農業院校數字圖像處理實踐教學方法探討

王玉偉　劉路　廖娟　唐七星

摘要 ? ?數字圖像處理是一門理論與實踐緊密結合的專業課程，實踐教學作為一種有效的課堂教學方法，發揮著舉足輕重的作用。優秀的實踐教學能夠凸顯課程的實用性，進而激發學習興趣，鞏固理論知識，鍛煉動手能力，提升教學質量。本文分析了數字圖像處理的課程特點，并以農業院校為例，探討如何更好地實施實踐教學。

關鍵詞 ? ?數字圖像處理;實踐教學;農業院校

中圖分類號 ? ?G642 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）16-0242-02

Exploration ?on ?Practice ?Teaching ?Method ?for ?Digital ?Image ?Processing ?of ?Agricultural ?Universities

WANG Yu-wei ? ?LIU Lu ? ?LIAO Juan ? ?TANG Qi-xing

（College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei Anhui 230036）

Abstract ? ? Digital image processing is a professional course that combines theory with practice. As an effective method of classroom teaching， practice teaching plays an important role. Excellent practice teaching can highlight the practicality of the course， then stimulate learning interest， consolidate theoretical knowledge， exercise practical ability， and improve teaching quality. This paper analyzed the course characteristics of digital image processing， and took agricultural universities as an example to explore how to implement practice teaching better.

Key words ? ?digital image processing; practice teaching; agricultural university

隨著電子信息和人工智能技術的快速發展，數字圖像處理在農業領域的應用越來越廣，極大地推動了農業現代化水平。目前，農業領域的數字圖像處理專業人才比較緊缺，尤其是基礎知識扎實、創新能力突出的專業人才，因而培養相關專業人才的需求越來越高[1]。數字圖像處理是電子信息類的重要專業課程，主要包括數字圖像基礎、灰度變換、空域濾波、頻域濾波、小波分析、圖像壓縮、形態學處理、圖像分割、目標識別等[2]。該課程綜合性較強，內容多、跨度大、覆蓋面廣，涉及計算機科學、數學、光學、電子學、信息學等學科知識;該課程理論和實踐緊密結合，通過動手編程將理論公式轉化為算法代碼，觀測數字圖像處理結果，并加以總結歸納，加深對理論公式的理解;該課程對學生創新能力要求較高，針對不同的應用場景和需求設計編寫相應的數字圖像處理算法，并通過大量數據測試來驗證算法的有效性[3]。然而，傳統課程教學過程中存在諸多問題：圖像處理涉及大量的數學公式，且理論推導過程比較復雜，導致課程內容枯燥乏味、學生學習興趣不高;教師拘泥于固定的教材案例，圖像數據和算法比較單一，串聯多個知識點的綜合應用較少，導致學生綜合運用圖像處理算法的能力較弱;學生缺乏動手編程經驗，往往出現眼高手低的情況，理論和實踐脫節嚴重，解決實際問題的能力較弱[4]。根據數字圖像處理課程的上述特點和問題，如何針對不同專業設計不同的實踐教學，運用理論知識解決實際問題，顯得尤為重要[5]。根據農業院校的培養需求，本文選擇谷粒計數作為實踐教學案例，并講述該教學案例的具體實踐過程。

1 ? ?圖像采集實踐

圖像采集是圖像處理的前提，良好的圖像質量將大幅降低圖像處理難度。在傳統教學過程中，受限于專業的圖像采集設備，教師往往只使用教材中的圖像素材，復現教材中的圖像處理算法，容易忽略圖像采集這一重要環節。隨著智能手機的逐漸普及，其成像質量不斷提高，對于簡單應用場景，指導學生利用智能手機進行圖像采集具有較強的可行性。教師可以引導學生分析應用需求，確定光源、背景、拍攝角度和距離等參數，保證所采集的圖像質量，便于后續的圖像處理。

