“數字圖像處理”課程教學實踐與探討

鄭慧誠

(中山大學信息科學與技術學院，廣東 廣州 510275)

“數字圖像處理”是信息類專業重要的本科專業課程之一，也是包括計算機視覺、模式識別、信息安全等在內的學科方向重要的基礎課程。該課程的理論性與實踐性都比較強，對前期課程基礎要求較高。已有一些作者在“數字圖像處理”課程的教學改革與實踐方面進行了有意義的探索［1，2］。本文結合我校信息科學與技術學院本科生講授“數字圖像處理”課程的實踐，介紹在該課程教學方面的一些探索和體會。

1 教學過程中的可視化手段

“數字圖像處理”課程的內容比較適于可視化教學［3］，有利于充分發揮多媒體教學手段的優勢。由于該課程理論性很強，特別是涉及到頻域處理的內容，概念相對抽象，數學推導和公式較多，需要結合課程特點，可充分發揮電子課件的優勢。

我們可以利用電子課件依序展現圖像處理過程。例如，對基于頻域的圖像相關性運算，雖然在我們采用的Gonzalez等的教材中通過例4.11分析了運算效果，但如果利用電子課件的動態演示優勢，將作用在輸入圖像上的相關運算過程根據處理先后利用PowerPoint的動畫功能形象地表示出來，將可加深學生對處理過程的理解和記憶［4］。圖1所示是我們在授課中采用的圖解方法(黑色字符區域對應高像素值，邊框代表圖像邊界)，講解時圖中各部分按處理先后逐步動態呈現。

圖1 圖像相關運算的可視化圖解示例

但如果不注意把握節奏，講解速度容易過快，導致學生來不及消化吸收。而且，電子課件的演示內容在上課前已基本固定，不易隨機應變，備課時要預先有所準備，利用板書、口頭講解等方式加入一些靈活的內容。傳統的板書方式節奏雖然較慢，但講義內容連續，教師有足夠時間組織語料。此外，對于一些推導性的內容，傳統的板書方式仍比較有效，也受學生歡迎。

2 知識關聯比較

“數字圖像處理”課程知識體系比較復雜，學生常有理解不透徹的感覺。這種現象的原因之一在于學生未能形成有機完整的知識體系，對概念的掌握零散以致混淆。如果能有意識地提示相關概念之間的聯系，特別是在引入新概念時，注意與已學相關概念進行關聯比較，則能有效加深學生對新舊知識的理解，并形成長效記憶。比如在介紹像素間的基本關系時涉及到相鄰、鄰接、連通、區域和邊界等多個概念，如果簡單地逐一介紹這些概念，學生過后容易產生混淆。此時如果注意提示學生這些概念之間的聯系，例如按圖2所示方式將它們串起來，學生容易掌握這些不同概念，并且不易忘記。

圖2 像素間關系的概念關聯圖

又如，濾波器廣泛應用于圖像增強、去噪和邊緣檢測等，是本課程的重要內容之一。它既可從空間域利用積分、微分思想設計，也可從頻率域利用系統頻率響應的思想設計，因此相關知識點往往散布于各章節。如果不進行關聯比較，學生容易混淆不同類型濾波器及其作用。因此在課程進展到適當階段時，可總結梳理相關知識點，幫助學生建立系統的知識關聯結構。例如平滑濾波器有空域和頻域兩種形式，空域內有線性濾波器(如一些均值濾波器)與非線性濾波器(如各種統計排序濾波器)，頻域內則為低通濾波器(包括理想型、巴特沃斯型、高斯型)。類似地，銳化濾波器也有空域與頻域的對應表達。而用于消減周期噪聲的濾波器一般在頻域內設計。講解時注意通過橫向比較揭示不同濾波器之間的聯系與區別，例如阿爾法修剪均值濾波器在一定條件下轉化為算術均值濾波器或中值濾波器。

3 理論與實踐結合

“數字圖像處理”課程具有較強的實用性，在教學理念上要有機結合理論教學與實踐教學，各有側重，又交叉融合。我們在授課中推薦Matlab作為圖像處理實驗編程語言。因其易學易用，界面友好，有專門的圖像處理工具箱，配合輔助教材［5］易于結合到授課過程中，教材的配套網站還提供了實驗課題供教學選用。為幫助學生盡快上手，我們分配了約一課時介紹Matlab中的圖像表示、輸入輸出及圖像處理工具箱等基礎知識。在此后的授課過程中，則適時結合Matlab介紹相關圖像處理操作，并鼓勵學生上機實踐體會。

在授課過程中結合科研或生產實際有利于進一步提高學生的學習興趣和創新意識。例如結合學生專業特點和教師科研課題，適當穿插講解圖像處理在計算機視覺、模式識別和信息安全等領域的應用，以加深學生對數字圖像處理應用前景的認識，使學生樹立學好這門課程的決心和信心。

4 雙語教改嘗試

由于“數字圖像處理”課程的理論基礎要求較高，學生完全理解和掌握有一定難度，因此我們在本課程中推進雙語教學時比較慎重。考慮到一般學生的專業英語水平有限，開始時使用英語比重可適當降低。我們在授課實踐中，采用了國外英文教材，課堂講授以中文為主，輔以英文術語介紹。學生課后可根據課堂所學內容進一步閱讀英文材料，在學習專業知識的同時提高科技英語水平。

我們通過分析比較，采用了文獻［4］的經典教材。該教材強調基本概念和原理，既能深入淺出地介紹重要而抽象的概念，又不失數學上的嚴謹性，其融入啟發式教育和創新意識培養的思想與我國目前提倡的素質教育和創新教育能很好吻合。同時，該書的姊妹篇材［5］為基于Matlab的雙語實踐教學提供了支持。兩本教材的教學支持網站內容豐富，包括圖像素材、軟件工具箱及源碼、教輔資料等。而且，現已有對應的中文翻譯版可做參考，易于實現課程內容的中英文結合。

5 改進教學大綱

教學大綱是實施教育思想與教學計劃的基本保證，也是學生學習的指導性文件。我校近期對本科教學大綱進行了一次大修訂，以配合學校推進本科教育大類培養模式改革。在這一形勢下，我們對“數字圖像處理”課程教學大綱也進行了修訂。相對過去的教學大綱，新大綱的主要特點在于:①對推薦采用的教材進行具體分析，指出其優點及不足，供授課教師參考;②更為詳細地指出對各知識點的要求，并給出教學的重點與難點等提示性信息。

［1］魏廣芬等.“數字圖像處理”課程教學改革的嘗試［J］.南京:電氣電子教學學報，2009，31(6):24-25

［2］周海芳.“數字圖像處理”課程研討式教學［J］.北京:計算機教育，2010(24):93-97

［3］張坤華，紀震.“數字圖像處理”可視化教學體系探索［J］.南京:電氣電子教學學報，2007，29(1):113-115

［4］R.C.Gonzalez，R.E.Woods.Digital Image Processing(2nd edition)［M］.北京:電子工業出版社，2007

［5］R.C.Gonzalez，R.E.Woods，S.L.Eddins.Digital Image Processing Using Matlab［M］.北京:電子工業出版社