數(shù)字圖像處理課程本碩一體化分級教學(xué)的設(shè)計(jì)和建設(shè)

溫 靜，韓建棟

（山西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引 言

20 世紀(jì)60—80 年代，人類第一次嘗試使用計(jì)算機(jī)來增強(qiáng)月球表面圖像后，數(shù)字圖像處理技術(shù)就如雨后春筍一般應(yīng)用于社會(huì)生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，最先獲益的有醫(yī)學(xué)成像、地球資源遙感監(jiān)測和天文學(xué)等領(lǐng)域，其中最為成功，也是對人類最具影響力的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)[1]。從此，有大批的學(xué)者和學(xué)生都投身到數(shù)字圖像處理的研究中，由此發(fā)展出了數(shù)字圖像處理學(xué)科，以及相關(guān)學(xué)科如計(jì)算機(jī)視覺、多媒體技術(shù)等，進(jìn)而推動(dòng)了人工智能的進(jìn)步——人們努力讓計(jì)算機(jī)能具有人一樣的視覺感知和分析處理能力，進(jìn)而更好地服務(wù)于人類。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)早已應(yīng)用遍布于醫(yī)學(xué)、海洋學(xué)、遙感地理、無人駕駛等各個(gè)領(lǐng)域。

從圖像工程角度出發(fā)，數(shù)字圖像處理將所處理的圖像信息按照語義從低到高，進(jìn)行劃分設(shè)計(jì)如圖1 所示，圖像的獲取及數(shù)字化來自于光學(xué)成像和電子學(xué)原理，而預(yù)處理中的頻域/小波分析受啟發(fā)于信號(hào)處理；圖像分析中圖像的表示和描述會(huì)涉及數(shù)學(xué)中矩陣論的成果；而圖像理解中的檢測、識(shí)別，甚至是場景理解還會(huì)涉及神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等。數(shù)字圖像處理學(xué)科本質(zhì)上是由應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)發(fā)展起來的交叉學(xué)科，涉及物理中的光學(xué)成像原理和電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)學(xué)建模和計(jì)算、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等。

然而，數(shù)字圖像處理作為應(yīng)用型專業(yè)基礎(chǔ)課或者選修課，所涉及的相關(guān)學(xué)科及本學(xué)科近年來迅猛發(fā)展，使得該課程具有極強(qiáng)的專業(yè)性[2-3]，然而，在教學(xué)模式上卻長期處于停滯的狀態(tài)，主要表現(xiàn)在：

圖1 圖像工程在語義上從低到高，并由相關(guān)學(xué)科支撐其理論內(nèi)容

第一，目前的教學(xué)模式?jīng)]有突破舊的課程內(nèi)容體系。無論作為專業(yè)基礎(chǔ)課或是選修課，分配給該課程的學(xué)時(shí)對于熟練掌握課程的整體知識(shí)架構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由于該課程的多學(xué)科交叉性，必須補(bǔ)充相關(guān)學(xué)科的理論基礎(chǔ)和背景，還要兼顧本課程內(nèi)容的完整性，并保證學(xué)生獲得相應(yīng)的較強(qiáng)工程能力，使得教師在教授過程或陷入太過詳細(xì)的背景理論的介紹，或疲于走馬觀花而流于知識(shí)的皮毛，亦或甚至陷入圖像處理的程序設(shè)計(jì)中。

第二，現(xiàn)行課程沒有對本科階段和研究生階段的差異性加以區(qū)分[4-5]，而處于分離狀態(tài)。受到目前教材的限制，本科階段停留在較為滯后的基礎(chǔ)理論階段，學(xué)生不清楚圖像處理的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀而無法了解發(fā)展的脈絡(luò)；而研究生階段的學(xué)習(xí)或者是尷尬地重復(fù)本科已經(jīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容[6-7]，或者是單獨(dú)挑取個(gè)別圖像處理的應(yīng)用做介紹，而缺乏源自基礎(chǔ)知識(shí)和科學(xué)問題的提升和延伸，沒有能形成課程系統(tǒng)和完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

