袁靜 韓瑩 王愛(ài)敏 孫嘉廷 王亞麗

摘要：在現(xiàn)代工程教育理念下，雖然數(shù)字圖像處理課程已經(jīng)被廣泛開(kāi)設(shè)，但是關(guān)于圖像分割技術(shù)的教學(xué)資源和案例仍然相對(duì)匱乏。很多教材和教學(xué)資料并沒(méi)有涵蓋圖像分割技術(shù)或者只是簡(jiǎn)單地提及，缺乏具體的實(shí)踐案例和項(xiàng)目指導(dǎo)，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐帶來(lái)了一定的困難。為此，需要進(jìn)一步完善和豐富數(shù)字圖像處理教育資源，特別是針對(duì)圖像分割技術(shù)的教學(xué)資源。需要充分運(yùn)用線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，運(yùn)用開(kāi)源軟件和編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像分割算法，結(jié)合實(shí)踐基礎(chǔ)來(lái)合理設(shè)定考核內(nèi)容。實(shí)踐表明，圖像分割技術(shù)在數(shù)字圖像處理課程中具有廣泛的教學(xué)應(yīng)用潛力。通過(guò)引入圖像分割技術(shù)，能夠更好地發(fā)掘?qū)W生的個(gè)人能力。

關(guān)鍵詞：圖像分割技術(shù)；數(shù)字圖像處理課程；教學(xué)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）05-0028-03

圖像分割是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像分析、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、視頻處理等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能的快速發(fā)展，圖像分割在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越重要。在數(shù)字圖像處理課程中，在教學(xué)中應(yīng)用圖像分割技術(shù)具有重要意義[1]。一方面，圖像分割是學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)的重要部分，通過(guò)教授和學(xué)習(xí)圖像分割算法，可以幫助學(xué)生理解圖像處理的基本概念和原理。另一方面，圖像分割是一種實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)，在教學(xué)中應(yīng)用圖像分割技術(shù)可以幫助學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。

1 學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐圖像分割技術(shù)時(shí)面臨的困難

第一，理論知識(shí)理解難度大。圖像分割技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。學(xué)生需要具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程能力，以深入理解和掌握?qǐng)D像分割的原理和方法[2]。由于相關(guān)理論較為復(fù)雜，學(xué)生往往在面對(duì)圖像分割技術(shù)的理論推導(dǎo)和算法原理時(shí)感到困惑，難以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。第二，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目指導(dǎo)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，往往缺乏真實(shí)的圖像分割項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。課堂教學(xué)和教材通常注重理論知識(shí)的傳授，而缺乏實(shí)際案例和項(xiàng)目指導(dǎo)。這導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景中，無(wú)法真正掌握?qǐng)D像分割技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。第三，對(duì)技術(shù)工具與平臺(tái)不熟悉。圖像分割技術(shù)的實(shí)踐通常需要借助各種編程語(yǔ)言和開(kāi)源軟件工具。學(xué)生可能對(duì)這些技術(shù)工具和平臺(tái)不夠熟悉，需要花費(fèi)額外的時(shí)間學(xué)習(xí)和掌握。同時(shí)，對(duì)于如何選擇和使用合適的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像分割算法，學(xué)生也往往感到迷茫，從而增加了學(xué)習(xí)和實(shí)踐的難度。

2 圖像分割技術(shù)在數(shù)字圖像處理課程中的教學(xué)優(yōu)化途徑

2.1 結(jié)合開(kāi)源軟件和編程語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)

在課程的初期，教師應(yīng)首先對(duì)廣泛應(yīng)用的開(kāi)源軟件庫(kù)，例如OpenCV和PIL，進(jìn)行詳細(xì)的介紹和講解，包括其安裝、基本使用、核心功能等，并介紹這些工具在圖像分割中的常用方法和算法實(shí)現(xiàn)。在學(xué)生對(duì)開(kāi)源軟件有了一定的了解后，教師可以設(shè)計(jì)一系列的編程實(shí)踐環(huán)節(jié)[3]。這些實(shí)踐可以包括基本的圖像處理操作、特定的圖像分割算法實(shí)現(xiàn)等步驟，借助OpenCV實(shí)現(xiàn)閾值分割、k-means聚類(lèi)分割等。結(jié)合真實(shí)的圖像分割案例進(jìn)行講解和示范，然后讓學(xué)生能夠自主動(dòng)手實(shí)踐。課程教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

