圖像處理技術課程教學探討與實踐

張永梅 馬禮 何麗

摘 要： 分析了當前圖像處理技術課程教學的不足之處，給出了課程特點和教學內(nèi)容分析。從教材的選用和自主學習擴充性資料的選用、采用現(xiàn)代化教學模式與方法、加強實踐教學、改革考核評價方式四個教學環(huán)節(jié)進行了探討和實踐，取得了良好的教學效果。提高了學生學習的興趣和參與科研的積極性，以及解決實際問題的能力。

關鍵詞： 教學內(nèi)容； 教學方法； 考核方式； 實踐教學

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-76-02

Discussion and practice on "image processing technology"

Zhang Yongmei， Ma Li， He Li

（School of Information Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

Abstract： The disadvantages， the characteristics and the content of the current teaching for "Image Processing Technology" are analyzed. Four teaching procedures including the selection of textbooks and expansion materials for initiative learning， application of modern teaching models and methods， strengthening teaching practice and reforming appraisal methods have been discussed and practiced. The result shows that it has obtained better teaching effects， improved the students' interest in learning and motivation to participate in scientific research， as well as the ability to solve practical problems.

Key words： teaching content； teaching method； assessment way； teaching practice

0 引言

圖像信息是獲取信息的重要來源，圖像處理研究對于科學理論研究和工程應用有重要影響。研究圖像處理和通信是導向智能計算機、智能機器人或多媒體通信系統(tǒng)的必由之路。現(xiàn)有的圖像處理技術在很多方面給人們生活、學習、工作帶來極大的便利，如：視頻廣播、遙感圖像、醫(yī)學圖像（計算機X射線斷層掃描技術CT，以及核磁共振成像MRI）等，計算機的發(fā)展使處理更復雜的圖像成為可能。

圖像處理是計算機應用領域中的一個重要方面，是模式識別、計算機視覺、圖像通訊、多媒體技術等學科的基礎，是一門涉及多領域的交叉學科。在圖像處理技術課程的教學中，不但要讓學生掌握其基本概念和原理，還要讓不同層次的學生能夠理解和掌握圖像處理在其應用領域的最新發(fā)展，故傳統(tǒng)的常規(guī)教學已經(jīng)不能滿足課程的發(fā)展要求。目前的教學不足之處主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)的圖像處理技術教學大多數(shù)偏重于理論，缺乏圖像處理技術與實踐相結(jié)合的環(huán)節(jié)。本文結(jié)合計算機學科的特點和多年的教學經(jīng)驗，對圖像處理技術課程的教學模式與實踐進行了探討。

1 課程特點和教學內(nèi)容分析

人類通過眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。約有75%的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取的。圖像處理是利用計算機處理所獲取視覺信息的技術[1]。圖像處理技術的理論基礎涉及了眾多學科，包括數(shù)學、物理、信號處理和計算機科學等多個學科的知識，其內(nèi)容廣泛，理論抽象，不易理解。圖像處理技術還有很強的實用性，因此理論和實踐的結(jié)合是本課程的關鍵，注重基礎理論和技術的教學，以及加強學生實踐能力和課題研究能力的培養(yǎng)是本課程的主要教學目的。

圖像處理技術已經(jīng)成為眾多高校的一門重要課程，該課程主要介紹圖像的數(shù)學描述、圖像的數(shù)字化、圖像變換、圖像增強、圖像恢復、圖像編碼、圖像重建、圖像分割與邊緣提取、圖像的分析和識別等基本的圖像處理方法，使學生能熟練地掌握圖像處理的基本過程，并能應用這些基本方法開發(fā)圖像處理系統(tǒng)。通過這樣的內(nèi)容設置，使學生能夠真正掌握圖像處理技術的基本思想和技術，為深入學習打下堅實基礎[2]。

2 教學環(huán)節(jié)的探討和實踐

2.1 教材的選用和自主學習擴充性資料的選用

圖像處理技術發(fā)展日新月異，雖然該課程已經(jīng)有很多可選教材，但大部分教材內(nèi)容比較陳舊，許多新的算法，新的思想都沒有提到，學生無法從這些教材中獲取圖像處理最新的技術和發(fā)展趨勢，因此我們選擇了章毓晉編著、清華大學出版社的《圖像工程》系列教材。該教材全面介紹了圖像工程的第一層次——圖像處理，圖像工程的第二層次——圖像分析，圖像工程的第三層次——圖像理解的基本概念、基本原理、典型方法、實用技術以及國際上相關研究的最新成果。同時我們要求學生將國外的經(jīng)典圖像處理的書籍作為參考書目，如：Rafael C Gonzalez主編的《Digital Image Processing》，并建議學生關注圖像處理的一些重要期刊和國際會議，如：IEEE Transactions on Medical Imaging、IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence、IEEE International Conference on Image Processing、電子學報、CT理論與應用研究、模式識別與人工智能等。這樣學生能熟悉一些專業(yè)術語，了解最新的前沿動態(tài)，并具備一定的英文文獻閱讀能力，為今后的科研和工作打下了堅實基礎。

