以應用實例為主線、以程序設計為主導的數字圖像處理課程教學方法改革

陸玲　李麗華

[摘 要]針對數字圖像處理課程和特點，借助教學輔助系統，對數字圖像處理課程的教學方法進行改革。在教學過程中大量使用實例可將抽象的理論融入形象直觀的應用當中；強調程序設計并演示算法的實際效果，使復雜的問題可視化，能讓學生充分感受到數字圖像處理技術的魅力。通過多年的應用，這種方法有效提高了學生的學習興趣、學習主動性及學生的實踐動手能力。

[關鍵詞]教學輔助系統；應用實例；程序設計；數字圖像處理

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）09-0166-02

一、引言

近年來，數字圖像處理技術應用廣泛，很多理工類高校都開設了數字圖像處理課程，并將其作為信息類專業的一門專業主干課程。但長期以來，數字圖像處理本科教學普遍存在著難教難學的問題。其原因有以下幾點。1.該課程綜合性極強，課程內容繁雜，要求學生具備向量、矩陣、概率、統計、線性系統和計算機編程方面的基礎知識，這給學生的學習帶來很大的挑戰。如果教學方法不當，學生會感到內容非常抽象，逐漸失去學好該門課程的信心。2.大學本科教育已由精英教育轉為大眾教育，現在的本科生，特別是應用型院校的本科生，普遍存在數學基礎薄弱、不習慣理論學習和思考、編程能力較弱的現象，很容易遇難而退。

為了解決數字圖像處理難教難學的問題，許多教師對數字圖像處理課程進行了各種方法的教學改革。沈曉晶等[1]逐階段地引導學生建立起完整的數字圖像處理知識體系，并通過與課題相關的教學案例、實驗和課程設計引導學生運用所學知識解決實際問題。熊立偉等[2]從教學內容、課程資源建設、教學方法、考核方式、師資培養等方面進行了研究與改革，在一定程度上提高了學生的學習熱情，增強了他們的動手能力。鄭林濤等[3]提出將ImageJ軟件作為數字圖像處理課程教學演示和實驗的工具，既可以用其在理論教學環節展示各種圖像處理算法的效果，又可以在實驗教學環節中通過編寫ImageJ軟件的插件讓學生真正掌握理解圖像處理的理論知識。該軟件是以JAVA為基礎的。魏晗等[4]注重基礎理論和科技前沿的有機結合，在理論中滲透實踐，在實踐中穿插理論；并采用靈活多樣的教學方法和豐富的教學手段，提高了學生的學習興趣及實踐動手能力。史彩娟等[5]通過課程實驗環節、科研實踐環節、社會實踐環節以及師資隊伍建設等環節構建了多層次、多模式的實踐教學體系，取得了較好的實踐教學效果。肖紅等[6]提出了基于培養學生計算思維能力的任務驅動教學模式，闡述了該教學模式中的任務設計，任務實施的方法及師生角色的轉換，并根據數字圖像處理課程的教學實例，驗證了該教學模式的可行性。寧紀鋒[7]開展研究性課堂教學和實踐教學等多個方面的教學改革探索，提高了學生的自主學習能力。

以上教師采用的相關方法在一定程度上都能提高教學質量。我們綜合各種方法，根據我們的一些成果[8] [9]，設計并使用了教學輔助系統，輔助數字圖像處理的教學，這同樣能激發學生的學習興趣，提高學生的學習能力、動手能力和創新能力。

二、數字圖像處理程序設計

（一）程序設計語言的選擇

數字圖像處理課程教學的教學效果與課程中所選用的教學軟件密切相關。目前我國高校在數字圖像處理課程中常用軟件處理平臺基本上有三類：Visual C++，Photoshop，MATLAB。

Photoshop是一個常用的圖像處理軟件，主要應用在平面設計領域，不需要編寫程序，通過自學就能掌握該軟件的主要功能。但對于數字圖像處理課程而言，它只能作為一個圖像處理效果演示的工具，不能作為教學的實驗平臺。

Matlab軟件提供了豐富的現成圖像處理函數供用戶調用，可以節省用戶開發底層函數的時間，提高用戶的開發效率。學生在使用圖像函數時，能快速完成圖像處理的結果，但對圖像處理的算法并沒有進一步學習與鞏固。Matlab軟件只適應研究者對圖像處理的研究，而不適用于計算機等專業的學生學習。

Visual C++軟件沒有像Matlab環境下有豐富和成熟圖像處理庫函數以供調用，所有的底層函數都要開發者自己編寫。雖然這會影響用戶的開發效率，但學生可以鞏固理論知識，深刻理解圖像處理方法。這對于計算機專業的學生來說，可以提高他們的編程能力。這種方法要求學生有一定的編程能力。

對于計算機類專業的學生來說，目前我們認為選用Visual C++軟件（其他Visual軟件都可以）作為圖像處理課程教學軟件最合適。重點是學生必須從底層自己編寫代碼，這樣才能真正理解數字圖像處理的各種方法與算法步驟。如果學生只是停留在理解理論公式上，會形成暫短的記憶和大致了解，很容易忘記。