為了加深學(xué)生的理解和應(yīng)用能力，教師可以布置與圖像分割相關(guān)的編程作業(yè)，或者讓學(xué)生分組完成一個(gè)小型的圖像分割項(xiàng)目。要求學(xué)生使用特定的開(kāi)源軟件和編程語(yǔ)言來(lái)完成特定的任務(wù)，并時(shí)刻關(guān)注學(xué)生動(dòng)向，及時(shí)為其解答遇到的問(wèn)題。幫助學(xué)生克服對(duì)技術(shù)工具與平臺(tái)不熟悉的問(wèn)題，教學(xué)中可以充分利用開(kāi)源軟件接觸豐富的圖像分割工具和庫(kù)，加速算法的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)使用編程語(yǔ)言如Python或C++，讓學(xué)生自主參與線上圖像分割的代碼編寫(xiě)并進(jìn)行定制和優(yōu)化，教師則需引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)編程實(shí)踐來(lái)深入理解和應(yīng)用圖像分割技術(shù)，讓學(xué)生在實(shí)踐中掌握如何使用這些工具來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

2.2 引入實(shí)際案例和項(xiàng)目指導(dǎo)

為了解決學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目指導(dǎo)的問(wèn)題，教學(xué)中可以引入真實(shí)的圖像分割案例和項(xiàng)目，讓學(xué)生參與實(shí)踐并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。教師可以從實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中選取具有代表性的案例，指導(dǎo)學(xué)生了解從數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取到圖像分割算法的實(shí)現(xiàn)和評(píng)估全過(guò)程。案例涵蓋醫(yī)學(xué)圖像分割、交通場(chǎng)景分割、自然圖像分割等各個(gè)領(lǐng)域，確保學(xué)生能夠全面了解圖像分割技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。各領(lǐng)域教學(xué)實(shí)例引入的課程教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

在指導(dǎo)學(xué)生的過(guò)程中，教師將引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)預(yù)處理開(kāi)始，學(xué)習(xí)如何對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，使得圖像數(shù)據(jù)更適合后續(xù)的分割算法。接著，學(xué)生將學(xué)習(xí)特征提取的方法，了解如何從圖像中提取有意義的特征，為分割算法提供有效的輸入。在學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取有了一定的了解后，教師可以進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)圖像分割算法，并對(duì)算法進(jìn)行評(píng)估。學(xué)生將學(xué)習(xí)到如何選擇合適的分割算法，并根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和圖像分割算法的實(shí)現(xiàn)，完成手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別的任務(wù)[4]。將大量的手寫(xiě)數(shù)字圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將圖像大小調(diào)整為統(tǒng)一尺寸，減少后續(xù)計(jì)算的復(fù)雜程度。隨后采用Sobel 算子、Canny邊緣檢測(cè)調(diào)整圖像邊緣、筆畫(huà)寬度、筆畫(huà)方向等，提取特征作為后續(xù)分割算法的輸入。將手寫(xiě)數(shù)字從背景中分割出來(lái)，計(jì)算灰度直方圖來(lái)確定最佳閾值，從而實(shí)現(xiàn)圖像的二值化分割。通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生將深入了解圖像分割算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并學(xué)會(huì)如何評(píng)估算法的性能，提高學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力。

2.3 合理設(shè)定考核內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用事件進(jìn)行評(píng)估

