面向能力培養的數字圖像處理實踐體系設計

劉力雙，夏潤秋，孟浩，耿蕊，呂勇，劉洋，郎曉萍

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

在工程教育專業認證理念的指引下，為了加強學生的解決復雜工程能力的培養，對數字圖像處理課程進行教學改革，設計《數字圖像處理及應用》的理論課和《視覺檢測系統設計與實踐》實踐環節相結合的教學體系。理論課環節設置多個視覺檢測系統相關的編程大作業，在實踐環節設置基于MATLABGUI的視覺檢測系統設計，要求對復雜工件進行視覺檢測，并根據測試結果進行評分競賽排名。調查表明，面向能力培養的教學改革激發學生的學習興趣，能主動投入較多的時間精力進行課程學習和實踐訓練，提高學生的工程實踐能力。

數字圖像處理；視覺檢測；解決復雜工程問題；工程實踐能力

0 引言

工程教育認證理念對于助推高校持續深化教育教學改革，不斷提升我國工科專業建設水平與人才培養質量具有重要作用[1]。工程教育認證標準要求以學生為中心，培養學生解決復雜工程問題的能力，也是培養高素質工程人才的關鍵。

數字圖像處理類課程是信息類專業本科生重要的專業課，通過該課程的學習，學生能夠理解數字圖像處理的概念和原理，能夠對圖像進行各種處理，為模式識別、計算機視覺、以及其他交叉學科等工程領域的應用奠定基礎。隨著信息及電子技術的快速發展，數字圖像處理技術已應用到工業自動化、通信、交通運輸、醫學、機械、材料、航空航天、軍事等各個領域[2-6]。

1 傳統數字圖像處理教學存在的問題

數字圖像處理課程具有理論與實踐、原理和應用緊密結合的特點，學生在學習的過程中，既對其實現功能和應用前景充滿期待，又對其深奧的理論和繁雜的公式推導喪失興趣。傳統數字圖像處理課程教學方式以教師講授為主，學生對知識的接受比較被動，在進行實驗時大都以算法效果對比為主。作為一門實踐性很強的課程，卻與工程實踐相脫節。學生修完數字圖像處理課程，理解了數字圖像處理的基本原理，而對實際工程中常用的數字圖像處理系統了解較少，不具備設計系統的能力，也不具備系統的數字圖像處理算法程序的編寫能力。

在工程教育的背景下，需要對數字圖像處理課程進行教學改革，從實踐環節入手，培養學生的解決問題的實踐能力和創新精神，對加強學生解決復雜工程問題能力非常必要[7-14]。

2 數字圖像處理課程教學改革設計

北京信息科技大學一直非常重視學生實踐能力的培養。光電信息科學與工程專業的《現代電子技術及應用》課程，在前期的教學改革中，采用“做中學”的教學方法，取得了較好的效果。通過對完成課程學習的學生進行調查，學生對這種方式對實踐動手能力的訓練給予了高度認可[15]。

在制定2016版培養方案時，課程教學小組按照工程教育的理念，加強學生動手實踐能力和解決復雜工程問題能力的培養，基于“OBE”的教學理念，以學生為中心，“引入工程項目，采用任務驅動”的教學模式來激發學生學習興趣。將上一版培養方案的《數字圖像處理》課程改為《數字圖像處理及應用》（32學時）的理論課程和《視覺檢測系統設計與實踐》（16學時+1周）實踐環節。兩個環節在同一學期開設，相互配合開展。這種教學體系，以學生能夠設計并實現視覺檢測系統為教學目標，希望學生通過課程學習能夠獲得數字圖像處理理論知識的同時，能通過自主學習動手設計實現數字圖像處理算法，達到培養學生解決復雜工程問題能力的目的。

課程體系的教學目標除掌握數字圖像處理相關知識外，還對學生的以下能力進行訓練：①數字圖像處理相關工程實踐的能力，包括設計圖像處理算法的能力，將算法轉換為程序的能力，調試程序的能力。②團隊能力。實踐環節設計以小組形式進行，每組2人，在總結報告中給出任務分工和工作量分配。③撰寫總結報告的能力。使學生具備完成內容充實、格式規范的總結報告的能力。④自主學習、查找資料的能力。很多設計所需的資料、MATLAB圖像處理的函數等都需要學生自行查資料學習掌握。

3 《數字圖像處理及應用》理論課教學設計

課程教學內容方面增加了視覺檢測系統的選型與設計等工程應用方面的內容，增加了圖像識別、人工智能方面的較新的熱點內容，課程內容更側重于數字圖像處理的工程應用。

課程刪掉了以前效果不夠理想課程實驗環節，設置了多個編程大作業。大作業是從專業特色突出的工程項目中提煉出來的任務，需要學生投入較多的時間，并通過自主學習來完成作業要求的圖像處理算法設計，并對算法處理結果進行對比分析。

