研究生“數字圖像處理”課程的理論與實踐教學體系建設探討

許佳奕 崔晨 李黎

摘要：數字網絡時代，越來越多的信息被以圖像載體的方式進行分析、存儲、處理和傳播。物聯網以及大數據、云計算技術的迅猛發展，使得由數字圖像處理引申而出的視頻圖像處理、非結構化數據分析、機器視覺及人工智能技術逐漸成為產業高地和科研領域前沿，吸引越來越多高等院校、科研院所和高新企業加大相關領域人才的引進和培養力度。在此背景下，本文將重點研究探討面向研究生教育的“數字圖像處理”核心課程體系理論與實踐教學改革思路，通過改革傳統教學方法，加強學生基礎知識掌握能力，擴展學生創新能力，提高學生對相關領域最新研究成果的應用水平，為培養學生成為復合型人才打下堅實基礎。

關鍵詞：數字圖像處理；研究生教育；人才培養；課程體系建設

中圖分類號：G642.42 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）24-0093-04

● 引言

近年來，隨著計算機科學、物聯網技術以及大數據、云計算技術的迅猛發展，數字圖像作為人類感知世界的重要視覺基礎，成為我們在虛擬世界獲取信息、表達語義和傳遞數據的主要載體之一，與此同時，針對計算機圖像的分析處理技術也逐漸成為其他科學和應用領域中一項不可缺少的重要工具，并且已經在醫學影像、安防監控、公共安全、軍事測繪、天文遙感等領域得到了長足發展和深入應用。在這樣的背景下，以“數字圖像處理”課程為核心的專業性、應用型人才培養方案越來越受到很多高等院校和科研院所的關注，“數字圖像處理”課程也逐漸成為本科甚至研究生階段的必修課程之一。[1]本文從研究生“數字圖像處理”核心課程建設及教學方案出發，針對研究生階段專業知識教育及技能應用特點，主要針對該課程傳統教學的不足，從理論教育、實踐應用、學研結合的角度對該課程的授課內容、教學方法和應用目標等各方面進行一些教學改革的探討，希望能對未來高等院校的研究生教育及數字圖像處理課程建設提供一些參考和啟發。

● 研究生“數字圖像處理”課程建設背景

1.數字圖像處理課程簡介

數字圖像處理又被稱為計算機圖像處理，是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程，目的是提高圖像實用性和應用范圍，達到滿足不同領域或特定需求的結果。[2]相關課程以高等數學、線性代數、概率論等課程為數學背景，在計算機科學、信號與信息處理等應用性課程的基礎上系統學習研究數字圖像處理的基本理論與分析方法，是計算機科學、信息工程、軟件工程等專業的重要必修課程。國內外眾多高校和科研院所將數字圖像處理作為重要的研究方向之一，為相關專業畢業生進一步深造提升提供了機遇與平臺。[3]國內外的多家知名企業都在數字圖像處理的軟硬件開發上投入了大量的精力，提供了大量崗位需求。因此引導研究生學習并掌握數字圖像處理基本知識和應用工具，將為畢業生未來的發展提供必要的技術儲備和研究基礎。

然而數字圖像處理的課堂與實驗教學還存在一些亟待解決的問題，課程理論較深，大量模型和算法依賴嚴密的數學描述，在具體教學中，凡是涉及大量公式推導和證明描述的課時最終教學效果往往不盡如人意。此外，數字圖像領域最近幾年的蓬勃發展使得大量尖端研究成果和技術得以實踐應用，而教學方案和應用教材對最近技術的描述相對滯后，也使得很多研究生認為課堂學習與自己研究進展脫節，從而降低了對課程的接受度。如果能夠較好地解決這些問題，就意味著學生能縮短從事數字圖像處理領域各個具體方向的入門時間，改善數字圖像處理的人才培養效果，激發學生的學習興趣，提高學生的實踐動手能力，培養學生的創新能力[4]，從而減少學生所學知識與數字圖像處理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圖像處理實踐工作并能為進一步深造學習打下堅實基礎。

