基于虛擬儀器的“圖像檢測技術”課程改革研究

摘要：分析探討了“圖像檢測技術”課程學習的難點，從實踐教學出發研究了本課程建設的基本思路。通過采用LabVIEW軟件平臺，構建PC-DAQ系統，開發輔助教學軟件系統，改革考核方式。該課程改革，對于提高學生學習興趣、加強工程實踐應用能力以及培養創新型人才具有重要意義。

關鍵詞：圖像檢測技術；課程改革；虛擬儀器；LabVIEW

作者簡介：程瑤（1981-），女，重慶人，重慶理工大學電子信息與自動化學院，講師；彭東林（1952-），男，重慶人，重慶理工大學信息與自動化電子學院，教授。（重慶400050）

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）16-0060-01

虛擬儀器是現代測控技術、計算機技術和電子儀器結合滲透的產物，它以軟件取代傳統的電子儀器，突破系統儀器在數據的表達、分析、處理、傳輸、存儲等方面的限制。利用學校虛擬儀器聯合實驗室成立的契機，將虛擬儀器技術應用在“圖像檢測技術”課程中，可充分利用虛擬儀器技術為課程教學提供新的思路，從實踐教學出發，建設課程的基本思路打破了傳統的教育模式，提高課程教學效果與質量。

一、學習課程的難點

“圖像檢測技術”是一門多學科交叉、理論性和實踐性都很強的綜合性課程，是研究數字圖像檢測與處理的基本理論、基本方法及其在智能化檢測中應用的學科。該課程的內容煩瑣，算法及數學公式多，并具有理論上的抽象性和應用上的復雜性的特點，因此對教師課堂講授和學生學習的難度都較大。學習該課程主要有以下幾個難點：

1.涉及的基礎知識點多

本課程包括了圖像的采集、圖像的處理、圖像的顯示及應用，涉及的基礎知識點多。該課程的圖像采集等，是以硬件采集的形式來實現；而圖像處理算法往往以數學公式的形式引出，以軟件編程來實現。本課程需要用到的基礎知識點和專業知識點多，學習時需要有扎實的數字基礎、信號處理基礎、光學基礎以及圖像傳感器基礎知識等。因此要學好本課程，需要學生先修“高等數學”、“線性代數”、“工程光學”、“數字信號處理”、“圖像傳感器原理及應用”等課程，需要學好一些相關的先修課程打好基礎，要有扎實的數學及專業基礎。

2.圖像處理的算法多而難理解

本課程著重介紹圖像的處理，包含圖像的去噪、增強、校正、分割及分析等，每種處理方法又包含了各種算法，涉及的算法非常多，包含數學公式多。由于圖像信號是以二維數據的形式采集，在處理時需要分別對行、列數據進行運算處理，對學生來說，看見一堆數學公式往往覺得晦澀難懂，難以理解透徹算法的實質。

3.圖像處理前后的效果對比抽象

要理解透徹圖像檢測的算法，需要對處理前后圖像的變化有個直觀的認識。本課程傳統的教學模式是通過講解算法的公式來說明圖像的處理方法，處理前后圖像的對比常常以一兩幅圖片以灌輸方式講解給學生，學生往往對圖像處理的方法覺得比較抽象，對處理后的效果一般只能有個淺顯的認識，難以理解透徹處理圖片。

二、虛擬儀器及LabVIEW

虛擬儀器是在以計算機為核心的硬件平臺上，通過配置I/O接口設備，將采集到的信號送往計算機，利用計算機顯示器來模擬傳統儀器的控制面板，通過用戶編寫不同測試功能的程序對采集到的信號分析、處理并顯示。[1]

不同儀器的實際功能通過不同的程序來實現，軟件是虛擬儀器的核心，儀器的功能由用戶在軟件平臺上編程實現。[1]信號的分析、計算、統計和結果顯示等繁雜的工作都交由系統的軟件處理。

NI公司的圖形化編程語言LabVIEW提供了強大的科學運算、靈活的程序設計流程、高質量的圖形可視化與界面設計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。[2]用戶界面直觀、友好、容易操作，通過相關的軟件即可實現不同的信號拾取、分析系統和其他分析功能的擴展。利用LabVIEW編程設計，可實現圖像的采集、處理及顯示功能，且對學生來說，學起來容易上手。

三、課程教學改革思路

針對課程存在的難點及特點，僅僅紙上談兵是不夠的。將虛擬儀器技術引入課堂，并貫穿始終，可以化過去的“耳聽為虛”為現在的“眼見為實”。應用虛擬儀器技術，基于LabVIEW軟件平臺對“圖像檢測技術”課程實行改革，提出了從實踐教學出發的課程建設的基本思路。

