遙感專業《數字圖像處理》課程教學探討

劉春國，韓瑞梅，盧曉峰

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作454000)

遙感專業《數字圖像處理》課程教學探討

劉春國，韓瑞梅，盧曉峰

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作454000)

《數字圖像處理》是遙感科學與技術專業的一門專業必修課程。根據專業特性、課程體系和課程教學的要求，從課程教材和教學內容、方法和手段、實踐教學等方面介紹了在遙感科學與技術專業開設《數字圖像處理》課程的教學實踐，并指出了進一步加強數字圖像處理教學努力的方向。

數字圖像處理，遙感科學與技術，課程教學

數字圖像處理的應用已滲透到遙感、通信、航空航天、軍事、安全保護等國民經濟的許多領域。利用數字圖像處理技術方法處理和分析遙感圖像；讓其服務于土地測繪、國土規劃、環境監測、災害治理等領域，已成為業界常態。遙感科學與技術本科專業開設《數字圖像處理》課程，既可以讓學生掌握數字圖像處理的基本原理和方法，也可以為學生進一步學習數字攝影測量學、遙感原理與應用等課程奠定知識基礎。如何保證和提高《數字圖像處理》課程的教學質量，是授課教師必須認真對待的問題。筆者結合遙感科學與技術本科專業《數字圖像處理》課程教學實踐活動，從教材建設，教學內容、方法和手段，實踐教學等環節進行了一系列探索，力爭提高課程教學質量。

1 教學用書及輔助用書的確定

教材是反映教學內容和課程體系的重要標志，是提高教學質量的重要保證[1]。根據培養目標和專業課程體系，《數字圖像處理》課程教學的基本要求是：了解數字圖像處理的基本概念、原理和方法，了解圖像處理技術相關領域進展，初步掌握利用計算機語言進行圖像處理編程。筆者在教學實踐中根據教學要求和各個教材的特點確定了教學用書和教學輔助用書。

1.1 教材內容體系與教材選擇

數字圖像處理學是一個綜合性新興邊緣學科，應用領域廣泛，各種新理論、新方法不斷推出，教學用書也越來越多。有些教材側重于概念、原理、方法和算法導出，由于理論深奧，教材晦澀難懂，不利于初學者建立對圖像處理知識體系的認知；有些教材側重于圖像處理工具軟件或軟件包的介紹或者程序開發，系統性不足；還有些教材在介紹數字圖像處理基本原理基礎上，附加了行業應用的實例。縱觀數字圖像處理各種教材，基本內容比較固定，可分為基礎知識、圖像預處理、圖像分析和圖像理解。基礎知識包括緒論、色度學基礎和基本概念；圖像預處理包括圖像變換、增強、恢復、壓縮、重建等；圖像分析包括圖像分割、描述和特征提取等；圖像理解包括圖像匹配與模式識別。

經過多年教學實踐，比較不同教材的特色后，筆者選用武漢大學出版的《數字圖像處理》作為教學用書。這部教材以當今數字圖像處理領域的重要內容為基本構成，以內容的基礎性兼顧方法的先進性為原則[2],主要包括圖像數字化、影像直方圖、圖像文件格式、圖像變換、空間域和頻域增強處理、圖像復原、圖像壓縮編碼、廣義圖像處理中的邊緣檢測和區域分割、二值圖像處理、紋理分析、模板匹配與模式識別等，內容比較系統完整，有利于學生較好地把握數字圖像處理的整個知識體系；還涵蓋了一部分圖像處理前沿知識，如小波分析、分形特征提取、多分辨率分析、馬爾科夫隨機場和神經網絡等，具有一定的深度、廣度和新穎性[3]，有利于學生在學時有限情況下了解數字圖像處理的一些新理論和新方法。教材中介紹了圖像HSI彩色變換、密度分割、圖像代數處理、圖像紋理分析、圖像幾何校正、多源圖像融合變換等在遙感圖像處理分析中的重要作用，這便于教師講授數字圖像處理技術在遙感技術行業的應用，有專業針對性，學生易于接受。