第三，缺乏對不同相匹配的實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)有的國內(nèi)外教材在編撰時(shí)以理論基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，所涉及的實(shí)踐環(huán)節(jié)也更偏向經(jīng)典方法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[7]，往往不能跟進(jìn)最新的研究成果，使得圖像處理這門課程無論在本科還是研究生階段都難以令學(xué)生體會(huì)到該學(xué)科的“高級”性和新穎性。

在此背景之下，圖像處理課程在面向不同學(xué)習(xí)階段學(xué)生開展課程教學(xué)時(shí)，有必要根據(jù)不同階段的學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)以及培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)定有針對性的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐應(yīng)用，同時(shí)必須保證教授內(nèi)容的科技導(dǎo)向性和前沿性。

1 本碩一體化分級教學(xué)改革的思路

本碩課程一體化分級教學(xué)的模式如圖2 所示。在該教學(xué)模式中，最關(guān)鍵的是保持教學(xué)內(nèi)容一致性的前提下，從內(nèi)容的深度和廣度上針對不同教學(xué)階段的特點(diǎn)有所區(qū)別，特別是從教學(xué)內(nèi)容選擇、實(shí)踐教學(xué)安排、教學(xué)學(xué)時(shí)分配等方面確保本科學(xué)習(xí)和研究生階段的層次獨(dú)立性，因而我們提出了一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的一體化分級教學(xué)模式，其主要內(nèi)容包括：

第一，在水平層次上，主要區(qū)分各個(gè)級別的教學(xué)內(nèi)容中理論部分和實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重差異。

圖2 數(shù)字圖像處理本碩一體化分級教學(xué)模型

（1）夯實(shí)本科階段的理論基礎(chǔ)，對理論相應(yīng)的實(shí)踐內(nèi)容做初級的探索。由于圖像這種數(shù)據(jù)形式自身的特殊性，在處理它時(shí)必須對于圖像的獲取和產(chǎn)生，以及人眼視覺對圖像感知的特點(diǎn)等問題有深刻的認(rèn)識(shí)，因而本科階段必須保證課程內(nèi)容的理論奠基性地位。該階段的理論學(xué)習(xí)，主要是通過圖像這種特殊的數(shù)據(jù)形式打開學(xué)生了解世界的另一個(gè)視角，在理論上不求深度，但要保證處理圖像語義由低到高的完整性；在同一階段的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，例如通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對于同一幅圖像在加入不同噪聲后的直方圖的差異，如圖3 所示，或者同一幅圖像加入相同的噪聲（但不同數(shù)值的參數(shù)）的區(qū)別。

圖3 分別加入指數(shù)、均值以及椒鹽噪聲后的圖像（第一行）和直方圖（第二行）

（2）提升研究生對本科理論的理論水平，深化對圖像處理不同研究方向的認(rèn)識(shí)，保持領(lǐng)域的前瞻性：在該階段的教學(xué)應(yīng)面向具備一定圖像處理基礎(chǔ)的研究生，對于本科階段的理論加深難度，以具體問題為出發(fā)點(diǎn)結(jié)合最新的算法進(jìn)行研討式和引導(dǎo)式的教學(xué)；在實(shí)踐環(huán)節(jié)，將以“翻轉(zhuǎn)課堂”的形式以學(xué)生為主體，不限制思路和方法，通過對具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)解決方案，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力；同時(shí)，也將穿插有關(guān)研究方向最新的進(jìn)展。

第二，在垂直方向上，本科階段和研究生階段只是理論深度不同，而不是分離的，強(qiáng)調(diào)的是知識(shí)體系的延伸性和完整性，因而在內(nèi)容上是從淺到深。