例如，如果要實現谷粒計數，需要將谷粒從圖像中分割出來，然后統計谷粒區域個數。為了保證谷粒圖像分割的準確性，谷粒和背景之間的對比度越高越好。對于不同種類的谷物，其表面顏色差異較大，因而選擇合適的拍攝背景有利于提升圖像的對比度。例如，大米可以選擇黑色背景，綠豆可以選擇白色背景，這樣采集到的圖像中谷粒和背景的顏色存在明顯差異，谷粒圖像分割閾值的選取比較容易。圖1為使用iPhone XR拍攝的白色背景下大米和綠豆的圖像，可明顯看出大米與背景之間的對比度較低，綠豆與背景之間的對比度較高。同時，為了保證谷粒個數統計的準確性，谷粒擺放時需要保證谷粒之間存在一定間隙，避免出現谷粒緊挨的情況。對上述案例進行拓展，教師可以讓學生思考如何采集小麥、大豆、玉米、花生等谷物圖像，并安排學生課后驗證圖像采集效果，提升學生動手實踐能力。

2 ? ?圖像處理實踐

采集到谷粒圖像以后，下一步需要對圖像進行分析處理，教師可以引導學生分析圖像特征，確定大致的圖像處理流程，并通過軟件編程實現，再根據實驗結果逐步調整算法參數，最終達到預期目標。通過MATLAB編程實現綠豆顆粒計數，其具體流程如下：①調用灰度化處理函數rgb2gray，將圖2（a）所示的彩色圖像轉化為圖2（b）所示的灰度圖像;②調用 OSTU閾值分割函數imbinarize，將綠豆從白色背景中分割出來，如圖2（c）所示;③調用孔洞填充函數imfill，對圖 2（c）中的孔洞進行填充，結果如圖2（d）所示;④調用連通域標記函數bwlabel，對圖2（d）中的連通域進行標記，結果如圖2（e）所示;⑤最后對連通域個數進行統計，并將計數結果顯示在原始圖像上，如圖2（f）所示。

在上述實踐案例講授過程中，可以通過提問方式引導學生積極參與討論。例如，圖2（c）分割出的綠豆區域為何存在孔洞？因為綠豆種臍的顏色偏白，其灰度值大于OSTU閾值。在圖像拍攝過程中為何一定要避免出現谷粒緊挨的情況？因為上述算法假設圖2（e）中的每個連通域只對應1個谷粒區域，這樣谷粒個數就等于連通域個數，如果多個谷粒緊挨，將會導致連通域與谷粒區域的一一對應關系被破壞，輸出錯誤的計數結果。通過這種一問一答的方式，可以有效激發學生的求知欲，提升學生學習主動性。以上述算法作為參考，安排學生課后實現小麥、大豆、玉米、花生等谷物的顆粒計數，培養學生的算法編程能力和開拓創新能力，讓學生切實感受到學有所用。

3 ? ?結語

本文選擇谷粒計數作為農業實踐教學案例，指出了圖像數據采集的重要性，綜合運用了圖像閾值分割、孔洞填充、連通域標記等圖像處理算法，并使用MATLAB編程實現整個實踐過程的具體化、形象化、可視化，指導學生綜合運用數字圖像處理的理論知識解決實際問題。實踐教學的有效實施不僅有助于提升課堂教學的趣味性，鞏固學生的理論知識，培養學生的創新意識，同時還能夠提升學生的編程能力，為將來從事相關行業打下堅實的專業基礎。

4 ? ?參考文獻

[1] 翟瑞芳，彭輝，劉善梅，等.農業院校數字圖像處理課程創新實踐教學[J].計算機教育，2012（5）：25-29.

[2] 宋懷波，何東健，龍燕，等.農業院校《數字圖像處理》課程教學改革與實踐[J].考試周刊，2014（70）：10-11.

[3] 郭琳琴，楊艷.《數字圖像處理數學方法》案例教學探討[J].浙江水利水電學院學報，2018，30（6）：81-84.

[4] 李婕，鞏朋成.關于《數字圖像處理》課程的體會與思考[J].教育教學論壇，2018（47）：216-217.

[5] 馬慧敏，袁濤，焦俊，等.基于數字圖像處理課程內容的實踐案例實施[J].科教導刊，2019（12）：91-93.

基金項目 ? 安徽省教學研究項目（2019jyxm0110）;安徽農業大學校級質量工程項目（2019aujyxm33，2019aujyxm27，2019aujyxm34）。

作者簡介 ? 王玉偉（1991-），男，安徽太和人，博士，講師。研究方向：數字圖像處理。

收稿日期 ? 2020-05-05