基于Halcon軟件的《數字圖像處理》課程教學探索

摘? 要：針對高職專科院校《數字圖像處理》課程的教學現狀，提出了基于Halcon軟件的數字圖像處理教學方案。以線性變換為例，介紹了Halcon軟件在教學方案中的作用（讓理論性強、內容抽象、算法較多的數字圖像處理知識深入淺出，通俗易懂）。教學實踐表明，通過Halcon軟件教學平臺的應用有效提高高職學生的綜合實踐和創新能力，保證高職學生在新形勢下的就業競爭力。

關鍵詞：數字圖像? Halcon? 高職? 教學? 實踐能力

中圖分類號：TP39 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（b）-0014-04

Teaching Exploration of Digital Image Processing Based on Halcon Software

HOU Liling

（Electronic Engineering Department of Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou， Fujian Province， 363000 China）

Abstract： In view of the current teaching situation of digital image processing course in higher vocational colleges， the teaching scheme of digital image processing based on Halcon software is proposed. Taking linear transformation as an example， those show that Halcon software makes the digital image processing knowledge easier to understand. Teaching practice shows that the application of Halcon software teaching platform can effectively improve students' comprehensive practical and innovation ability， and ensure students' employment competitiveness.

Key Words： Digital image; Halcon; Higher vocationaL; Teaching; Practice ability

隨著5G時代到來，沒有一家企業可以脫離人工智能去贏得市場。數字圖像處理技術在這萬物互聯的智能社會里被廣泛地應用在機器視覺、軍事公安、醫學影像、交通運輸、地理信息分析等領域，是人工智能研究的一大熱點。

1? 《數字圖像處理》課程特點及存在問題

近年來，不同層次的學歷教育，從博士研究生到高職生，越來越多的專業開設“數字圖像處理”這門課程，該課程是一門涉及多學科的交叉課程，主要講述數字圖像的基本原理、理論和方法，包括了圖像增強、變換、恢復、識別、重建、分割等重要知識，是一門理論結合實踐，原理與應用并重的課程[1-2]。但在高職專科院校中，普遍存在著難以開展《數字圖像處理》課程教學的問題，其原因主要如下幾點：（1）高職專業課程內容要突出應用性和實踐性，使得理論課時數減少。而《數字圖像處理》課程知識點多且雜，同時隨著新技術的出現，知識點也不斷增加。由于教學課時的緊湊，使得教師在傳授知識點的過程中往往忽略知識點的相互聯系，無法使學生建立完整的認識體系[3-4];（2）目前高職高專學生普遍存在理論知識薄弱，尤其是對數學知識的掌握，嚴重影響了高職學生在校掌握專業性強的科目知識的能力。其中《數字圖像處理》就是一門典型科目，由于數學知識的受限性，學生往往無法形成有效的邏輯思維對算法進行推理，造成對該門課程的畏懼感，最終產生厭學情緒[5];（3）在傳統高職院校的圖像處理的教學過程中，由于缺乏與社會企業專家的交流溝通，容易造成兩極分化，一種是過分強調理論知識，忽略實踐，導致理論與實踐脫節，造成學生的實際問題編程能力欠缺;另一種則是過分強調技能，把數字圖像處理技術等同于講授應用軟件的使用，使學生難以深入學習圖像處理知識，影響對該課程的掌握，不利于培養學生的創新能力。

2? 基于Halcon軟件的《數字圖像處理》課程教學實施

2.1 課程教學實施軟件的選擇

針對不同生源、不同專業，課程中軟件的選擇對于數字圖像處理課程教學的教學效果有著密切的關系。Halcon軟件屬于開放性的架構，由一千多個獨立的函數，以及底層的數據管理核心構成，包含了各類濾波、色彩以及幾何、數學轉換、形態學計算分析、校正、分類辨識、形狀搜尋等基本的幾何以及影像計算功能，應用范圍涵蓋醫學、遙感探測、監控及工業上的各類自動化檢測[6]。

高職生理論知識薄弱，在校學習時間較短，但畢業后重在實踐工程應用，工作崗位多樣化，所對應的設備種類繁多，選擇Halcon軟件作為數字圖像處理課程的教學軟件，可以滿足高職生在理論算法知識不足的情況下，借助Halcon軟件平臺超2000個算子的超大處理能力，在交互式的程序設計界面HDevelop下直接撰寫、修改程序代碼，執行程序，從而快速、有效地掌握一定的圖像處理技術。同時學生可以進行圖像處理軟件的二次開發[6]，掌握如何選擇、應用各種圖像處理方法及應用工具正確地獲取各種信息，真正將理論與實際緊密結合起來，從而解決工程、生產及科研中遇到的各種具體圖像信息交流問題，提高高職學生在不同崗位的應用創新能力，保證高職學生在新形勢下的就業競爭力。