大作業使學生由“被動聽課”變為“主動學習”和“動手編程”，提高了學生的興趣，提高了講授教學環節的教學效果。培養學生實踐動手能力和解決復雜工程問題的能力。首次開課設置的編程大作業有以下9個題目。

（1）圖像的點操作和灰度變換。要求自拍一張照片，完成以下數字圖像處理算法：①顯示圖像的灰度直方圖；②利用MATLAB對圖像進行點操作，選擇合適的閾值對圖像進行二值化；③對照片臉部提升亮度的操作，給出變化前后的灰度直方圖對比；④對照片臉部打馬賽克；⑤對圖像進行直方圖均衡化，給出變化前后的灰度直方圖對比；⑥灰度變換：分別對圖像的低灰度值和中間灰度值進行擴展，壓縮其他區域，給出變化前后的灰度直方圖對比。

（2）圖像濾波。要求自拍一張照片，完成以下數字圖像處理算法：①給圖像分別添加隨機噪聲和椒鹽噪聲；②采用不同的平滑濾波模板進行濾波對比（不同模板、不同尺寸）；③采用中值濾波對圖像進行濾波對比；④對添加隨機噪聲的多幅圖片取平均。要求對比分析：①不同空間域卷積器模板的濾波效果有何不同？②空間域卷積器模板的大小的濾波效果有何影響？

（3）圖像的邊緣檢測。對給定圖像完成以下數字圖像處理算法：①采用Sobel算子、Roberts算子、LOG算子、Canny算子等多種方法處理得到圖像中的邊緣，并進行算法的對比分析（重點對比Canny算子與其他算子的區別，分別從算法原理和實際處理結果分析）；②采用輪廓提取算法處理得到圖像中的邊緣（先閾值分割，將圖像與腐蝕后的圖像相減）；③選做：將圖像中的邊緣點輸出到一個文件中；④選做：實現邊緣點的亞像素定位算法（從函數擬合法、灰度矩法等任選一種算法）。

圖1 圖像的邊緣檢測

（4）圖像的頻域處理。對給定圖像實現以下數字圖像處理算法：①顯示圖像頻譜圖；②對圖像進行低通濾波處理，對比不同參數時的處理結果并分析；③對圖像進行高通濾波處理，對比不同參數時的處理結果并分析；④對比不同濾波器的處理結果并分析；⑤通過對圖像的頻譜矩陣操作，實現在圖像中添加某方向的正弦波條紋。

圖2 圖像的頻域處理

（5）彩色圖像處理。①實現圖像中某區域的顏色識別程序，首先實現讀入計算機生成圖片進行識別，然后對手機拍攝的色卡照片進行識別，并分析二者的差別；②選擇一幅灰度圖像，添加偽彩色；③選擇一幅彩色圖像，對圖像進行分色處理，再組合為彩色圖像。

（6）視覺檢測圖像處理。①實現圖3所示圖像的邊緣檢測，并根據邊緣點擬合直線參數；②實現圖4所示圖像的邊緣檢測，并根據邊緣點擬合圓參數；③采用邊緣點擬合的方法對圖5所示圖像中4條邊的邊長和夾角的計算（注意邊緣點的直線歸屬判斷）；④采用hough變換，實現圖5所示圖像中4條邊的邊長和夾角的計算。

圖3 求出圖中直線的參數

圖4 求出圖中圓的 圓心位置和半徑

圖5 求4條邊的 邊長和相互夾角

（7）視覺檢測圖像處理。①求圖6中光斑的中心坐標。采用邊緣擬合法和灰度重心法兩種方法實現，并進行對比分析；②求圖7中光條的中心的位置；③實現圖像的某一區域的清晰度評價，并用實例測試效果（建議采用梯度向量平方法）。

圖6 求出圖中光斑的 中心位置

圖7 求光條的 中心的位置

（8）圖像清晰度評價。①在視覺檢測實驗平臺上，調節相機，拍攝一組從模糊到清晰再到模糊的圖片，選擇一種圖像調焦評價算法，對該組調焦過程圖片進行調焦評價，給出評價值，并畫出調焦評價值變化曲線。②選做：理論分析并實驗測試調焦圖像中邊緣點數量（高頻信息）和照明亮度對調焦靈敏度的影響。

（9）二維視覺檢測系統標定。如圖8所示為二維視覺檢測系統采集的掩膜版制作的標定板（圓心間距10mm，左下圓心為（0,0）點）：①標定出圖像中像素與實際空間的比例變換關系；②標定出兩個坐標系的旋轉角度；③標定出兩個坐標系的變換關系；④選做：標定出圖像的畸變情況。