1.2 教學輔助用書

在教學中適度引進世界著名高校的名牌課程教材和教學參考用書的工作已經引起我國高等教育界的重視，也是高等教育國際化的重要舉措[4]。筆者考慮到不同教材內容體系和理論深度上的差別、課程理論和實踐的特點，指定國外部分經典教材作為教學輔助用書供學生自學使用，如K.R.Castelman著的《數字圖像處理》、R.C.Gonzalez著的《數字圖像處理》及《數字圖像處理（Matlab版）》。為幫助學生了解圖像處理技術在遙感圖像處理與分析中的作用，指定J.R.Jensen所著的《遙感數字影像處理導論》一書作為教學參考書，提高了學生學習《數字圖像處理》課程的專業積極性。

2 教學內容的調整優化

《數字圖像處理》課程理論較深奧，涉及的知識比較廣，包括光學、色度學、信息論、線性變換、概率論、計算幾何學、數學形態學、分形、隨機過程等，很多開設該課程的本科專業并沒有系統地學習過以上課程。對于遙感科學與技術專業的學生來說，只有高等數學、物理學、線性代數、概率論、數理統計等知識儲備，在學習時感到概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握，接受課程內容的難度很大。受課時所限，教師也不可能有充分的時間為學生補充相關知識，講授起來也比較困難。因此，根據專業課程設置和學生特點適當調整優化教學內容是必要的。

兼顧學科的完整性、系統性、學時、學生知識儲備和專業特征，對教學內容做了調整優化，部分內容重點介紹，部分內容進行壓縮或略講，并補充一部分教學內容。教學內容分為：第一講，數字圖像處理基礎。它介紹了人眼視覺特性、數字圖像獲取、圖像數字化和量化、數字圖像類型、數字圖像處理系統構成、數字圖像文件格式、數字圖像直方圖和數字圖像處理的基本算法形式。為了使學生較好地理解圖像數字化原理，可以補充部分數字化器和奈奎斯特采樣定理知識。第二講，圖像變換。它是數字圖像處理學科很多方法的理論基礎，應當講好這一內容。圖像變換理論較深奧，對數學基礎要求高，而遙感科學與技術專業學生先期沒有修習信號與線性系統理論。因此，筆者重點選擇點源概念和delta函數性質、二維線性位移不變系統、連續傅里葉變換、離散傅里葉變換及其性質作為教學內容；而其他如沃爾什變換、哈達瑪變換、余弦變換、小波變換等作為學生自主學習內容。教學中增加了分配函數概念，線性系統描述、概念和一維線性系統性質等內容；并聯系高等數學中的傅里葉級數介紹了傅里葉變換的原理和性質，降低學習難度，以強化學生對于傅里葉變換是時空域到頻域轉換的有力工具的認識為教學目標。第三講，圖像空間域增強。它包括灰度變換、直方圖處理、空間濾波、空間域代數運算。第四講，圖像頻域增強。它簡單介紹了頻率增強技術原理、方法和濾波器技術。第五講，彩色圖像增強。考慮到彩色圖像處理技術在遙感科學技術中應用的廣泛性，介紹了空域和頻域偽彩色圖像增強、彩色圖像合成和顯示、圖像表色系和彩色圖像變換內容。第六講，圖像復原與重建。它簡單介紹了數字圖像恢復原理，重點講解圖像幾何變換和幾何校正原理與方法。第七講，圖像分割。它主要介紹邊緣檢測與邊界跟蹤、線檢測、區域分割、區域增長和分裂合并方法。第八講，二值圖像處理與形狀分析。它包括二值圖像的概念、圖像形態學處理的基本方法和算法、對象的表示方法和描述技術。第九講，圖像紋理分析。它主要介紹圖像紋理的概念和灰度共生矩陣紋理分析方法。圖像壓縮編碼及圖像模式識別的內容作為學生課余自學內容。

3 改進教學方法和豐富教學手段

大學本科教學方法是教學過程中最重要的組成部分，也是人才培養方法在教學過程中的具體化[5]。影響課堂教學效率的因素很多，學生學習能動性是最為關鍵的要素。對大部分學生而言，高等教育階段也是其重要的社會轉型階段[6]。培養學生理論與實踐相結合解決實際問題的能力比傳輸知識更重要。