2.2 Halcon軟件的教學實施

2.2.1 課程教學設計理念

目前圖像處理技術的方法、應用日新月異，圖像處理應用人才供不應求。如何在有限的教學時間內培養符合市場技術需求的人才是我們不斷進行教學創新與改革的目標。高職院校的學生數學基礎及自主學習能動性相對薄弱，過于強調理論算法的講解容易使學生產生厭學情緒，不利于開展課程教學。該課程采用以“學生為主，教師為輔”師生互動的“項目式”教學，在Halcon軟件的支持下根據實際應用情況及時更新圖像處理的新技術、新方法，以精簡空洞示例和晦澀數學公式推導的講解，重點使學生掌握選擇和運用算子類別的能力為教學準則，以常用的圖像處理技術為主線，在基礎性驗證型項目和綜合應用實踐型項目的層層遞推下[7]，學生通過分組形式，從軟件輸出的圖像處理效果，從算子的接口參數進行分析推導，最后分析得出圖像處理的數學模型及其適用場合。此方法有效地幫助學生理解復雜的數學公式理論背后的物理意義及實踐價值，掌握數字圖像處理的基本原理和掌握實際算子具體選擇及應用方法，保證了高職學生在數學理論基礎薄弱的情況下能依然有效地將理論與實踐相結合，掌握圖像處理的實際應用技能，同時通過分組實施項目大大提高了學生的自主學習積極性及協作能力。

2.2.2 課程教學設計實施

該課程以工業生產應用及實際生活實踐中具有較強的代表性和實用性的項目為教學內容，從專業崗位實際需要出發設計了圖像濾波、變換、分割、點運算4個基礎項目以及尺寸測量、物品檢測、顏色識別這3個綜合型項目。該文以點運算中的線性變換為例，點運算的實質就是圖像增強處理，主要包括直方圖處理、線性變換、對數變換、指數變換和冪運算。因課時有限，課前通過任務目標布置事先安排學生查閱資料進行預習，課中重點講解一兩種，其他由學生分組進行自學驗證。

教學過程中，第一步，通過Halcon教學軟件演示經過線性變換處理前后的對比圖像效果，引入課程教學知識點;第二步，講解圖像線性變換的原理及算子中參數的意義和使用方法。在曝光不足或過度的情況下，圖像將會模糊不清，這時可通過一個線性單值函數，對圖像內的每一個像素做線性擴展，暨將圖像中所有點的灰度按照變換函數進行變換，達到改善圖像效果的目的。在Halcon軟件中，我們可采用scale_image（Image：ImageScaled：Mult，Add：）算子，其中Image表示輸入原圖，ImageScaled表示輸出變換后的結果圖像，Mult表示系數，Add表示偏移量。令變換公式y=ax+b，a為系數Mult，b為偏移量Add，則通過改變參數a、b，可改變圖像的對比度和亮度值從而實現圖像線性灰度值變換，得到不同的圖像效果圖，如圖1至圖4所示。第三步，通過Halcon軟件源程序逐步講解，使學生直觀觀察Halcon軟件中不同算子的具體應用效果，如圖5至圖7所示，從而對不同算子的應用加深與鞏固，同樣不同層次的學生還可自行添加項目實施難度來豐富圖像處理效果。

以上，整個教學過程借用Halcon軟件的教學平臺，通過項目式教學法，可將算法的理論知識與具體應用緊密結合，強調了學生的主導性、能動性，激發學生的學習興趣，培養了學生的學習積極性，有效提高教學質量[7]。

2.2.3 課程考核標準

為適應高職高專院校工學結合的培養模式，本門課程采用項目式過程考核與期末作品相結合的多元化考核模式，該課程的算法算子種類多，解題思路多樣化，在項目過程考核中鼓勵學生通過多種渠道解決問題，學生可自行選擇實驗的難易程度來完成該課程的考核。比如直接采用軟件現有的算子來完成較為簡單的基礎性驗證型項目;也可將若干個知識點串聯自行設計綜合性實驗，提高項目實施難度，從而提高自身項目分值;另外，學生也可通過采用課外更新、更前沿的算法來提高自身分數。由于考核過程不再以單次成績作為審核依據，而是貫穿整個學期的學習過程，增強了學生的學習信心，提升了學生對該課程的學習興趣。

該課程最終成績由項目總評成績、平時表現情況（含考勤、作業等）以及期末設計成績組成，三者按一定比例構成，滿分100分。另外，附加20分用于學生在完成校外合作企業的項目、競賽獲獎等分數的折算，但課程總成績以滿分100封頂。在完成期末設計的過程中，不僅培養了學生將文獻轉換為實際工程實現的能力，也進一步加深理解所涉及算法的的理論知識，提高學生工程實踐能力和創新能力，為畢業就業培養專業素養，提供技術準備[7]。

3? 結語

隨著社會智慧化技術的不斷發展與成熟，數字圖像處理技術的應用亦將更加多樣化、智能化，我們將持續關注探索，不斷提高教學質量使高職畢業生可不需進行長時間培訓就能夠直接上崗參加企業的正常生產，使高職教育緊貼企業符合的需要和社會發展的需求，真正凸顯出高職教育的重要性。

參考文獻

[1] 胡彬.面向實踐創新能力培養的數字圖像處理教學[J].中國教育技術裝備，2016（4）：118-119.

[2] 孟祥超，符冉迪，邵楓，等.《數字圖像處理》立體式教學方法改革與實踐[J].高教學刊，2019（23）：136-138.

[3] 田學軍，趙娟.數字圖像處理實驗教學改革與實踐[J].科技資訊，2016，14（30）：108-109.

[4] 陳超文.計算機應用課程教學改革的研究與實踐探索[J].中外企業家，2020（10）：180.

[5] 陸玲，李麗華.以應用實例為主線、以程序設計為主導的數字圖像處理課程教學方法改革[J].大學教育，2016（9）：166-167.

[6] 張芝化，徐麗萍，李美蓮.“數字圖像處理”課程實踐教學改革探討[J].教改教法，2018（9）：68-69.

[7] 侯麗玲.“傳感器技術與應用”課程教學改革探討[J].漳州職業技術學院學報，2017（3）：85-88.