圖8 二維視覺檢測系統標定圖像

4 《視覺檢測系統設計與實踐》實踐環節教學設計

《視覺檢測系統設計與實踐》實踐環節與《數字圖像處理與應用》理論課同步開展，在學期中設置了16學時，前期主要任務是學習MATLABGUI界面的編寫，后期是將一些算法在GUI界面上實現，最后1周集中主要是程序調試、測試、完善、答辯和撰寫報告。

為了充分調動學生的學習積極性和主動性，實踐環節教學設計除要求學生實現要求的數字圖像處理程序功能外，還參考2017年中國機器人大賽先進視覺比賽項目的比賽規則，引入了競賽機制，制定了詳細的評分規則。定做了不同尺寸參數的掩膜板作為被測工件，要求學生給出被測值，將被測值與真值進行比較，根據誤差大小進行評分。根據最終分數進行排序并給出該部分得分。

實踐環節的具體任務要求為：

（1）采用MATLAB編寫GUI界面，實現可讀入計算機內存儲的圖片顯示，以及USB相機的圖像采集、實時顯示和圖像存儲。（功能項）

（2）完成視覺檢測實驗系統的組建。（功能項）

（3）編程實現圖像調焦實時評價，并將結果顯示到界面上。（功能項）

（4）實現采集圖像的濾波算法，包括多圖像平均濾波算法、均值濾波、中值濾波、高斯濾波等，界面可選。（功能項）

（5）實現圖像的直方圖顯示、直方圖均衡化算法。（功能項）

（6）實現圖像的頻譜顯示、高通濾波和低通濾波。（功能項）

（7）實現圖像的顏色識別，識別教師指定的10種顏色色卡，并在界面上顯示結果。（競賽評分項）

（8）實現邊緣檢測，并在軟件界面上顯示結果。（功能項）

（9）實現待測工件的標定，工件舉例如圖9所示。實現標定程序，并完成系統坐標轉換關系的標定。（黑框內側邊緣的尺寸已知，橫向邊緣作為X軸方向）（評分項）

圖9 待測工件舉例

（10）實現圖9所示工件中圖形參數的計算，對測量結果按照精度進行評分和排名。（注意：測試評分時，圖形的位置和方位都會發生變化）（評分項）

（11）撰寫設計總結報告，對程序設計原理、程序設計過程、實驗結果進行分析。（要求：格式規范，清晰、有條理地表達設計過程和設計結果）（報告評分）

5 課程教學改革效果

課程采用了超星公司的學習通軟件作為課程在線管理軟件，獲得了較好的效果，“在線簽到”避免了上課考勤浪費時間，在線布置作業和提交作業、批改作業減少了以往交作業的中間環節，師生能夠在軟件上直接溝通，特別是對作業的及時反饋，提高了工作效率。

理論課的編程大作業要求學生獨立自主完成，課程組進行了嚴格考核，對作業存在的問題進行反饋，同時避免抄襲情況。布置大作業時，強調數字圖像處理的要求，并不指定實現方法，學生通過自主學習設計了各種解決方案，培養了學生的自主學習能力和創新能力。鍛煉了學生動手編程能力和自學能力。

實踐環節教學小組編寫了詳盡的課程設計指導書，對設計要求、設計所需的技術資料、報告要求等進行了說明。基于評分排名的設計，充分地調動了學生的興趣和積極性，學生能夠主動在程序編寫上投入時間和精力，很多同學通宵調試程序。

課程結束后對學生進行課程教學目標達成度評價調查問卷，結果表明，雖然課程需要學生付出很多時間和精力，但絕大多數學生都對這種教學改革進行了認可。表示通過課程對數字圖像處理有了深入了解和濃厚興趣，部分同學表示做畢業設計和碩士研究生還要繼續做相關領域的研究。教學改革的第一年，學生根據課程的設計內容整理發表了2篇論文。擔任助教的研究生一年級學生也表示自己在助教過程中收獲很大，大大提高了自己數字圖像處理的算法設計和程序編寫能力。

課程的下一步發展計劃是逐漸完善課程實驗硬件平臺，爭取引入更多的工程案例，讓學生搭建更多類型的視覺檢測系統[16-17]；同時引入相關企業的工程師進入課堂，帶來更多更生動的工程案例和前沿動態，將能力鍛煉與企業需求接軌。

6 結語

通過將工程實踐引入課程教學，提高了學生的學習興趣，培養學生運用理論知識解決工程項目的能力。按照工程教育專業認證的理念，提高學生解決工程問題的能力，同時對團隊能力、自學能力和撰寫報告的能力進行了鍛煉，提升了課程的教學效果。