《數字圖像處理》課程教學探討

摘 要：數字圖像處理課程具有內容豐富、覆蓋面廣，兼具理論性和實踐性的特點，本文結合信息類專業和圖像處理學科的教學科研工作，針對目前《數字圖像處理》課程存在的幾個典型問題，根據本課程的特點進行了梳理和綜合分析，探討了《數字圖像處理》課程的教學改革和實踐，經過3年來的教學實施， 取得了良好的教學效果。

關鍵詞：數字圖像處理 教學方法 信息科學類

中圖分類號：G642文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0145-02

隨著現代信息技術的快速發展，圖像處理越來越廣泛的應用于軍事目標識別、智能交通、醫學圖像重建、社會事務管理、生物特征識別，以及互聯網相關產業等諸多領域，越來越多的研究者更加關注圖像處理領域的研究工作。而高等教育要與實際應用緊密聯系，“數字圖像處理”這們課程在高等學校信息類電子信息類專業也具有越來越重要的地位。

“數字圖像處理”的教學目的是使學生了解和掌握數字圖像處理的基本概念與主要內容，為今后的深入研究和開發工作打下良好的基礎，基本教學內容包括圖像增強、圖像分割、圖像復原、圖像描述、圖像識別等理論和方法[1]。該課程主要闡述了數字圖像處理中的基本概念、基礎理論和常用算法，介紹數字圖像處理研究中的基本問題以及解決這些問題的原理和實現方法，使學生能夠編程實現簡單的圖像處理算法，能夠閱讀利用圖像處理文獻以解決實際問題。

“數字圖像處理”課程屬交叉學科，其起點高、難度大，即有較強的理論性，又和實踐結合緊密，歷年來的教學效果及考試情況表明，學生對本課程往往心存畏懼，教學上存在許多問題。比如：學生興趣不大、課堂效果不理想等等。因此，如何引導學生明確學習目的、轉變思想觀念，如何在教學過程中合理利用多重教學手段、靈活采用相宜的教學方法激發學生的學習興趣，成為今后教學中必須解決的問題。

1 傳統教學中存在的問題

總結過去幾年的教學實踐，筆者發現《數字圖像處理》的傳統教學模式存在著以下幾個問題。

1.1 數字圖像處理的課程體系尚不完備

圖像處理學科本身為交叉學科。與信息編碼、模式識別、信號分析多領域存在學術聯系，而課程內在耦合性并不強，目前還沒有一個完備的課程體系，許多教學實踐難以組織。一般認為，數字圖像處理包括圖像增強、圖像復原、彩色圖像處理、圖像壓縮與編碼、圖像分割、圖像描述與表達等章節，根據教材豐富程度的不同，可能還包括圖像的數據結構、圖像重建、圖像識別、圖像的小波分析，以及圖像的數學形態學處理。圖像處理內容龐雜，難度也偏大，在有限的教學時間內往往很難將全部內容講透，傳統的教學模式只能以理論介紹為主，忽視理論的實現步驟，造成學生在學習時普遍感到過于抽象，很難看到理論的實際應用效果。而且教師在課堂上講授知識點時，由于和實踐脫節，致使學生在一些繁雜的數學推導面前望而卻步，從而逐漸喪失學習興趣。

1.2 圖像處理課程的理論講授與應用實踐難以兼顧

圖像處理課程的許多內容，如圖像變換、圖像復原等章節，涉及到最優化問題、矩陣計算等相關理論。例如利用拉格朗日方法求矢量變量的條件極值問題、標量函數對矢量求導，雖然他們在高等數學、線性代數課程已學習過相關內容，但高等數學課程的教學實踐中沒有使用矢量表達方式。這些數學表達方式對于高年級本科生而言比較陌生，難以理解。而專業文獻、教材中多使用矢量表達方式，對于這樣的知識斷裂帶，本科生往往覺得相關數學知識過于深奧，從而產生畏難情緒，在教學實踐中，往往需要連接相關的知識斷點。

另一方面，圖像處理的許多內容是與實際應用緊密結合的，如圖像增強、圖像分割等內容，其許多理論內容具有相當的抽象性，而相關算法實驗結果卻十分的直觀，不僅有利于反映不同理論與方法的特點，也有利于學生對教授內容的理解。但在教學實踐中我們發現，盡管學過相關程序編制課程，絕大部分學生仍不會編制程序，許多學生甚至沒有掌握基本的編程概念。

因此，在“數字圖像處理”的教學實踐中，我們希望探索一種適合“數字圖像處理”教學的、新穎的教學模式，引導學生通過課堂學習、課后練習，進行廣泛的閱讀、思考、討論，并通過編程實踐進行驗證、實踐，以掌握教學內容，從而進一步提高教學質量。

2 教學改革措施

針對以上的問題，筆者在教學工作中不斷探索，分別從以下幾個方法進行教學改革并在教學實踐中取得了良好的效果。

2.1 將講授內容與實際應用結合起來

目前，幾乎不存在與數字圖像處理無關的技術領域，而在其學科發展初始，就得益于實際應用的推動，可以說，數字圖像處理是一門實踐性非常強的學科，然而，在傳統的工程技術人才的培養方式中，過分強調了專業知識的積累，使得學生形成了單一追求知識積累的習慣，對學習內容能夠記憶，、理解并能模仿性地應用。畢業之后，能做一般性的科學技術工作，但創造能力較差。這種學習模式也使得學生對專業課的學習缺乏興趣，從而產生厭學、逃課等學習現象。而我們知道，一切科學技術的探索和創新都起源于興趣，因此，激發學生學習本課程的興趣和熱情是任課教師首先要解決的問題[2]。

