基于工程項目的圖像處理實驗教學實踐

吳昌東， 陳永強， 江 樺

(1. 西華大學 電氣與電子信息學院， 成都 610039；2. 西南交通大學(峨眉校區) 計算機與通信工程系， 四川 峨眉 614202)

0 引 言

為了培養創新型人才，國家教育事業發展“十三五”規劃及教育部2017年工作要點中明確指出，將推進高等學校創新能力提升計劃，深化高校創新創業教育改革，踐行知行合一，強化學生動手實踐能力，將實踐教學作為深化教學改革的關鍵環節，培養學生創新精神和實踐能力。

實驗教學是培養學生創新精神及實踐能力的重要方法和手段，是學生進行工程實踐的必由之路。通過實驗，學生不僅可以理解、鞏固所學理論知識，還能培養學生的實踐能力及工程開發能力。數字圖像處理是電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術等專業的重要專業課程，其目的是使學生了解和掌握數字圖像處理的基本內容和方法[1]。該課程應用前景廣闊、更新發展快、理論性及實踐性較強[2]。教學時，不僅要做好理論知識的傳授，還要重視實踐力的培養。

1 基于工程項目的實驗教學

1.1 傳統實驗教學存在的問題

圖像處理技術內容豐富，發展迅速，現已廣泛應用于工業、農業、醫學、軍事、航空航天等領域[3]。該課程要求學生掌握圖像處理的基本概念、基本原理和分析方法，掌握一定的編程實踐技能。傳統的圖像處理實驗側重于理論驗證，規模較小[4]，實踐平臺單一[5]，實驗內容簡單枯燥[1]，缺少設計性、創新性實驗。很多實驗未考慮知識的應用性，只為得到一個驗證性的答案。所處理的圖像多為實驗標準測試圖像，網上就能找到對應程序，學生照搬照抄，不能深層次理解理論內容和程序原理及算法，難以調動學生學習積極性及主動性，實踐能力及創新能力無法得到有效的提高[6]。此外，實驗教學中缺少新內容、新方法和新手段，無法開闊學生視野。實驗缺少工程項目應用背景，學生無法將理論與實際工程項目建立起聯系，不知道如何將所學知識運用到實踐中，造成理論與實踐脫節，從而無法滿足現代工程發展的需要，不利于培養理論與實踐相結合的實用型人才。因此，實驗教學應緊跟時代步伐，根據項目實際需要，改變實驗教學設計，重視學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力的培養[7]。

1.2 基于工程項目實驗教學的優點

隨著國家對創新型人才培養的重視，很多用人單位要求學生具備一定的動手實踐能力。因此，必須以就業為導向，立足學生的專業背景，以工程實際項目為基礎，以培養學生工程意識、創新意識、實踐能力、理論聯系實際能力、分析問題和解決問題等創新能力為目標[8]。針對實際項目需要，保留必要的經典驗證性實驗前提下注重結合工程實際，以項目應用為導向，設計教學實驗。

基于項目的實驗教學是對傳統實驗教學的補充和深化[9]。該方法強調理論與實踐相結合，以學生專業特色為基礎，以典型工程應用為背景，以學生為主體，選擇工程實際問題作為實驗內容，讓學生了解項目背景及實際工程意義，將理論知識向工程實際應用拓寬，加強學生工程素質、工程意識和實踐能力的培養。由于實驗具有工程背景、技術前沿動態及發展趨勢[1]，因此可實現基礎與前沿、經典與現代的結合。通過對傳統經典實驗的繼承、發展與創新，不斷提高實驗項目的科學性、先進性，從而全方位、多層次激發學生學習動力。通過實驗，不僅很好地掌握理論知識，還能通過對實驗結果進行對比分析，了解理論知識與實際應用的差別，提升學生基礎知識和實際工程相結合的能力[10]。通過將實驗能力，工程意識、創新能力的培養納入實驗教學，逐步培養學生利用理論知識解決工程實際問題的思維和方法[11]。

圖像處理包含圖像去噪、增強、分割、壓縮、編碼、特征提取、分類及圖像識別等方法和技術，這些技術與工程項目應用息息相關。比如電力系統中的接觸網狀態監測項目，該項目運用圖像處理技術檢測接觸網工作狀態，以便提前發現設備故障，避免發生事故。項目中，首先采集接觸網圖像，然后對圖像進行去噪、增強等預處理，再對圖像進行分割，并對分割后圖像進行特征提取，通過對接觸網中的零部件進行分類，識別，判斷接觸網的工作狀態。其工作流程如圖1所示。

圖1 接觸網狀態監測流程

該圖是圖像處理技術在實際項目中的應用。實驗內容涉及圖像處理方面的知識較為廣泛，所用方法除了傳統經典方法之外，還要針對采集的實際圖像進行實驗，并對實驗結果進行對比分析。本文以項目中的圖像增強實驗為例，分別處理國際標準測試圖像與實際采集的接觸網圖像。根據實驗結果，分析理論與實際之間的異同，并引導學生改進實驗方法，進一步培養學生創新實踐等綜合能力。

2 圖像增強的實驗教學設計

由于圖像采集設備或天氣環境等因素的影響，有些圖像視覺效果不好，需要進行增強處理。圖像增強的目的就是突出圖像中的重要信息而抑制無用信息，提高圖像質量，改善圖像視覺效果，使得處理后的圖像更符合人眼視覺需要或用計算機對其作進一步的處理。本實驗以圖像增強方法為例，由淺入深地介紹了圖像增強技術的具體應用。在增強標準測試圖像基礎上，將理論知識應用于實際，通過對實際采集接觸網圖像進行增強處理，并對不同增強方法效果進行對比分析，從而加深學生對圖像處理課程及其工程應用的理解，提高學生學習積極性及主動性，增強學生的工程意識及實踐能力[12]。