2.研究生教育特點

改革開放40年來， 我國已跨入世界研究生教育大國行列，研究生教育規模不斷擴大，教學條件明顯改善，學科建設和教育質量也有了顯著提高[5]，作為基于本科知識脈絡，專注于研究某一領域最新成果和未來發展的高層次教育，研究生教學培養一方面注重對本科階段所學課程的固化和引申，另一方面注重基本學術素養和研究性技能的傳授，教育層次始終處于知識發展和應用轉型的最前沿，它對知識變革的敏感性要遠遠超過其他層次的教育。相對而言，研究生教育面對的是原生性的尖端知識，而本科教育面對的則是系統化、結構化，歷經檢驗的知識[6]，這也就要求教師在課堂講授時需要與科學研究相結合[7]，根據自己的理解篩選整合，去粗取精，根據領域發展和專業相關增加與最新成果的結合度，進一步提高教學層次，提升學生視野和知識接受意愿。

以數字圖像處理課程為例，該課程既需要學生掌握本科所學高等數學、線性代數、計算機科學、信號與信息處理等先導性課程上的一些基本概念和基礎知識，并在相關知識的基礎上講授課程核心內容，如圖像增強、圖像分割、圖像恢復、圖像編碼等，同時還需要教師結合圖像處理在工程、科研、企業等實際應用領域發展落地方向，如數字水印、影像識別、計算機視覺等，傳授學生最新工具、模型、算法的使用和操作技巧，并能時時對相關內容予以擴展引申。因此研究生階段“數字圖像處理”課程需要針對研究生學習、教育、科研特點，有的放矢，充分發揮學生已學知識優勢，引導學生從被動式接受知識轉變為主動思考應用方向、擴展應用場景。

● 研究生“數字圖像處理”課程建設探討

1.課堂理論教學改革探討

研究生“數字圖像處理”課程涉及理論較深，大部分理論和算法都有著嚴格的數學定義描述，而課堂教學作為學生復習鞏固既學知識重要環節之一，既要采用適當方法引導學生對以往所學數學知識進行有效的梳理和回顧，也要避免過多涉及數學推導從而降低學生接受意愿，拖延學習進程。例如，圖像處理理論中的正交變換是高等代數中的頻域變換，傅里葉變換、離散余弦變換、小波變換、K-L變換等可用于圖像編碼和濾波等用途，學生知道這些應用可以促進對相關矩陣理論的復習和深入理解，反之，對這些矩陣理論的深入理解也會促進圖像相關算法的改進，培養學生對經典算法的理解，提高學生的創新能力。

2.應用實踐教學改革探討

“數字圖像處理”課程涉及的知識面廣泛，通過研究其他院校本科、研究生同類課程教學大綱發現，針對本課程實踐教學多以軟件仿真為主，實驗內容包括圖像位置變換、圖像代數運算、灰度映射、直方圖變換、空頻域增強、圖像分割、彩色圖像處理等幾部分內容。傳統的“數字圖像處理”實踐教學體系主要通過各知識點由點至面的結構邏輯及各類圖像處理方法的層次遞進關系引申而來，從教學效果來看，這一實踐體系對學生初步掌握圖像處理方法、形成對相關領域實踐應用基本架構有一定的幫助。例如在“圖像增強”的章節中，雖然方法眾多，但是各種處理方法相關性較小。因此，為了讓學生對數字圖像處理的知識體系有一個整體認識，梳理“數字圖像處理”課程的知識點、尋找合適的主線將各知識點連接起來是當前急需解決的問題。

3.教研結合引領性課堂教學研究

“數字圖像處理”的課程特性使得在教學過程中既要包括較強的理論性，也要包括較強的實踐性，在教學過程中教師不僅要講授圖像處理的數學基礎和數學模型，也要強調學生盡可能利用計算機進行仿真驗證，跟隨授課進度按時完成各個模塊的實驗練習，這既是課程教學核心，也是該課程應用性現實需求。因此，充分利用好課程特性，準確把握課程定位，才能更好地完成教學任務，提高教學質量，才能適應新環境和新模式下的教學方法。