（二）程序設計教學內容

數字圖像處理程序設計教學應選擇的是教學的重點內容而且程序代碼不長。這樣才能在課堂上講解清楚，學生也易掌握。教學內容主要包括圖像文件的讀取、彩色圖像轉灰度圖像、灰度變換、灰度圖像的直方圖均衡化、圖像空間平滑與銳化濾波處理、灰度水平垂直積分與微分投影、圖像幾何變換、二值圖像的腐蝕與膨脹、二值圖像的邊界提取、二值圖像的幾何特征與形狀特征的提取、二值圖像行程編碼、噪聲圖像復原等。對圖像處理的重要方法和程序設計的思路進行講解，能提高學生的程序設計能力。

（三）程序演示內容

在課堂上除了介紹圖像處理程序設計方法與思路外，還要利用開發的數字圖像處理算法演示教學軟件，將圖像處理算法的實際效果進行演示，將算法實現過程中的重點問題轉化為圖像處理效果，從而將枯燥抽象的理論具體形象化，讓學生充分感受到數字圖像處理技術的魅力，以此激發學生的學習興趣，提高課堂教學的效率。

演示軟件設計的原則是：將圖像處理算法中的各種可變參數作為輸入數據，使學生體會到各種參數的實際含義。程序演示軟件內容要比程序設計教學內容多，它幾乎涵蓋了所有的教學內容。例如：對于彩色圖像的浮雕處理，只講原理和公式是不夠的，浮雕處理的結果圖像必須通過演示系統顯示出來，讓學生一目了然，否則無法講解清楚處理后圖像的特征。

三、數字圖像處理應用實例設計

在教學過程中，努力將復雜抽象的理論融入形象直觀的應用實例當中，在理論中滲透實踐，在實踐中穿插理論，注重理論聯系實際，培養學生的工程實踐能力，真正使學生樂學、易學并會學。

（一）應用實例的選擇

數字圖像處理應用實例選擇的原則是：學生熟悉、步驟簡潔、算法簡單。為了使處理結果準確度高，我們只選擇標準規范的圖像，而且這些應用實例程序都是自行開發且利用課程所講的程序設計內容，這樣學生會直觀感覺到所學所用。應用實例分為兩大類，一類為基本知識的應用，其方法簡單，學生易理解而且能獨立完成；另一類是數字圖像處理新方法在當前新產品的應用，這些應用只能簡單介紹，讓學生大致了解。我們認為最重要的應用是第一類，這種應用更能提高學生的學生興趣；第二類學生會感覺離自己較遠。

我們選擇的綜合實用案例內容大部分來自我們的科研成果，有些已經體現在我們學生的畢業設計課題中。將歷年與數字圖像處理實際應用相關的畢業課題進行簡化、修改與完善，可以不斷充實數字圖像處理應用實例軟件。目前，我們選擇的綜合應用實例（以后還會擴充）包括：人像美容、人像美發、指紋識別預處理、車牌識別、手寫字體識別、人臉定位、人臉五官定位、水果定位、道路識別等。

（二）在理論知識中滲透應用

由于教學過程是以知識點為單位進行教授，而綜合應用實例涉及多個圖像處理知識點，因此在授課過程中需要分解實例內容，顯示實例的部分結果。例如：灰度水平微分投影包括：灰度圖像中確定人眼水平位置，車牌灰度圖像中預選車牌水平位置，指紋圖像中定位中心水平位置等。RGB與HIS模型的轉換包括：人像中的涂口紅、涂腮紅、美白、去紅眼、染發、改變衣服顏色等。

（三）應用實例中分解出理論知識點

在課程教學過程的中期與末期，在總結復習所學知識時，以應用實例進行階段性教學總結，通過應用實例貫穿圖像處理的多個知識點，引導學生融會貫通所學知識，這有利于培養學生的綜合應用能力。

四、結束語

隨著信息技術不斷發展和完善，數字圖像處理技術也在不斷發展，并且越來越多地應用于各個領域。我們總結十多年的數字圖像處理課程的教學經驗，在數字圖像處理的程序設計、應用實例方面進行了研究與設計，設計了相應的教學軟件。經過近五年在本校計算機科學與技術、軟件工程、數字媒體技術的實踐教學嘗試，這樣方法能夠激發學生的學習興趣，提高學生進行研究性學習的能力，提高學生的實踐動手能力和創新能力，為培養高素質人才打下了堅實的基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 沈曉晶，池濤，王艷.計算機專業數字圖像處理教學體系及教學方法探討[J].長春教育學院學報，2013（23）：45-46.

[2] 熊立偉，吳德華，薛云，張維.地方本科院校“數字圖像處理”課程教學改革的思考[J].中國電力教育，2014（3）：107-108.

[3] 鄭林濤，董永生.ImageJ軟件在數字圖像處理課程教學中的應用[J].中國電力教育，2014（8）：112-113.

[4] 魏晗，陳剛，唐永旺，郭志剛.數字圖像處理的教學改革與實踐[J].中國信息技術教育，2014（8）：12-13.

[5] 陸玲，周書民.數字圖像處理基本方法及程序設計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2011.

[6] 陸玲，李金萍.Visual C++數字圖像處理[M].北京：中國電力出版社，2014.

[責任編輯：陳 明]