（1）確保理論上邏輯連貫，同時(shí)廣度有延伸。例如在本科階段對于信號(hào)濾波的學(xué)習(xí)如果僅限于圖像的增強(qiáng)，那么在研究生階段就可以對于信號(hào)濾波這一工具深入使用，比如可以挖掘頻域系數(shù)的科學(xué)內(nèi)涵，進(jìn)行圖像水印的嵌入以及圖像壓縮。

（2）實(shí)踐環(huán)節(jié)中基本處理手段使用的常態(tài)化。圖像處理中去噪、增強(qiáng)、空/頻域分析等基本的處理技術(shù)必須在本科階段熟練掌握，以保證在后續(xù)的應(yīng)用及研究中快速準(zhǔn)確地解決基本問題。

（3）注重應(yīng)用相關(guān)學(xué)科解決圖像處理的問題。如果在本科階段的實(shí)踐更注重的是基本的處理方法，以及低級語義階段的技術(shù)，那么由于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，就需要注重相關(guān)學(xué)科算法對于解決圖像一些研究方向的技巧和方法。例如，我們可能會(huì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法解決圖像處理高級語義信息處理時(shí)的問題，諸如生物信息識(shí)別，自然場景的理解，視頻語義的標(biāo)注等。

（4）前沿方向和算法的介紹。這部分在本科階段是選作部分，主要視本科水平層次中兩個(gè)主要環(huán)節(jié)的掌握程度而定。但在研究生階段，這部分是和理論實(shí)踐交融在一起的重要環(huán)節(jié)，主要在這部分引入課本上沒有涉及的新問題和新理論。

通過該一體化課程的分級教學(xué)，可以使各個(gè)階段的學(xué)生獲得相應(yīng)的培養(yǎng)氛圍和目標(biāo)，為繼續(xù)教育階段的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，尤其是攻讀研究生從事相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)深造，一體化課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)有助于提高解決科學(xué)問題的素養(yǎng)，也為從事圖像領(lǐng)域相關(guān)的工作培養(yǎng)基礎(chǔ)的工程能力。

第三，全面的考核指標(biāo)。

（1）在本科階段側(cè)重于導(dǎo)向基礎(chǔ)理論的掌握，同時(shí)考查學(xué)生對于理論在實(shí)踐中的驗(yàn)證能力，兼顧部分愿意開展高層研究或者工程開發(fā)的本科學(xué)生。

（2）在研究生階段更側(cè)重于問題的理解和解決，延續(xù)部分最新的理論知識(shí)，引導(dǎo)研究生使用各自熟悉的理論工具理解圖像處理中的問題，并設(shè)計(jì)解決方案加以實(shí)現(xiàn)，以及分析在此過程中的新問題，此時(shí)，基礎(chǔ)理論已默認(rèn)學(xué)生已經(jīng)掌握，因而會(huì)更偏重實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2 數(shù)字圖像處理課程一體化分級教學(xué)改革的途徑和建設(shè)情況

由于數(shù)字圖像處理及相關(guān)學(xué)科都處于快速發(fā)展之中，而學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)也在不斷豐富，如何將數(shù)字圖像處理各方面知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的整合，梳理出不同深度、廣度及難度的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同階段的學(xué)生；使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中明晰該課程與其支撐課程（見圖1）之間的聯(lián)系和區(qū)別，清楚該課程在學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃的知識(shí)體系中所處的位置。根據(jù)以上對該課程教學(xué)思路的分析和闡釋，山西大學(xué)視像分析教研組目前的建設(shè)情況如下。

2.1 理論上既延續(xù)又區(qū)分

在本科階段保留了傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，目前采用岡薩雷斯等編撰的《數(shù)字圖像處理》為教材，相關(guān)的國內(nèi)外著作為參考，在32 課時(shí)內(nèi)使得學(xué)生建立對圖像處理要解決的問題范疇和基本方法有初步的和全面的認(rèn)識(shí)。

在研究生階段則采用國外的研討會(huì)的形式，以本科理論問題的延伸和擴(kuò)展，綜合多種教材內(nèi)容體系的理論結(jié)構(gòu)，在36 課時(shí)內(nèi)在本科內(nèi)容的基礎(chǔ)上補(bǔ)全加深。

