數字圖像處理教學中分階段項目導入探究

高勇鋼

數字圖像處理教學中分階段項目導入探究

高勇鋼

（安徽師范大學數學計算機科學學院，安徽蕪湖241000）

將數字圖像處理教學分成三個階段，每個階段引入合適項目讓學生獨立去分析和設計，這樣既能持續保持學習興趣，同時提高了學生綜合運用所學知識和技術手段解決問題的能力。

圖像處理；圖像檢索；車牌識別；模式識別

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.045

1　引言

數字圖像處理課程被設置為電子信息類專業本科生的基礎課程，同時被許多軟件學院列為軟件工程專業本科階段的專業課程。主要內容包括：（1）數字圖像處理的基本概念。（2）二維傅里葉變換、離散余弦變換，小波變換的基本原理與方法。（3）圖像的增強方法。（4）圖像恢復和重建基本原理與方法。（5）圖像壓縮編碼的基本原理與方法。（6）圖像的分析和模式識別基本原理。

為了提高數字圖像處理的教學效果，文獻［5-10］分別從不同的方面，提出各種教學模式以激發學習數字圖像處理課程的興趣，鍛煉和培養學生的工程實踐能力。

2　分階段項目導入

上述文獻提出引入項目于教學中或實驗中。項目是對所學知識的綜合應用，是學以致用的直接體現，也是激發學生興趣的重要手段，但是項目所需技術應與學生當前所學相關知識基本匹配或略有提高。如果項目所需技術過于復雜且遠遠超過學生當前知識儲備，則會適得其反，削弱學生學習興趣。因此本文提出分階段引入項目的方法，根據課程進展不同階段，引入難度適當的項目啟發學生，從而使學生能夠持續保持學習興趣。數字圖像處理課程教學過程可分成三個階段：第一階段是圖像基礎知識介紹，該階段難度較小。第二階段是圖像處理重點和難點階段，該階段決定了學生對這門課掌握程度。第三階段是數字圖像處理主體內容已學習結束。

2.1階段一項目導入

在掌握了數字圖像的顏色模型，數字圖像的像素表達，圖像的算術運算等知識點之后，可以向學生提出這樣的問題：如果給定圖1所示花卉，從包含花、馬、恐龍、大象、建筑、海灘、公共汽車等不同種類與數量的圖像庫中，找出花卉類圖像，檢索結果如圖2所示。這個問題就自然引入一個基于顏色來檢索圖像的項目，實現該項目的算法有許多，選擇一個簡單易懂的算法，運用階段一所學的知識就可以找到該項目解決方案，從而在開始階段不久則可以增加學生學習的興趣，能夠更加期待下一階段的學習。

基于顏色圖像檢索算法簡述如下：1）統計給定示例圖像的不同顏色范圍的像素個數。2）求出示例的顏色特征向量。3）對圖像庫每張圖像算出顏色特征向量。4）計算示例圖像顏色向量與圖像庫中每張圖像的顏色向量的距離。5）根據距離從小到大排序。6）顯示距離排序小的圖像。

圖1花卉示例

圖2　花卉檢索結果

2.2階段二項目導入

在階段一掌握了數字圖像的基礎知識后，進入圖像處理的難點和重點。圖像變換是圖像研究領域的重要方法，可以應用于圖像濾波、圖像壓縮、圖像識別等領域。物體的形狀識別是模式識別研究的重要方向，廣泛應用于圖像分析、機器視覺和目標識別等應用領域中。在掌握了圖像的離散余弦變換和傅里葉變換后，可以向學生提出這樣的問題：給定圖3所示蝙蝠，如何在包含鳥、魚、筆等幾十種不同形狀與數量的圖像庫中，找出具有蝙蝠形狀特點的圖像，檢索結果如圖4所示。這就又引入另一種圖像檢索的方法，基于形狀的圖像檢索。表達物體的形狀有多種方法，如基于邊界特征點，不變矩，傅立葉描述子和自回歸模型等方法，其中傅里葉描述子就是傅里葉變換相關的形狀特征描述，因此可以將圖像處理的重點與難點內容傅里葉變換應用于形狀的表達。傅立葉描述子的基本思想是：假定物體的形狀是一條封閉的曲線，，沿邊界曲線上的點的坐標是一個以形狀邊界周長為周期的函數。該周期函數用傅立葉級數形式表示，傅立葉級數中的系數與邊界曲線的形狀有關，這些系數稱為傅立葉描述子，當系數項取到足夠階次時，可以將物體的形狀信息完全提取并恢復出來，傅里葉描述子是在頻域中表達物體邊界曲線信號。

圖3　蝙蝠示例

圖4　蝙蝠檢索結果

2.3階段三項目導入

在圖像處理基礎、圖像變換、圖像分割等主要內容掌握后，可向學生提出這樣的問題：如果給定一張轎車照片如圖5所示，如何設計一個車牌識別系統能獲得轎車的車牌。在該系統中需要解決如下問題：1）牌照定位技術，涉及到圖像邊緣提取和形態學處理，圖6包含了車牌處理過程中邊緣提取與形態學處理的相關圖。2）牌照字符切分技術，涉及車牌圖像的二值化和傾斜校正，計算傾斜角度的方法有Hough變換和Radon變換，圖7包含了二值化和濾波等相關圖。3）車輛牌照字符識別技術，可采用模板匹配和神經網絡的方案。車牌識別系統處理步驟簡述如下：1）圖像采集。2）圖像預處理。3）車牌定位。4）字符分割。5）字符識別。6）輸出識別結果。

圖5　車輛示例

圖6　車輛檢測過程相關圖

3　結束語

教學實踐表明，項目是提供數字圖像處理教學效果的非常好的方法，但教學效果與項目引入的數量、難度以及時機等因素密切相關。通過在數字圖像處理教學的三個不同階段分別引入相應精選的項目，確確實實提高了學生學習興趣并很好地鍛煉了學生實踐能力。

［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］李俊山，李旭輝.數字圖像處理［M］.2版.北京：清華大學出版社，2013.

［3］龔聲蓉，劉純平，趙勛杰.數字圖像處理與分析［M］.2版.北京：清華大學出版社，2014.

［4］王淑慧，王慶華.研究性學習課程建設的探索［J］.中國大學教學，2006，18（9）：56-59.

［5］吳冬梅.融入研究性教學模式的（數字圖像處理）課程教學改革［J］.武漢大學學報：理學版，2012，58（2）：160-162.

［6］賈永紅.現代化教學手段在數字圖像處理教學中的應用研究［J］.測繪通報，2006，1：62-65.

［7］楊淑瑩，張樺.數字圖像處理教學軟件的開發設計［J］.天津師范大學學報：自然科學版，2009，29（4）：76-80.

［8］鄧繼忠，金濟，陳羽白.基于PBL模式的數字圖像處理實踐教學探索［J］.實驗室研究與探索，2012，31（9）：139-141.

［9］李露，謝鳳英，姜志國，等.關于在實驗課程中培養研究生創新實踐能力的探索［J］.實驗技術與管理，2010，27（11）：235-237.

［10］曹玉東，王冬霞，周軍.數字圖像處理課程教學改革與探索［J］.遼寧工業大學學報：社會科學版，2013，15（2）：129-131.

［責任編輯：桂傳友］

G642

A

1674-1102（2015）06-0147-02

2014-10-21

安徽省高校自然科學基金項目（KJ2012Z116）。

高勇鋼（1970-），男，安徽蕪湖人，安徽師范大學數學計算機學院講師，碩士，研究方向為圖像處理。