數字圖像處理這門學科與我們的生活結合的如此緊密，了解數字圖像處理專業知識對于將來從事的工作的重要性，讓書本上生硬枯燥的理論鮮活起來。比如，在數字圖像處理緒論教學中，可以重點介紹數字圖像處理在醫學圖像處理、智能交通監控、基于圖像的工業檢測、圖像壓縮在3G通信技術中的引用，不僅介紹其技術背景，還可介紹業內著名公司，簡單說明其技術現狀、發展前景以及薪酬水平等情況，以激起學生的學習興趣。

另一方面，在講授圖像處理相關領域時，可結合相關應用，如在講授圖像壓縮時， 可以將其與目前流行的3G通訊技術聯系起來，介紹圖像壓縮在其中的應用情況及相關的技術特點；在講授直方圖均衡化時可以講解它在相關技術領域，如指紋識別、人臉識別的圖像預處理。課堂教學除了圍繞基本理論和概念進行外，還可以穿插講解在科研中需要注意的相關知識。

2.2 注意數字圖像處理與先導課程的聯系

數字圖像處理是一門理論與實踐結合緊密的課程，其學習研究需具備較為全面的數學基礎，同時，我國目前的數學教學由于學時越來越少，內容愈來愈多，為完成教學任務，忽視了對現代數學表達的重要性，導致學生雖然能理解微積分、線性代數等工程數學的基本思想，但不熟悉不熟悉現代數學表達方法，從而不理解許多圖像算法的理論推導，針對這一情況，筆者總結出以下的解決方法。

（1）在講授需較深數學知識的相關內容時，預先講述相關數學內容。尤其是許多數學表達方法與學生在大一學習的微積分、線性代數表達方法不一致的情形。例如，在講述圖像復原的過程中，我們發現同學們由于對向量變量操作的不熟悉，他們對基于多維向量的拉格朗日算法不理解，不理解其推導過程，也不明白算法的具體步驟。為此，我們通過對高等數學中偏導數、拉格朗日方法等數學知識的復習，并用向量形式重新表述，告訴學生對矢量求導，其實就是我們學習過的多元微積分的偏導數，對于標量對矢量求導的概念與方法，學生以前沒有學習過，可以結合微積分與線性代數，通過數學推導的方法，讓同學了解這種方法的實質與表達的便利。這種處理方法，不僅能充分說明圖像復原的原理過程，同時也拓展了學生的數學視野，對學生進一步深造也有幫助。

（2）數字圖像本身是一種二維數字信號，其里面的許多內容都可以在《數字信號處理》、《信號與系統》等先導課程里面找到相關的概念，例如在推導圖像的退化模型時，我們發現其就是在信號與系統里面學習過的線性時不變系統，同時我們還能研究其物理意義，以及相關物理意義與數學抽象模型之間的關系，從而不僅更刻的理解《信號與系統》的相關內容，同時也學習了具體專業應用中，對影響模型表達的現實因素的取舍依據。

（3）對于某些內容可根據教學內容做適當取舍與調整，例如，對于數字圖像直方圖的表達，只需要理解直方圖的定義與求法，對其繁瑣的數學表達就不做要求了。對于圖像分割，重點在于理解算法，對于其形式化表達就不做具體要求。

2.3 采用“互動式”教學方法

數字圖像處理內容繁多，理論基礎較深，存在較多的數學推導，傳統“注入式”的教學方法使得課堂教學枯燥乏味，且收效甚微。為了解決這一問題，筆者在教學過程中不斷摸索，總結出一種“互動式”教學法[3]。

一般來說，在課堂講授中，可將整個課堂講授分為若干相對獨立的小節，每個小節講授結束時，可要求學生提問，引導學生積極參與教學活動，給學生提供獨立思考、親身體驗的機會，體驗其中的樂趣和成就感，如果內容較為模型，學生提不出有價值問題是，也可以向學生提問，掌握學生的學習狀態，再針對性的進行講解。

其次，每次講解新內容之前，以提問的方式對上一節的重點內容進行總結回顧，另外，在教學過程中根據教學重點有針對性的選取部分圖像處理算法，如OTSU圖像分割方法，鼓勵學生毛遂自薦，在黑板上當堂完成偽碼算法，同時可要求其余的同學對其算法進行點評，找出問題并給出修改意見。不僅活躍了課堂氣氛，又鍛煉了同學的編程能力，還加深了學生對重點和難點知識的理解和認識[4]。

3 結語

本文中，筆者根據《數字圖像處理》的專業特點，針對傳統教學中存在的問題，結合教學實踐，提出了相應的教學改革的方法。有效的提高了學生的創新能力、科學研究能力，有助于擴大學生的就業面。以上對教學改革的一些探索和嘗試，在教學過程中取得了良好的教學效果。但教學改革是一項系統工程，本文的探索還處于初期，在以后的工作中還有許多的問題有待解決，要在不斷的探索與實踐中得到完善和提高。

參考文獻

[1]岡薩雷斯.數字圖像處理[M].3版.北京：電子工業出版社，2011.

[2]劉詠梅，歐陽慧，張國印.“數字圖像處理”雙語教學中的幾點體會[J].計算機教育，2009（6）：32-33.

[3]胡伏原，王儉.數字圖像處理教學改革探索[J].中國科技信息，2009（14）：248-249.

[4]鄭旭媛，胡春紅，肖振國.醫學圖像處理課程設計教學模式探索[J].科技創新導報，2011（31）：167.