數字圖像處理課程的多視圖模型

潘翔　趙小敏

摘 要： 工科教學的一個難題是激發學生興趣，提高其獨立學習和設計能力。以數字圖像處理這一課程為實施對象，提出了以理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線的多視圖教學模型，以解決該課程原有教學模式方法單一、過程枯燥等問題。采用該模型取得了較好的教學效果，實現數學理論模型和編程技術的一體化建模：學生不僅能夠理解如何采用數字圖像處理的基本理論進行工程應用，而且能夠掌握圖像處理基本編程能力。

關鍵詞： 多視圖模型； 數字圖像處理； 教學模式； 工程應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：B 文章編號：1006-8228（2014）01-72-02

0 引言

當前，教育部正在啟動 “卓越工程師”計劃，其目標是使大學生具有優秀的工程研發能力[1]。因此，需要在高校教學中進一步深入課程改革，在教學過程中引入工程化培養思想，提高大學生的工程開發能力和分析、解決問題的能力。

隨著數字化技術和計算機軟硬件的發展，數字圖像已經成為一種重要的信息載體。以數字圖像為研究對象的數字圖像處理課程逐漸成為軟件工程、信息、機電、計算機和生物醫學等專業一門非常重要的專業課[3]。在實際教學過程中，由于數字圖像處理內容的理論性較強，很多學生認為這門課程很難學，而且學了之后又很難應用所學的知識去解決實際問題，因而失去了繼續學習的信心。另外一方面，部分學生能夠在考試中取得較好的成績，但是面對實際問題卻無從下手，形成典型的“高分低能”。顯然，這種教學模式難以培養出適應卓越工程師系列人才。因此本次課程實踐改革以“數字圖像處理”課程為改革試點，貫徹卓越工程師理念，培養學生分析解決問題能力和工程實施能力[4-5]。

本項目針對當前數字圖像處理課程教學中存在的問題，以卓越工程師為培養目標，根據數字圖像處理流程具有不同表達方式這一顯著特性，提出以數字圖像處理理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線，結合數字圖像工程案例，面向數字圖像處理課程建立多視圖立體教學模型。項目實施解決了數字圖像處理已有教學方法存在模式單一、教學過程枯燥等問題。在教學效果上，學生不僅能夠理解如何采用數字圖像處理的基本理論解決工程實際問題，而且能夠掌握圖像處理基本編程能力，實現數學理論模型和編程技術的一體化建模，大大提高了學生的工程能力。

1 啟發式的多視圖教學模型

目前，圖像處理教學過程存在的主要問題是數學描述過于抽象，學生不易理解。如果單純采用這種理論模型，由于理論過程的抽象性，容易導致學生失去學習興趣。如何把數學模型應用于工程問題也是工科學生的一個薄弱環節。學生雖然知道直線方程、最小二乘、偏導等基礎理論，但是普遍缺乏針對工程問題的快速聯想，缺少理論聯系實際的經驗和能力。本項目采用啟發式教學，引導學生用數學理論基本知識解決數字圖像處理問題，能夠有效提高學生數學分析能力。因此，本文在強調數字圖像處理理論模型基礎上，針對數字圖像處理信息表達方式的多樣性這一特點，提出結合編程模型、可視化模型形成豐富的多視圖立體教學方案，以激發學生學習興趣，幫助學生提高解決問題的能力。

面向數字圖像處理課程的多視圖教學模型的整體方案如圖1所示。整個模型在傳統的數學模型基礎上，引入了可視化模型和編程模型。采用可視化模型可以有效地和啟發式教學方法相結合，通過圖像處理效果可視化模型引導學生進行問題思考，形成圖像處理效果的逆向分析模型。采用這種編程模型主要是考慮圖像處理課程作為一門學科專業課，大部分學生已經有了較好的編程基礎，這種編程模型可以讓學生進一步消化前面程序類課程的教學內容，并掌握數字圖像處理基本編程技術。通過數字圖像處理工程案例，提高學生的圖像處理技術綜合建模能力。

