐能力。理論內(nèi)容的考核采取基礎(chǔ)知識(shí)問(wèn)卷的形式，題型包括填空、選擇、簡(jiǎn)答、計(jì)算，讓學(xué)生理解和掌握課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，為實(shí)踐提供理論支持；實(shí)踐能力的考核兼顧基礎(chǔ)性和發(fā)展性，基礎(chǔ)性算法根據(jù)課程內(nèi)容選擇，如直方圖均衡、空域?yàn)V波、頻域?yàn)V波、邊緣檢測(cè)等，擴(kuò)展性內(nèi)容結(jié)合人工智能領(lǐng)域的最新進(jìn)展，在學(xué)期中和學(xué)期末分別布置一項(xiàng)內(nèi)容。實(shí)踐能力的考核要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示，并按照要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)理論和實(shí)踐兩方面的考核，促進(jìn)了學(xué)生理論和實(shí)踐能力的提高。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書(shū)寫(xiě)，有助于提高學(xué)生的科技文檔書(shū)寫(xiě)能力，為學(xué)生進(jìn)一步深造打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字圖像處理作為一門(mén)理論與實(shí)踐并重的專(zhuān)業(yè)課程，要求學(xué)生能夠活學(xué)活用理論知識(shí)，利用技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。本文首先分析了數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，提出了基于“專(zhuān)創(chuàng)融合”的數(shù)字圖像處理課程改革，從教學(xué)手段、教學(xué)方法和實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了探索。筆者結(jié)合指導(dǎo)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，列舉了大學(xué)生在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的實(shí)踐思路和方向，提出把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿數(shù)字圖像人才培養(yǎng)全過(guò)程，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)符合社會(huì)發(fā)展需求的實(shí)踐型人才。