數字圖像處理課程教學模式改革研究

朱旗 孫涵

摘 要 由于圖像處理的研究內容和領域處于不斷發展之中，社會對計算機專業畢業生的圖像處理工程能力的要求越來越高，現行的相關課程的教學模式已難以滿足需求。本文從教學內容選擇、實踐教學安排等方面分析了數字圖像處理的教學過程，使用學生真正掌握圖像處理的關鍵技術和關鍵方法，能能夠在實踐中加以應用。總而言之，本文提出了一種理論與實踐相結合的教學模式。

關鍵詞 課程改革 數字圖像處理 教學方法創新

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.02.052

Abstract Because the field of research and image processing is constantly evolving， community image processing computer graduates have become increasingly demanding engineering capabilities， the current mode of teaching related courses has been difficult to meet the demand. From the aspect of teaching content herein， practice teaching arrangements analyzed the teaching process of digital image processing， image processing using students to truly master the key technology and key method that can be able to be applied in practice. In summary， this paper proposes a teaching model of combining theory and practice.

Key words course reform； digital image processing； teaching methods innovation

1 數字圖像處理課程教學改革的意義

良好的產業背景和巨大的應用需求，促使我國產生了對數字圖像處理、機器視覺方面大量人才的培養要求。經過近年來的發展，我國圖像處理課程教育與實踐已經取得了十分豐碩的成果，但有些基本的問題仍未解決。最主要的是當前我國圖像處理課程教育與社會對圖像處理方面的人才要求之間存在較大的不匹配，而導致這一偏差存在的最直接原因是教學模式陳舊，根本原因是課程結構不合理，問題主要表現在：

（1）圖像處理方面人才培養模式沒有突破學科教育體系。我國現行的數字圖像處理課程的主要內容還是停留在較為陳舊的課程體系中，有的課程體系中缺少對圖像處理課程支撐的前續課程；在教學方法上也較為陳舊，主要是通過教師對主要知識點的講解來進行，而缺少對學生實踐環節的重視。

（2）缺少與數字圖像處理方向相關崗位要求相匹配的實驗教材。國內缺少適強化工程能力訓練、以項目和案例驅動的實驗教材，導致培養計劃實施效果不盡如人意。國外在上世紀70年代就在高校中開展了圖像處理方面的課程，比較經典的教材包括岡薩雷斯和溫茨編著的數字圖像處理，將重點放在了基礎和應用上，并已被許多國內外高校所采用。我國早在上世紀80年代就開始采用翻譯的國外圖像處理方面的教材，但是由于條件的限制，大部分只能進行純理論教學。例如武漢大學組織編寫了計算機圖像處理與分析教材。但是總的來說，目前數字圖像處理相關教材的發展與社會對相關領域人才要求的日益提高并不適應。數字圖像處理（MATLAB版）雖然已經有中文版面市，但該教材偏重于基本圖像處理方法的實現，缺少適合于圖像處理工程訓練方面的實驗課教材。現行的圖像處理課程和實際工程要求之間的不匹配。現有的數字圖像處理的主要教學內容與該領域就業崗位的實踐要求相關度低。這就需要對數字圖像處理課程的教學內容進行按照創新培養方案進行仔細梳理，使得學生滿足相關崗位的要求。

（3）考核方式單一，目前大多數高校的圖像處理相關課程的考核方式仍以筆試為主，無法全面客觀地評價學生的真實學習水平，特別是實踐能力水平。

2 數字圖像處理課程改革的目標

針對圖像處理相關課程中的以上問題，本文提出的創新教學模式從教學內容選擇、實踐教學安排、教學學時分配等方面分析了數字圖像處理課程教學的關鍵環節，提出了一種理論與實踐相結合的教學模式，本文的研究的目標和解決的主要問題包括：

（1）對數字圖像處理相關崗位的工作流行進行梳理，從而對數字圖像處理課程的主要教學內容進行重新確定。從宏觀上，通過調研來發掘圖像處理相關的崗位的工作流行包括哪些方面。從微觀入手，確定哪些是已有的課程體系中涵蓋的，哪些沒有包含在其中，如何科學地對數字圖像處理課程的教學和培養目標進行合理的修改和優化。

（2）對數字圖像處理課程的教學模式進行創新。根據優化后的數字圖像處理課程的教學內容和培養目標，對該課程的教學方法和模式進行創新。總體思路是圍繞基本概念和基本方法，結合具體應用實例，加深學生對概念和方法的掌握，以及提升學生的應用實踐能力。這就需要老師在備課環節，不止從課本入手，而且要花費大量精力用于準備豐富的實例。

（3）對數字圖像處理課程的考核方法進行創新。由于傳統的筆試方法無法全面綜合考核學生對數字圖像處理基本方法的掌握和應用能力，擬采用課程設計的方法來對學生進行該課程的綜合評價。課程設計的題目設計要緊扣教學和培養目標，應當包含主流算法的實現，又能夠激發學生對解決具體課題創新能力。同時在設計不同的項目時，注重圍繞不同的基本方法來設計題目。

