數字影像采集與處理的實驗設計和教學*

孫 江 李 旭

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

孫 娟

(河北大學計算機科學與技術學院 河北 保定 071002)

王春生

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

科學界和哲學界都普遍認為：物質世界是由物質、能量和信息這三大要素組成的.其中信息是物質的屬性，用來描述事物運動的狀態和方式，是物質世界必不可少的組成部分[1].隨著科技的不斷發展，我們已經步入了信息社會.當前，在所有人類能夠獲得的信息總量中，光信息占據了80%以上的比重.隨著計算機技術的廣泛應用，影像作為光信息中最典型的代表，已經大量轉化為數字信息進行存儲與處理[2～5].

作為光信息的重要載體，數字影像已經深入到當今社會的方方面面.當前典型的數字影像包括數字格式的照片和錄像.智能手機的普及為數字影像的獲得提供了極大的便利，使數字影像徹底融入到人們的日常生活.因此掌握數字化影像信息的采集、處理、存儲、檢索、傳輸及輸出的信息處理技術的有關知識和技能對光電信息專業的本科生尤為重要[6].基于此，數字影像采集與處理實驗課程被設計并開設.我校在光電信息專業實驗課中加入了數字影像采集與處理的實驗內容.光電信息專業實驗課是光電信息科學與工程專業本科教學中重要的實踐環節，屬于專業發展核心課程.教學目標為通過實驗使學生加深對課堂專業知識的理解，培養學生使用專業儀器設備的能力以及運用實驗方法解決實際問題的能力.

針對日益普及的數字影像信息，本文詳細介紹了對數字影像采集與處理這門實驗課程的設計和教學.通過指導學生采用數碼相機、數碼攝像機和掃描儀作為數字影像的獲取設備，對獲取的照片、錄像和掃描文檔分別進行修圖、剪輯和文字識別處理，之后進行存盤、打印和刻錄光盤的存儲操作，使學生系統掌握數字影像采集和處理的常用方法.

1 數字影像采集與處理實驗課程的構建

數字圖像信息處理技術，是一項關于數字化影像信息的采集、處理、存儲、檢索、傳輸及輸出的信息技術.我們設計的數字影像采集與處理系統硬件由數字影像采集系統、處理系統和存儲輸出系統組成.其中采集系統由用于獲得照片的數碼照相機、用于獲得錄像資料的數碼攝像機和用于獲得掃描圖像的掃描儀組成，處理系統為微型計算機，存儲輸出系統由微型計算機、光盤刻錄機和彩色打印機組成.

1.1 數碼相機

數碼相機是一種數字化的現代化辦公設備[7].目前廣泛使用的智能手機中都集成了數碼相機的功能，形成了人人隨身攜帶手機，隨時隨地可以拍照采集數字影像的全新局面.但是手機的數碼照相功能相對數碼相機存在不可避免的先天不足，其鏡頭和感光單元CCD的面積都過小，采光和感光嚴重不足，造成了圖像變形、細節信息丟失等缺陷.因此為了獲得高質量的數字圖像，必須選取性能良好的數碼照相機.

我們的實驗選取了專業消費級全手動操作的佳能G1X數碼相機作為圖像采集工具.該相機配備了1.5英寸的CMOS感光元件，尺寸大小比絕大多數數碼相機的感光元件要大，因此可以獲得更為豐富的圖像細節信息[8].

1.2 數碼攝像機

數碼攝像機一般是由光學系統、光電轉換系統、圖像信號處理系統、自動控制系統等組成.本實驗采用了松下HDC-SD5數碼錄像機，作為當年松下家用高端數碼攝像機的HDC-SD5，不但支持1 920×1 080像素全高清AVCHD標準格式攝像機，而且發揮了閃存存儲卡優勢，使得產品的體積更小巧，重量更輕薄[9,10].