這就要求該一體化課程組的老師將全部的理論內(nèi)容做甄別，分難易，劃層次。

2.2 實(shí)踐上兼顧寬度和深度

本科階段由于是對圖像處理技術(shù)驗(yàn)證性的掌握，因而重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生思考的是基本的圖像處理技術(shù)對人眼感知圖像時(shí)的影響，在16 課時(shí)內(nèi)要掌握（例如以Matlab 為主要工具[8]）圖像的基本運(yùn)算，圖像的空域?yàn)V波和頻域?yàn)V波，及其對圖像去噪和銳化的作用，圖像的基本分割等。

在研究生階段則建立項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的項(xiàng)目庫，項(xiàng)目數(shù)據(jù)主要來源于公開的測試數(shù)據(jù)集，在熟練運(yùn)用本科階段圖像處理技術(shù)的前提下，以小組（2～3 人）為單位自組形成對問題的分析和解決。目前項(xiàng)目庫以開放課題的形式面向研究生，已建立的開放課題有：①行人檢測；②車牌識(shí)別；③自然場景的增強(qiáng)（雨天、霧霾天、夜晚等）；④圖像的顯著性檢測和分割；⑤自然場景中的文本檢測等。學(xué)生可以自由選擇該實(shí)踐環(huán)節(jié)的編程語言，如C++、Python 或Matlab。

2.3 方向上保持前瞻性

這方面主要是針對研究生階段的學(xué)習(xí)，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組（2～3 人）形式在18課時(shí)內(nèi)從指定的主題列表中，自主選擇一篇最新的優(yōu)秀論文精講，并就論文中涉及的數(shù)學(xué)問題進(jìn)行推演。精講環(huán)節(jié)要求小組成員充分考慮到以下因素：問題的背景及研究現(xiàn)狀、論文所提方案的出發(fā)點(diǎn)和解決切入點(diǎn)、論文的主體思路和核心貢獻(xiàn)點(diǎn)、復(fù)現(xiàn)論文的方案并對復(fù)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論、能否發(fā)現(xiàn)論文中的局限性并提出改進(jìn)。

3 一體化課程分級教學(xué)建設(shè)方案的效果和現(xiàn)狀

從2013 年開始，研究生階段的數(shù)字圖像處理課程已經(jīng)完整開設(shè)了7 次，本科階段的課程開設(shè)了3 次，學(xué)生（特別是研究生）對這種模式表現(xiàn)出濃厚的興趣，獲得山西大學(xué)相關(guān)專家的肯定。本科學(xué)生了解到圖像處理領(lǐng)域的新思路和方法，對于該方向產(chǎn)生濃厚的興趣，本科已畢業(yè)繼續(xù)更高學(xué)術(shù)深造的學(xué)生，其專業(yè)素養(yǎng)也獲得了從事相關(guān)領(lǐng)域研究生導(dǎo)師的好評；而對于研究生學(xué)生，以課題組老師精心挑選的開放課題項(xiàng)目庫為范例，獲得了系統(tǒng)的科學(xué)分析問題、解決問題、查閱資料、做口頭報(bào)告以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

4 結(jié) 語

當(dāng)前，山西大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院已成立了視像分析教研組，對于教研組所設(shè)計(jì)的一體化分級教學(xué)模式仍處于探索和不斷建設(shè)階段，在理論和實(shí)踐的一體化融合、分階段甄別過程中還需要任課老師長期實(shí)踐和摸索。該課程的內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)，就要時(shí)時(shí)把握理論基礎(chǔ)的扎實(shí)和前沿方向的平衡，不斷擴(kuò)充課程架構(gòu)中的開放課題庫和技術(shù)方法，立足于各階段學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)要求，從而提升數(shù)字圖像處理課程一體化分級模式的教學(xué)質(zhì)量。