以此為目的，筆者引入教研結合的教學思路，重點利用最新領域成果補充教學重點，利用教學進度引導科研進程。課程設置致力于從研究生教學特點出發，注重培養學生提高發現熱點、解決問題、實踐應用的能力，遵循理論教學分析和業務實際應用相結合并逐步驗證的教學改革思路，采取理論分析指導下的實驗手段和實驗結果輔助下的應用方法，將數字圖像領域及教學團隊最新研究成果采用問題導向分析、引導學生初步建模、課堂分組討論優化、學生仿真驗證、橫向對比、課后測試等特色教學方法，加強學生與教師、基礎知識與前沿成果碰撞反饋。具體展開如下教學方案。

（1）教學團隊制作統一的課件，在每個章節的課件中講解國內外最新的研究案例。在講授完大綱要求的內容后，新增一個章節的課件，對國內外最新的研究進展進行介紹，從基礎的算法引入復雜的算法，同時配合展示多種應用成果。

（2）建設“數字圖像處理”課程網站，由專業人員審核選取國內外最新科研成果、知名院校的慕課資源、企業相關人才需求等內容發布，并開辟討論區為學生隨時答疑解惑。

（3）在講解基礎理論知識的基礎上，要求每個學生至少研讀一篇高水平的英文論文，提交讀書報告并在課堂與師生展開討論，由此培養學生英文讀寫及團隊科研的能力。

（4）設計實驗以培養學生的動手實踐能力。課程組選擇4個重點章節，以重點章節的算法布置編程作業。為了能因材施教，每章節的作業分為基礎型和進階型，基礎型的題目要求學生實現基本的算法功能，進階型的題目要求學生在實現基本算法功能的基礎上，考慮算法的效率、魯棒性等優化問題。以“圖像分割和邊緣提取”章節的編程作業為例，基礎型的題目為：采用閾值分割的方法將簡單場景中的物體分割成為背景與前景兩個部分；進階型的題目為：采用基于區域分割的算法進行多個物體的分割，可采用區域生長算法、分裂合并法、分水嶺算法中的至少一種。

（5）結合相關科研最新熱點，將圖像處理的一些難點與研究及應用進行關聯，讓學生深刻理解其原理和研究的應用點，提高學生的創新能力。通過理論分析經典算法的優缺點，引導學生發現已有算法的不足。例如，經典圖像不等比縮放算法由于差值會帶來形變等誤差，舉例結合團隊最新相關研究成果來啟發學生的創新精神。又如，將經典理論和信息隱藏、圖像取證等研究熱點和難點相結合，培養學生善于思考、勇于挖掘問題的學習習慣。

● 結論

對“數字圖像處理”核心課程進行綜合建設對進一步增強筆者所在學校計算機學科優勢、引領學生創新創業發展、提高學生科學素質及核心競爭力均具有重要意義。通過改革教學與傳統教學相結合的方法，創建具有基礎性、引導性、示范性、特色性的研究生核心課程，可達到加強學生知識基礎、擴展學生應用能力的目的。

參考文獻：

[1]肖志勇，劉建軍，宋曉寧，等.《數字圖像處理》課程教學改革探索研究[J].教育教學論壇，2017（3）：86-87.

[2]楊杰.數字圖像處理及MATLAB實現（第二版）[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3]蔣斌，張俊松，孟潁輝，等.數字圖像處理課堂教學研究與探索[J].計算機教育，2017（9）：91-93.

[4]何朝霞.《數字圖像處理》課程的分層實踐教學體系研究[J].電腦知識與技術，2018（1）：185-186.

[5]王碧云，陳國平，邱均平.碩士研究生教育質量調查分析——對全國43所高校碩士生的調查[J].教育與現代化，2010（1）：78-83.

[6]劉貴華，孟照海.論研究生教育的發展邏輯[J].教育研究，2015（1）：66-74.

[7]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（s2）：160-162.

基金項目：本文受杭州電子科技大學研究生核心課程建設項目“數字圖像處理（HXKC2017014）”，杭州電子科技大學高等教育研究項目“計算機圖形學課程教學改革與研究（YB201730）”資助。