本文提出的啟發式的多視圖立體教學模型分為：問題引入、學生分析思考、視覺模型理論化、程序模型重現視覺結果等四個步驟。

⑴ 問題引入。在問題引入上，結合逆向思維方法，通過數字圖像處理工程案例的可視化結果，引導學生思考分析，說明課程知識點的目標和工程應用，激發學生興趣。

⑵ 學生思考與討論。讓學生對視覺效果進行分析討論，從視覺感知中形成基本思路，形成算法的最終目的。

⑶ 視覺模型理論化。在上述討論分析后，教師對視覺模型進行啟發式引導，肯定學生的思維結果，并逐步給出理論模型，從而把視覺模型上升到理論模型。

⑷ 程序模型重現視覺結果。為了進一步鞏固上述教學過程效果，也是讓學生學會自我設計和驗證的能力。給出程序部分代碼，并重現出視覺效果，完成整個教學過程。

2 教學案例設計

為了進一步介紹多視圖立體教學模型，本節針對圖像處理課程中的“腐蝕”知識點進行案例設計和分析。腐蝕是數學形態學中一個非常重要的概念，而且在工程應用領域也使用較為頻繁。在視覺感知上，腐蝕就是把兩個具有粘連的區域分開。因此，我們以視覺感知為起點，以編程設計為終點，設計教學過程，從而使學生從不同角度去理解腐蝕的定義，實現課堂教學和工程應用的統一。

⑴ 引導學生分析觀察

在教學切入點上，我們首先給出一個細胞計數的圖像。采用圖像處理方法進行醫學分析已經是當前的趨勢。通過視覺可吸引學生的注意力。然后給出細胞計數的問題所在：由于存在過多的粘連，導致統計出來的細胞個數不準確，如何消除這些粘連。

⑵ 學生討論分析

對這個問題，讓學生觀察、討論和分析，充分發揮學生的主動性。有學生已經發現這些粘連具有一個非常明顯的特征，就是粘連部分都很細。如果能使這些區域一層層的減小，那么這些粘連部分首先被去除，而其他區域只是減少了面積。討論到這一步，已經基本上了揭示出了腐蝕的基本原理，此時可以考慮進行下一步數學理論分析。

⑶ 給出數學模型，從視覺分析上升到理論模型

在上述討論、分析的基礎上，首先肯定學生的分析成果，說明腐蝕的原理，然后給出腐蝕的數學定義：

通過上述對圖像的視覺觀察和討論分析，學生已經把腐蝕的概念和應用原理基本消化，對于腐蝕概念和相應的數學定義，已不會產生抵觸情緒，進而接受了原本枯燥的數學公式，實現了從感知到理論的提升，加強了學生的理論分析能力。

為了進一步鞏固上課效果，讓學生在理論模型和程序中建立關聯。最后，給出部分實現代碼，讓學生明白，只要理解了原理，模型很容易設計與實現。

3 教學效果分析

為了驗證啟發式的多視圖立體教學模型多視圖教學效果分析，我們從課程考試和學生校外科技立項等方面進行了跟蹤分析。在課程考試方面，進行了考試改革，要求每個學生獨立完成一個圖像處理相關的工程案例，要求提交算法分析報告、程序結構、源代碼。還要求進行現場演示，老師任意抽取其中一段代碼，要求學生回答設計思想以及功能。這種考核方法，能夠把教學效果實實在在地體現出來。也能夠充分發揮學生的主動性。部分學生完成的成果是：覆蓋了人臉檢測、車牌檢測、圖像風格化處理等各個領域。部分學生作品如圖3所示。

為了進一步驗證教學方式所產生的效益，我們對學生課外競賽情況進行了跟蹤分析。有相當比例的學生在課程教學結束后，以圖像處理相關技術設計課外科技作品，參與校運河杯比賽，得到了校二等獎、三等獎的好成績。

4 結束語

啟發式的多視圖立體教學模型充分發揮信息表達的多樣性和豐富性，并融入討論式教學方法，激發學生學習和設計的興趣，提高學生獨立設計的能力。這種教學模型，將抽象的理論知識通過可視化模型表達出來，非常適合圖像處理等視覺特征非常明顯的課程教學。通過該教學方法，啟發學生思維，逐步培養學生分析問題和解決問題的能力，取得了好的效果。此外，這種模型從實際工程項目中提取出來，能夠使學生掌握項目開發的技能，培養學生的實際項目開發能力。在下一步研究中，我們將考慮進一步深化圖像分析工程案例，并結合課外科技競賽探討實踐教學，進一步提高學生的分析和設計能力。

參考文獻：

[1] 李靜云.論卓越計劃工程應用型人才的培養模式[J].黑龍江高教研

究，2011.204（4）：110-112

[2] 李茂國.中國工程教育全球戰略研究[J].高等工程教育研究，2008.6：

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[3] 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

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[4] 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，

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[5] 楊青，徐艷，王少華.互動式教學在數字圖像處理課程中的應用[J].中

國科教創新導刊，2013.22.