2.1 標準圖像增強技術

圖像增強可分成頻率域法和空間域法兩大類[13]。頻率域法直接對圖像灰度級做運算，空間域法在圖像的某種變換域內對圖像的變換系數值進行操作。針對圖像特點，可以采用不同的方法對圖像進行增強處理。

分別采用全域線性變換、直方圖均衡化、中值濾波、小波變換等方法增強國際標準測試圖像，其實驗結果如圖2所示。視覺效果方面，全域線性變換有一定的圖像增強效果，但效果并不突出；直方圖均衡化增強效果最明顯，對比度得到有效地提高；中值濾波方法增強后的圖像較平滑；小波變換增強后的圖像細節保存較好。此時，讓學生觀察實驗結果，并結合每種增強方法的特點分析為何得到不同的實驗結果，逐步提高學生分析問題的能力。

圖2 標準圖像增強效果

根據圖2實驗結果，絕大部分同學覺得直方圖均衡化增強效果最明顯，于是得出直方圖均衡化增強方法最好。此時，老師應趁熱打鐵，及時提出問題：對于實際圖像，是否也是直方圖均衡化增強效果最好呢？由此引入實際應用，提高學生興趣，吸引學生對實際采集圖像進行增強處理。

2.2 實際圖像增強技術

圖像增強技術應用廣泛，比如交通視頻監控系統、機械零部件的分類與識別、圖像去霧、電力設備的故障監測等場合[14-16]。接觸網作為電力系統的關鍵部件，它的工作狀態直接影響電力系統的正常運行，若其出現故障，將造成巨大的經濟損失?，F場采集的部分接觸網圖像具有低灰度值、低對比度，模糊的輪廓和邊緣、大噪聲等特點，需要對其進行增強處理。本實驗首先采用圖2中的增強方法對其進行增強處理，處理結果見圖3。并分析實驗結果，然后針對實驗中出現的問題提出改進方案，從而進一步提高學生創新能力。

圖3中，從視覺效果考慮，采用直方圖均衡化增強方法，雖然接觸網零部件得到了增強，但增強后的圖像含有大量噪聲，效果很差，這與圖2實驗結果是矛盾的。大部分同學覺得不可思議，就會主動思考為什么會出現這樣的結果。整個思考過程對學生尤為重要，有助于他們更深刻的理解理論知識及培養分析實際問題的能力。此時，老師引導學生思考問題產生的可能原因，建議學生從實際采集圖像的特點進行分析，鼓勵學生參與討論。并提出當理論與實際結果不一致時，該怎么樣去分析實驗結果？如果增強效果不好，該如何改進傳統方法，提高增強效果？這一連串的提問，會提高學生求知欲，促使他們進一步實驗。

學生發現直方圖均衡化方法對標準測試圖像增強效果好，對實際采集的接觸網圖像增強效果不好，就會進一步觀察它們的直方圖。標準測試圖像和實際圖像的直方圖如圖4所示。

標準測試圖像直方圖均衡化后，圖像灰度值分布均勻，增強效果好；而實際圖像的直方圖均衡化后，圖像灰度值仍較為集中，增強效果不理想。這是由于實際圖像灰度值太低，同時含有噪聲所致。此時，老師可做適當引導，讓學生思考如何改進方法，優化程序，并關注一些圖像處理的前沿技術，比如提升小波、超小波等圖像處理方法，拓寬學生知識面，提高求知欲。通過實驗，學生學會了如何處理實際工程項目問題，分析問題及解決問題的能力也得到相應提高。實踐表明，基于工程項目的實驗教學法不僅鍛煉了學生的算法分析、程序編寫、優化及調試能力，學生對項目背景及意義也有了更深刻的認識與理解，真正意義上實現了學以致用。目前，該方法已經取得了一定的效果。我校電氣與電子信息學院的同學積極加入創新實驗室，積極參加全國大學生電子競賽并多次獲獎，連續多年有學生成功申請到全國大學生創新創業訓練計劃項目、四川省大學生創新創業訓練計劃項目及學校的“西華杯”項目，也有部分學生申請國家專利多項，在國家級期刊發表論文多篇，效果較為顯著。同時，將項目內容運用于實驗中，有利于教師改進教學方法，提高教學水平，這對培養創新型人才具有重要意義。

圖3 實際圖像增強效果

圖4 標準圖像及實際圖像增強效果及其直方圖

3 結 語

基于工程項目的實驗教學在傳統實驗教學基礎上，通過引入實際工程項目，將理論應用于實際，學以致用，極大地豐富了傳統實驗教學模式。基于工程實踐的項目緊跟學科和專業發展，具有更為明確的工程背景及意義。通過對實驗標準測試圖像及實際圖像的處理與分析，極大地提高了學生學習興趣，拓寬了學生知識面，有利于培養學生運用理論知識解決工程項目的能力，有利于培養創新型及綜合型人才。通過基于工程項目的實驗教學，讓學生關注所用技術的現狀、熱點、新領域，運用新思維、新方法來解決實際問題，并可將該方法進行推廣，運用到更多學科的實驗教學中。