要求學生自主學習一些最新方法和技術，例如，深入分析中華人民共和國設計制造的玉兔號月球車的結(jié)構(gòu)，給出玉兔號月球車如何通過全景相機、測月雷達、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外光譜儀等儀器，對月表進行三維光學成像、紅外光譜分析，開展月壤厚度和結(jié)構(gòu)科學探測，對月表物質(zhì)主要元素進行現(xiàn)場分析等探測的原理和方法。又例如，探討將遙感圖像應用于5.12汶川大地震的方法，2008年5月14日上午，中國科學院的兩架高性能遙感飛機飛赴汶川，對地震災區(qū)開展遙感監(jiān)測和災情評估工作，這兩架飛機可分別提供高分辨率光學和雷達圖像，具有全天候快速獲取大面積災情數(shù)據(jù)的能力，探討如何根據(jù)汶川地震前、后圖像，給出建筑物、河流、山體等關鍵區(qū)域的變化檢測結(jié)果，為國務院和相關部門的抗震救災工作提供咨詢服務和決策依據(jù)。

2.2 采用現(xiàn)代化教學模式與方法

為了使復雜的算法和抽象的知識更加形象化，便于學生理解和提高學習興趣，我們充分運用現(xiàn)代電子技術、工具和方法，采用多媒體形式進行課堂教學，利用VC、MATLAB編寫一些典型的圖像處理程序，并在課堂上演示這些程序，增加了課堂的信息量，提高了學生的學習興趣，激發(fā)了學生自主學習，同時也為實驗環(huán)節(jié)的開展奠定了一定的編程基礎[3]。

此外，我們深入分析MOOCs、SPOCs以及“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式等國際流行教育新概念，嘗試開展圖像處理技術的MOOCs，包括從課堂教學、學生學習進程、學生的學習體驗、師生互動過程等教與學過程的完整系統(tǒng)在線實現(xiàn)。MOOCs是一個改變學習方式的時代產(chǎn)物，受到全球各地的重視。國內(nèi)教育部三個教指委（計算機類專業(yè)、軟件工程專業(yè)、計算機課程）2013年底專門召開會議研討MOOCs。我們建立了校內(nèi)MOOCs平臺并對學生開放，將其作為課堂外學習的有效補充，這樣可以方便學生隨時隨地學習，或者進行預習和復習。我們嘗試了結(jié)合圖像處理技術的MOOCs，探索創(chuàng)新教學模式與方法，穩(wěn)步提高教學質(zhì)量。

2.3 加強實踐教學

圖像處理技術可以廣泛應用于數(shù)字電視、視頻通話、宇宙探測、自然災害預測、環(huán)境污染的監(jiān)測、氣象云圖等應用領域，而教材一般只涉及到理論知識和算法，或者是對應用的簡單介紹，對其設計實現(xiàn)介紹得很少，所以必須加強實踐教學，將理論與實踐結(jié)合起來，使理論指導實踐，實踐加強理論[4-5]。要求學生利用VC或者MATLAB進行實際程序設計，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，具備圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)能力。

根據(jù)課程的教學要求設置了四個課外實驗。①圖像變換實驗。要求對輸入的圖像，分別采用傅里葉變換、離散余弦變換、小波變換進行圖像變換，分別給出變換前后的圖像，并分析圖像變換前后的視覺效果。②圖像增強實驗。將給定的圖像進行增強處理，要求至少使用線性變換增強、對數(shù)變換增強、指數(shù)變換增強以及偽彩色增強處理，分析增強后的視覺效果。③圖像編碼實驗。將給定的圖像進行壓縮處理，要求采用 Huffman編碼方法，并計算壓縮比。分析圖像壓縮后的視覺效果，并對圖像壓縮效果進行客觀評價。④圖像分割與邊緣提取實驗。分別利用邊緣檢測法、閾值分割法進行圖像分割；分析圖像分割后的視覺效果。學生完成所有實驗后，我們安排了實驗指導課，解決學生在實驗中遇到的問題，進一步提高學生的算法設計能力和編程能力。