1.3 掃描儀

掃描儀是一種捕獲圖像并將之轉為計算機可顯示、編輯、儲存和輸出的數字化輸入設備[11].我們采用了中晶(Microtek)320掃描儀，該掃描儀采用高感光CCD傳感器，光學分辨率達3 600dpi，支持48位色彩輸出，掃描速度快，輸出的影像品質卓越.

1.4 微型計算機和DVD刻錄機

作為用于高速計算的電子計算機器，電子計算機可以進行數值計算和邏輯計算，具有存儲記憶功能，是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備.本實驗中我們選取了聯想的臺式計算機揚天T4900c作為數據處理系統.該計算機的cpu為i5-4590，具有四核心，其主頻高達3.3 GHz，加上8G的內存和1G的獨立顯卡，可以輕松勝任數字影像的處理任務.同時該計算機還帶有DVD刻錄機，可以實現影像信息存儲中的光盤刻錄功能.

1.5 彩色激光打印機

打印機是辦公用電腦的常用外部設備，打印機的功能就是把已存儲在計算機內的文檔、圖像等內容打印輸出，形成相應的紙質材料.我們選用了惠普的1600彩色激光打印機，該打印機的最大打印幅面為A4，最高分辨率600×600dpi ，打印速度達8頁/分，可以滿足實驗教學的要求[13].

1.6 數字影像處理的相關軟件

本實驗的數字影像包括由數碼照相機拍攝的圖像、由數碼攝像機拍攝的視頻和由掃描儀掃描文本獲得的掃描圖像.我們分別采用圖像處理軟件、視頻編輯軟件和文字識別軟件對其進行處理.

用于處理圖像信息的圖像處理軟件的種類很多，其中專業的圖像處理軟件以Adobe公司的Photoshop系列代表，操作簡便,只簡單處理圖像的軟件以美圖秀秀代表.基于實驗課時的限制，我們選取了圖像處理大師，該軟件是一個易于使用、功能強大的圖像瀏覽編輯軟件，可以快速增強數碼照片的品質，編輯出滿意的數字圖像.

視頻編輯軟件是對圖片、視頻、音頻等視頻源進行重組編碼組合的多媒體視頻編輯軟件.目前使用最廣泛的是加拿大Corel公司制作的軟件——會聲會影，該軟件具有圖像抓取和編修功能，并提供有大量的編制功能與效果，操作簡單，適合家庭日常使用.我們采用了會聲會影的X5版本作為實驗軟件.

光學文字識別系統(OCR)是通過掃描儀對文字稿件進行掃描后，利用計算機識別系統對稿件的圖像信息進行識別，并轉化成為文字信息的計算機軟件.OCR軟件種類比較多，雖說都不能達到100%的精確文字識別效果，但都能做到盡量提高識別精度.我們采用了其中的老牌軟件尚書七號作為實驗軟件.

2 數字影像采集與處理實驗課程的開展

我們將該實驗安排在光電信息專業的大學本科四年級上半年進行.通過大學的3年學習，光電信息專業的學生已經掌握了數字影像信息技術相關知識的理論基礎.本實驗的開設有利于學生的理論和實踐相結合.具體教學環節上，要求學生結合實驗指導書和實驗講義，獨立完成實驗預習報告，培養自學能力；通過實驗設計與操作，訓練自主動手能力；根據實驗結果，以科研論文的形式撰寫實驗報告，提高科技寫作能力；同時，要求學生嚴格遵守實驗室規章制度，按時完成實驗，培養良好的品性.教學方式以學生的實驗操作為主.學生獨自進行預習，在教師指導下分組實驗操作，課下撰寫實驗報告.倡導以學生為主體的教育思想，使學生能夠學會如何學習，成為學習的主人；整個教學不是以最后的考試為唯一考核依據，平時的預習、操作、實驗報告等是衡量學生是否達到教學目的的主要標準.