本課程較全面、系統地介紹圖像處理和計算機視覺的基本概念、方法以及一些典型應用。圖像處理的主要內容有：顏色和光源、圖像格式、圖像的空間域處理（點處理、局域處理、代數處理、幾何處理等）、圖像的頻率域處理（離散余旋變換DCT、離散Fourier變換DFT等）、 圖像增強、圖像分割、圖像復原、圖像形態學、圖像壓縮等。計算機視覺的重點是視覺概論、攝像機參數特征和成像模型、攝像機標定方法、雙目視覺與立體觀測、運動目標檢測與跟蹤、典型應用案例介紹等。通過學習本課程，可以使學生了解和掌握圖像處理和計算機視覺的基本原理和技術，培養研究生解決實際工程問題的能力，為今后的研究和工作提供良好的經驗和基礎。

3 數字圖像處理課程改革的內容與途徑

由于計算機技術和數字圖像處理技術都處于快速發展之中，如何將數字圖像處理的各方面知識點進行有機的整合，將其梳理成一個體系，如何將該課程與專業內的其他課程之間的聯系進行合理把握，在教學實踐過程中對知識點的教學方式的把握上，本文進行了如下研究。

3.1 數字圖像處理課程內容改革

“數字圖像處理”課程是在原“數字圖像處理”、“機器視覺”課程的基礎上構建的一門新的課程，是在原課程上的擴展，致力于培養和提升學生對數字圖像處理應用進行掌握和實踐能力。擬在介紹基礎圖像處理方法的同時，重點突出目標分割，特征提取、運動目標檢測等與實際工程密切相關的內容。授課過程中通過大量研究實例，使學生在學習處理工程問題方法的同時，認識所學知識的應用背景，開拓視野，提高興趣。根據學生的興趣和用人單位的崗位要求修改教學內容。例如針對大多數學生較為感興趣的目標檢測的實驗內容進行擴充。以典型的數字圖像處理案例入手，使得學生對重要概念和方法進行深入理解，做到理論與實踐互相結合。

3.2 實現理論課與實踐環節的合理分離與有機結合

對圖像處理與機器視覺課程進行理論教學與實驗教學的合理分離。 對“數字圖像處理”課程單獨設立實驗，增加學生上機操作機會，以培養提高學生的動手能力和綜合分析問題能力。例如讓學生通過數字圖像處理技術設計身份證號碼識別系統，車牌號碼識別系統，以及紙幣號碼識別系統等。通過這些課程設計的實施，學生能夠加深對圖像增強，圖像分割，圖像去噪，以及應用于圖像數據的模式識別方法等的掌握，而且設計題目貼近生活，能夠較好地調動學生的積極性。本文作者已在該方面有了一定的教學實踐，受到了學生的歡迎和好評，取得了較好的教學效果。

配合“數字信號處理”、“Matlab原理及應用 ”等理論課，使得學生在掌握知識的同時注意實踐，并且使得課程體系得到相應的支撐。

把“圖像處理實驗”、“機器視覺實驗”與部分同學的畢業設計結合起來，使學生了解理想條件下和實際工程中圖像處理方法的聯系與區別，并在畢業論文環節中得到充分運用。

3.3 改革圖像處理課程的教學手段

采用國內外公認的較為先進的教育理念和方法，以數字圖像處理課程的具體實際情況進行分析，探索與本課程相適應的教學理念和方法。理論教學課時量一般只有32學時，在教學方法上，不追求內容能夠大而全，面面俱到，而是從基本概念和方法入手，以實例為引線貫穿各個知識點。通過具體實例和應用讓學生對方法的特點進行深入理解。調動學生積極性，適當開展“翻轉課堂”教學。將一定的課程時間留給學生上臺來講，通過學生的講述，學生可以加深掌握圖像處理的根本原則和基本方法，同時教師可從學生的講述中了解學生掌握的具體情況，共同研究解決圖像處理中的實際問題，從而獲得更深層次的理解。

在借鑒、吸收國內外教學質量管理思想的基礎上，力圖實現圖像處理教學方面的突破與創新。對教學質量管理系統若干基礎模型進行分析，在教學模式教學質量管理中引入全面質量管理。

4 總結與展望

本文針對數字圖像處理課程進行課程教學計劃和課程教學大綱設計，提出了一種對數字圖像處理課程的教學模式的創新。與時俱進，重新確定圖像處理課程的教學內容，培養學生普適的動手能力，為未來的圖像處理實際應用奠定基礎。重點解決圖像處理方面人才培養的效果與市場需求之間的差異，使得學生畢業后能夠盡快勝任大部分實際圖像處理工程。將數字圖像處理工程技術系統地應用到理論教學和技能教學中，并確定應用范圍、技術路線選擇以及學生學習評價原則。改革現有圖像處理課程教學模式。在課堂教學中，以實例使學生能更快、更直接地掌握圖像處理方法的基本原理，從而為縮短理論教學課時創造條件。改革現有實驗教學模式，在對現有實驗課程內容進行歸類和分析的基礎上，提出針對不同專業學生的圖像處理實驗調整方案。

基金項目：本文受到江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題（研究生模式分析與視覺處理課程群實踐體系改革與實現），南京航空航天大學本科教學改革與建設項目（圖像處理課程的研究與實踐）， 中央高校基本科研業務費專項資金資助（Nos. NR2013033，NR2014041）的支持

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