1.構建PC-DAQ系統

PC-DAQ系統是構成VI最基本的方式，它是以數據采集板、信號調理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統。這種系統采用PCI或ISA計算機本身的總線，將數據采集卡（DAQ）插入計算機的PCI或ISA插槽中。

本課程利用構建的PC-DAQ系統，利用NI公司的采集卡，在LabVIEW軟件平臺上編寫采集時序控制及驅動程序，即可實現對線陣或面陣圖像傳感器的圖像采集。

在課堂上，可通過采集演示實驗，學生能直觀觀察到圖像采集的過程，從而可以對圖像采集的方法和圖像傳感器工作的時序加深印象，并能深刻體會。也可以讓學生自行編程設計驅動時序及采集時序，通過動手做來學習并理解圖像采集的設計。

2.開發輔助教學軟件系統

在教學中，除了采用普通的多媒體教學手段以外，每次講到一個知識點時，演示一下仿真程序，把該門課程的應用引入到課堂，以便用來增強學生對抽象的理論原理與實際仿真效果相結合的理解力。

利用虛擬儀器系統，基于LabVIEW軟件平臺開發輔助教學軟件系統。該系統將圖像處理的算法編寫成程序，通過工具欄能夠選擇各種算法，并在軟件平臺上顯示出處理前后的圖像，并能作對比。

利用該系統可在課堂教學中將圖像處理算法的運行效果動態地展現給學生，可以對任意一幅圖像進行處理及顯示，還能對同一幅圖像選擇不同的算法來進行處理及顯示，通過顯示圖像的不同對照各種算法之間處理的區別，體會各種算法的優缺點。例如對同一幅圖像，選擇平滑處理后圖像變模糊，選擇銳化處理后圖像會突出邊緣輪廓線，通過直觀的圖像觀察即可理解算法的實質，從而將枯燥的理論推導轉化為立竿見影的實際操作，大大增加了課堂的信息量，激發學生的學習興趣，實現了化靜態為動態，化抽象為直觀，化復雜為簡潔，從而使課堂教學效果大為提高。

3.改革考核方式

為了培養學生的自主學習及創新實踐能力，本課程評分機制是將平時出勤情況、作業成績、設計成績及考試成績等進行量化，納入最終成績的綜合評核。[3]學期初就規定好課程的評分機制，特別是對設計成績的考察。

在教學中對學生進行分組，根據學生自身情況和喜好自由組合，一般3～4人一組。布置適當的設計題目，為學生提供自己創造的空間。要求學生利用課余時間，以小組為單位選題，小組內分工合作，完成設計題目如補充設計中值濾波算法、基于LabVIEW的平滑處理、CCD線陣驅動程序設計、CCD圖像采集時序電路設計等。設計題目要求學生通過LabVIEW軟件進行圖像處理源代碼的修改補充，或自主實現一些較為簡單的算法，比如平滑算法等。也可以要求學生設計圖像采集的時序控制或驅動程序。讓學生自己去查資料，鼓勵學生自己動手編程，調試程序。這樣既可實現對課上學習內容的復習鞏固，又能夠促進學生課外自學，加深學生印象。可培養學生的創造性思維，激發學生的創造能力，又使學生對該門課程有了更高的興趣。[4]促使學生主動思維，成為真正的主體，教師還可以根據學生反饋的信息把握學生思維的進程，成為真正的主導。

對于那些無法在課程設計中完成的內容，比如一些計算或概念題目，圖像檢測的數學推導，圖像檢測的標定、誤差分析、工程應用等，教師將其設計成課后作業，要求學生提交作業，作為平時作業成績。

四、結論

針對目前“圖像檢測技術”課程教學的現狀及具體特點，結合教學實踐，提出了一系列改善教學效果的思路舉措。教學實踐結果表明，這種改革方法不但加強了學生理論知識的學習，還突出了學生的工程意識、創新意識與綜合設計能力，使學生的信息綜合設計能力和創新能力、科學研究能力都有了明顯的提高，從而提高了該門課程的教學效果。

參考文獻：

[1]李旗，李幫華.虛擬儀器在測控實驗室中的應用[J].實驗室研究與探索，2002，(6):51-53.

[2]張丹，黃惟公.基于LabVIEW與Proteus的教學測控系統設計[J].上海計量測試，2008，(3):14-16.

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

[4]李熙瑩.“數字圖像處理”課程設計與學生實踐動手能力的培養[J].計算機教育，2008，(8):17-18.

（責任編輯：宋秀麗）