在圖像分割的教學(xué)中，實(shí)踐是非常重要的一環(huán)。教師應(yīng)該設(shè)定與實(shí)際應(yīng)用緊密相連的實(shí)踐任務(wù)，并對(duì)學(xué)生的實(shí)踐成果進(jìn)行評(píng)估。教師可以要求學(xué)生提交一個(gè)完整的圖像分割項(xiàng)目，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、算法實(shí)現(xiàn)等步驟，教師根據(jù)項(xiàng)目的完整性、準(zhǔn)確性和創(chuàng)新性進(jìn)行評(píng)估。學(xué)生需要提交詳細(xì)的實(shí)踐報(bào)告，描述學(xué)生所使用的圖像分割方法、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果。教師應(yīng)該設(shè)定報(bào)告的格式和內(nèi)容要求，根據(jù)學(xué)生的報(bào)告清晰度、邏輯性和深度來(lái)評(píng)分，并參考學(xué)生在課堂上的參與度、回答問(wèn)題的準(zhǔn)確性、小組討論的貢獻(xiàn)等方面進(jìn)行評(píng)估。學(xué)生課程表現(xiàn)評(píng)估表如表3所示。

如表3所示，圖像分割的實(shí)踐成果是評(píng)估的重點(diǎn)，因此“實(shí)踐成果”部分總分最高，占60分。其中，完整性、準(zhǔn)確性和創(chuàng)新性是評(píng)價(jià)圖像分割項(xiàng)目的重要指標(biāo)，分別設(shè)定了30分、20分和10分，以確保學(xué)生對(duì)整個(gè)流程有完整的理解和實(shí)踐。報(bào)告是學(xué)生對(duì)實(shí)踐成果的總結(jié)和反思，所以“報(bào)告質(zhì)量”部分設(shè)定為40分。清晰度、邏輯性和深度是評(píng)估報(bào)告質(zhì)量的關(guān)鍵，分別為10分、15分和15分。設(shè)定的目的是希望學(xué)生不僅能夠描述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還能對(duì)其進(jìn)行深入的分析和討論。課堂表現(xiàn)是評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和對(duì)課程內(nèi)容掌握情況的一個(gè)方面，設(shè)定為15分，是對(duì)學(xué)生參與課堂討論的鼓勵(lì)。其中，參與度、回答問(wèn)題的準(zhǔn)確率和對(duì)小組討論的貢獻(xiàn)度是評(píng)估學(xué)生在課堂上表現(xiàn)的關(guān)鍵，分別設(shè)定為5分，以鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂互動(dòng)。例如，在交通道路自動(dòng)駕駛的道路圖像分割上，可行駛區(qū)域的提取是圖像分割的重要步驟，學(xué)生針對(duì)道路圖像進(jìn)行精細(xì)的分割，能夠?qū)⒌缆?、障礙物、車(chē)輛等不同區(qū)域分離出來(lái)，從而準(zhǔn)確地識(shí)別出可行駛區(qū)域，得到高精度的分割結(jié)果[5]。教師再?gòu)拇舜螌?shí)踐課程中觀察學(xué)生得出的分割結(jié)果，并給出評(píng)分及改正建議。如此一來(lái)，學(xué)生不僅能夠通過(guò)實(shí)踐鍛煉自己的技能，還能夠培養(yǎng)撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告和在公共場(chǎng)合的表達(dá)能力。同時(shí)，教師也可以更為全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，從而更好地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3 結(jié)論

綜上所述，圖像分割技術(shù)在數(shù)字圖像處理課程中具有優(yōu)越的發(fā)展前景，依托線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、開(kāi)源軟件和編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像分割算法，并結(jié)合實(shí)踐基礎(chǔ)設(shè)定考核內(nèi)容，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)人能力，提升學(xué)生在圖像處理領(lǐng)域的技能水平，進(jìn)一步推動(dòng)圖像分割技術(shù)在工程教育中的應(yīng)用和發(fā)展，培養(yǎng)具備高水平圖像處理能力的專(zhuān)業(yè)人才，促進(jìn)社會(huì)的科技進(jìn)步和發(fā)展。隨著對(duì)圖像分割技術(shù)需求的增加，教學(xué)資源將更加豐富多樣化，教材和在線課程將深入探討圖像分割算法的基本原理、應(yīng)用場(chǎng)景和最新研究進(jìn)展，同時(shí)將提供更多的案例分析和實(shí)踐項(xiàng)目，以便學(xué)生可以將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用，推動(dòng)工程教育的發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)的科技進(jìn)步和繁榮。

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【通聯(lián)編輯：張薇】