2.1 實驗開始前的準備工作

在學生上本門實驗課之前，要求學生認真預習實驗講義，在講義的基礎上，掌握數碼照相機、數碼攝像機、掃描儀、光盤刻錄機和彩色打印機的工作原理和使用方法；掌握數據處理的基本原理，寫好預習報告.

2.2 實驗過程

本實驗中數字影像采集包括使用數碼相機拍照，使用數碼攝像機錄像和使用掃描儀掃描文本；數據處理分為數字照片的修改、數字錄像的剪輯和合成、對掃描文本進行文字識別、數字影像的輸出和存儲.

首先，進行數字影像的采集.在教師給學生簡單講解數字影像采集和處理的意義，講解數碼相機、數碼攝像機和掃描儀的使用方法和技巧后，學生使用數碼相機和數碼攝像機在校園內拍照和攝像來采集影像，采集時間為半小時左右.學生回到實驗室后，每人分配一臺電腦，在D盤建立以“組名+自己名字”命名的自己的文件夾，在該文件夾里繼續建立名為“原始照片”和“原始錄像”的次級文件夾.在教師指導下，學生將采集來的數字影像分別從數碼相機和數碼攝像機中拷貝到自己文件夾內相應的次級文件夾中.之后，由學生在攜帶的實驗講義中任取一頁作為掃描文本，利用和電腦配套的掃描儀進行文本掃描，并把掃描所生成的數字圖片保存到“組名+自己名字”的文件夾中.

其次，教師向學生講解各處理軟件的基本操作要領，讓學生對數字影像進行處理.首先，學生在自己的文件夾內建立“處理照片”子文件夾，選取“原始照片”文件夾內的一張數字照片，將其復制粘貼“處理照片”文件夾內.打開《圖像處理大師》軟件，對“處理照片”文件夾內的照片進行調節色調、剪切圖片內容、插入文字等處理.在得到滿意的處理照片后，將其另起名字保存在“處理照片”文件夾內.這時，“處理照片”文件夾內存有處理前和處理后的照片各一張.其次，學生打開《會聲會影》軟件，對數字錄像文件進行處理.由于上課時間的限制，視頻文件的處理主要為多個視頻文件的剪輯和合成、添加轉場效果、添加視頻標題這幾項.處理后的視頻影像最終合成為一個avi文件，保存在學生自己的文件夾內.接下來，學生打開《尚書七號》軟件，對之前掃描儀獲得的數字圖片進行文字識別，將識別后的文字內容以txt格式的文件保存在自己的文件夾里.最終在學生的“組名+名字”的文件夾中，包括“原始照片”“處理照片”和“原始錄像”3個子文件夾及處理后的視頻.avi，掃描照片.jpg和文字識別.txt 3個文件.

最后，進行數字影像的輸出和存儲操作.學生將“處理照片”文件夾中的兩張照片并排彩色打印在同一張A4紙上，然后利用刻錄機將自己的“組名+名字”的文件夾刻錄在一張DVD刻錄盤上.彩打的照片和DVD刻錄盤由學生帶回去作為本次實驗的實驗數據，課后和實驗報告一起交回.實驗用的所有計算機由路由器連接組成了一個局域網.其中第一臺計算機的D盤設置為共享，該D盤中建有以實驗班級命名的文件夾.學生將自己文件夾通過局域網拷貝到共享D盤的實驗班級文件夾里，完成數字影像的計算機存儲.

3 結論

近年來，數字影像信息技術在科學研究和社會生活領域得到了廣泛的應用，有著巨大的經濟效益與社會效益，并且這一技術應用的深度、廣度在不斷擴大.雖說數字影像處理技術已經深入到人們生活的方方面面，但是通過實驗教學發現，學生對該技術的理論和實際操作的認識還較為片面和不成熟.本實驗課程的開展，使光電信息專業的學生較系統地掌握了數字影像的常見采集與處理方法，為其在以后的工作和生活中打下了數字影像處理的基礎.