在教學過程中，要采用多樣化的教學方法和教學手段，調動學生學習自主性。課堂教學中，教師傳輸教學信息要增強信息感染力。注重教學互動,讓學生參與到教學過程中，綜合運用啟發式教學方法、問題式教學方法吸引學生注意力。傳輸知識過程中，注重理論聯系實際，使學生通過適當聯想來解決圖像處理問題，如講解灰度變換理論后，分別利用整體偏暗和特別明亮的圖像，讓學生思考采用什么樣的方法來改善圖像的顯示效果，通過學生積極參與和自主思維尋求答案，激發學習興趣，培養創新思維。利用案例式教學方法，結合遙感圖像處理科研實踐，使學生能夠了解圖像處理理論和所學專業知識的關系，加強對圖像處理技術專業應用的感性認識，提高學習自覺性。

區分知識難度層次，采用不同的教學方法。理論要求較高的知識，注意與先導課程和教學內容的銜接和平滑過渡；中等難度的教學內容，講解為主，適當設置問題，引導學生參與解決；對于難度小的知識，采用講解一個案例，討論式方法學習。

在課程教學中，多種教學手段并用。發揮多媒體和動畫技術直觀教學的優勢，展示圖像處理效果和編程處理實例，豐富教學信息量。對于重要算法原理、實現和計算推導等難度較大的內容，將傳統的板書和多媒體相結合，邊板書邊講解，與學生思維同步，最后采用多媒體課件進行總結歸納并利用圖形動畫演示結果。在教學過程中，引入Matlab工具箱，建立Matlab實驗平臺，化抽象為直觀，展示圖像處理效果，也供學習圖像處理算法分析使用。

4 實踐教學探討

教學質量的提高、教學效果的加強和高素質人才的培養不是只靠理論教學就可以達到的，它們同樣離不開與理論教學同等重要的實踐教學[7]。《數字圖像處理》是一門理論性和實踐性都很強的課程。日常教學中，筆者通過多媒體課件展示實驗案例，分析算法過程，加強學生對解決圖像處理實際問題的感性認識；針對典型圖像處理方法開設實驗課程，讓學生基于所學，編寫圖像處理小程序來鞏固所學知識，培養動手能力；開設圖像處理課程設計，分層次設置實驗項目，以VC++作為開發工具，從底層代碼編寫出發提高學生的實踐創新能力；改革實踐教學考核方式，以實驗答辯代替實驗考核。

5 結語

通過不斷實踐探索，遙感科學與技術專業的《數字圖像處理》課程教學質量在穩步提升。學生普遍反應基本掌握了圖像處理知識原理，程序編制和調試能力顯著提高。

《數字圖像處理》課程教學實踐仍須不斷加強，從教學內容、教學團隊、多媒體課件研制、實驗平臺和實驗項目、試題庫、遠程教學、學生參與科研項目等多方面加強課程建設，豐富教學手段，提高教育質量。

[1] 吳平.創造性人才培養與教材建設[J].高等理科教育，2001,4: 65-66

[2] 賈永紅.《數字圖像處理》課程的建設與教學改革[J].高等理科教育，2007,l:96-98

[3] 賈永紅.數字圖像處理[M].武漢：武漢大學出版社，2010

[4] 于琳.大學生離外文原版教材有多遠[J].中國大學教學，2001,2: 37

[5] 趙晶.教與學的統一——淺議地球信息科學專業教學改革[J].高等理科教育，2010,4:82-84

[6] 李天文，張友順，吳琳.多媒體教學方法在地理教學中的反思與探索[J].高等理科教育，2004,4:98-101

[7] 朱正偉,劉東燕,何敏.加強高校實踐教學的探索與實踐[J].中國大學教學，2007,1:76-78

Teaching of Digital Image Processing Course in Remote Sensing Science and Technology Specialty

by LIU Chunguo

Digital Image Processing isone of the required professional courses of Remote Sensing Science and Technology Specialty.According to professional character,curriculum and teaching requirements,teaching practice was given,such as teaching material,teaching content,teaching skill,teaching method and experimental teaching.And several aspectsto strengthen in the teaching of Digital Image-Processing were brought out.

Digital Image Processing,Remote Sensing Science and Technology,course teaching

2011-11-17

項目來源：河南省教育廳自然科學研究計劃資助項目 (2011A420002)；河南理工大學教育教學改革研究資助項目 (2008JG035)。

P237

B

1672-4623(2012)03-0180-03

劉春國，博士，研究方向為遙感與地理信息系統。