在課程教學中，我們還安排了三次專題討論課，由教師指定具體題目，學生通過查閱相關文獻，深入分析基本原理和方法，設計相應的算法，編程實現(xiàn)，并給出實驗結(jié)果及分析，充分調(diào)動學生學習的積極性，提高學生利用理論知識解決實際問題的能力。三次專題討論課分別是：

⑴ 數(shù)字圖像表示及其處理專題討論課。題目為：用VC或者Matlab實現(xiàn)常見圖像文件格式的顯示；常見的圖像文件格式，以及用VC或者Matlab實現(xiàn)圖像格式轉(zhuǎn)換；給出國內(nèi)外先進的圖像處理系統(tǒng)軟、硬件，名稱、作用，以及先進性的體現(xiàn)。

⑵ 圖像變換專題討論課。題目為：給出小波變換常用的小波基的基本原理、具體應用，以及用VC或者Matlab的具體實現(xiàn)；給出小波變換、脊波變換、子波變換的基本原理、具體應用，用VC或者Matlab的具體實現(xiàn)；給出小波變換以及小波變換在圖像處理中的具體應用，以及用VC或者Matlab的具體實現(xiàn)；給出快速傅里葉變換算法的具體內(nèi)容，以及時間復雜度或者運行時間的分析。

⑶ 圖像編碼專題討論課。題目為：給出小波變換圖像編碼的基本思想與特點，編碼中需要解決的問題，實驗結(jié)果及分析；給出基于感興趣區(qū)域的小波圖像編碼方法的基本思想，具體步驟，實驗結(jié)果及分析；給出幾種圖像編碼質(zhì)量評價方法，具體實現(xiàn)，實驗結(jié)果及分析；給出基于子波變換的圖像編碼基本思想與特點，具體步驟，實驗結(jié)果及分析。

此外，鼓勵學生積極參與本校教師主持的科研項目，如國家自然科學基金、863項目、科技支撐計劃，以及北京市自然科學基金等項目。這些項目涉及到視音頻檢索、視音頻理解、視音頻處理、網(wǎng)絡信息分析、文字處理、信息檢索、網(wǎng)絡行為分析、圖像識別等研究方向。通過參與項目，系統(tǒng)地鍛煉了學生的科研能力和思維創(chuàng)新能力，也為今后的科研工作打下了堅實基礎。

2.4 改革考核評價方式

考核是對學生學習成果的檢驗，考核目標不僅要檢驗學生對課堂教學內(nèi)容的掌握程度，而且要對提高學生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力起到作用。為了避免出現(xiàn)平時不努力，考前突擊的情況，我們對傳統(tǒng)的考核方式進行了改革。本課程的考核由兩部分組成：平時成績（占30%）和期末考試成績（70%）。將平時的上課出勤、作業(yè)、實驗和專題討論成績列入平時成績。在整個教學過程中，嚴格要求學生，使學生重視教學的各個環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語

隨著信息技術的不斷發(fā)展和完善，圖像處理技術也越來越多地運用在各個領域，因此圖像處理技術的課程教學也應該不斷發(fā)展。本文對圖像處理技術課程的教學內(nèi)容、教材選擇、教學方法和考核方式進行了探討，提高了學生學習的興趣和參與科研的積極性，以及解決實際問題的能力，為學生學習圖像處理新方法奠定了理論基礎，為他們進一步開展相關方向的研究和應用打下了良好基礎。今后將進一步研究圖像處理技術的教學方法，并將理論與實踐緊密聯(lián)系起來。

參考文獻：

[1] 章毓晉.圖像工程（上冊）：圖像處理（第3版）[M].清華大學出版社，

2012.

[2] 黃朝兵，楊杰.圖像處理課程教學體系的探索與實踐[J].電氣電子教

學學報，2012.34（2）：17-19

[3] 李向群，王書文.《數(shù)字圖像處理課程》的教學改革[J].微計算機信息，

2010.26（3）：212-214

[4] 陳青.“數(shù)字圖像處理”教學中思維能力培養(yǎng)的實踐[J].上海理工大學

學報（社會科學版），2013.35（4）：356-359

[5] 黃美麗.“數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘”研討型教學實踐探析[J].計算機時

代，2012.12：52-53