應(yīng)用型高校本科《數(shù)字圖像處理》課程項目化教學(xué)方法探索

鄭來文 姚巧鴿 周原

【摘要】針對數(shù)字圖像處理課程涉及學(xué)科眾多、理論性強，學(xué)生難以實現(xiàn)從理論到編程實踐的跨越的狀況，引入了項目化教學(xué)方法。該方法共分為五個階段，通過強化其中的圖像處理算法的制定和編程實現(xiàn)這兩個階段的訓(xùn)練，有效的提高了學(xué)生對圖像處理算法理論的理解，鍛煉了學(xué)生的編程實踐能力。通過這一教學(xué)改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動性，提高了教育教學(xué)效果，增強了學(xué)生的綜合能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像處理;項目化教學(xué)方法;圖像處理算法

【基金項目】2019年度黃淮學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目（2019XJGLX0135）;黃淮學(xué)院2018年度高等教育教學(xué)改革研究重點項目（編號：2018XJGLX0112）;黃淮學(xué)院2018年度高等教育教學(xué)改革研究一般項目（編號：2018XJGLX0229）;2020年度河南省高等學(xué)校重點科研項目（編號：20B510008）。

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.04..089

隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，很多種用戶終端（例如智能手機、平板電腦和計算機等）都集成了攝像頭并具有圖像處理功能。數(shù)字圖像處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生活娛樂、醫(yī)學(xué)影像、安防監(jiān)控、工業(yè)視覺檢測等領(lǐng)域中。為了適應(yīng)社會需求，目前大多數(shù)應(yīng)用型本科院校的電子信息類專業(yè)都開設(shè)了數(shù)字圖像處理課程。數(shù)字圖像處理是一門對理論基礎(chǔ)和實踐能力要求都較高的學(xué)科，在理論上，該課程涉及到數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、電子學(xué)、信息論、控制論、物理學(xué)和心理學(xué)眾多等學(xué)科的知識;在實踐上，需要根據(jù)圖像處理任務(wù)的要求選擇合適的編程語言進行編程實現(xiàn)。因此，“枯燥抽象，難教難學(xué)”一直是數(shù)字圖像處理教學(xué)中的突出問題。為了解決這個問題，有些文獻給出了數(shù)字圖像處理課程教學(xué)和實驗的方法與經(jīng)驗，但是并沒有給出如何實現(xiàn)從理論教學(xué)到編程實踐的具體范例。

筆者近幾年來一直擔(dān)任黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院通信工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)工作，在教學(xué)和實驗過程中發(fā)現(xiàn)主要由于以下兩個原因?qū)е聦W(xué)生學(xué)習(xí)理論與進行實踐環(huán)節(jié)的脫鉤：一是有些學(xué)生難以理解線性代數(shù)、信號處理等專業(yè)基礎(chǔ)知識怎么在圖像處理中使用，即怎么實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致編程時無從下手;二是有些同學(xué)雖然理解了圖像處理中的知識點并能編程實現(xiàn)單個知識點的功能，但是一個實際應(yīng)用的圖像處理項目需要使用到很多個知識點，有些學(xué)生不知道怎么把這些知識點綜合在一起編程實現(xiàn)，對程序功能和整體結(jié)構(gòu)把握不清楚，導(dǎo)致“只見樹木，不見森林”的狀況。有些文獻提出使用項目驅(qū)動教學(xué)法來解決這一困境，并給出了一些范例，然而，這些文獻都沒有給出對于圖像處理領(lǐng)域來說比較重要的圖像處理算法，還是難以讓學(xué)生快速的實現(xiàn)從理論到實踐的跨越。

為了解決這個問題，黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院數(shù)字圖像處理課程組根據(jù)生產(chǎn)、生活中對圖像處理的需要探索了一些項目化教學(xué)案例，通過對學(xué)生的調(diào)查了解，可以知道這些教學(xué)案例不但可以讓學(xué)生快速的掌握從圖像處理項目需求分析到編程實現(xiàn)的方法，而且極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.項目需求分析與相關(guān)知識點

項目化教學(xué)方法是指師生通過完成一個完整“項目”的形式進行教學(xué)，該教學(xué)法主張學(xué)生以自主學(xué)習(xí)和動手實驗為主，教師講授知識和實驗指導(dǎo)為輔，讓學(xué)生在完成項目任務(wù)過程中應(yīng)用已有知識和學(xué)習(xí)新知。綜合學(xué)習(xí)文獻，我們制訂的項目化教學(xué)方法流程如圖1所示。整個流程共被分為五個階段，其中圖像處理算法和編程實現(xiàn)是學(xué)生完成項目過程中的難點，也是對于圖像處理領(lǐng)域來說的重點，所以這兩個階段是本文敘述的重點內(nèi)容。下面選取一個電子相冊的制作為實例來介紹我們的項目化教學(xué)方法。

電子相冊是近幾年數(shù)字圖像處理技術(shù)在娛樂生活中的一個應(yīng)用，用戶可以把自己拍攝的照片經(jīng)過縮放、投影變換等處理后粘貼到事先做好的模板圖像中，再加上文字、音樂等內(nèi)容等，從而把靜止的照片做出“相片音樂電視”。本文只討論電子相冊制作的圖像處理內(nèi)容。

在上課時，教師首先演示一些別人制作的電子相冊，導(dǎo)入本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。然后進入圖像處理項目的需求分析階段的訓(xùn)練。給出一幅照片Lena，以及兩幅模板圖像Poster1和Poster2，如圖2、圖3和圖4所示。讓學(xué)生進行分組討論怎么實現(xiàn)把照片Lena“放置”到兩個模板圖像中的空白區(qū)域，得到如圖5和圖6的實驗結(jié)果。教師則提示學(xué)生注意這兩個模板圖像空白區(qū)域的區(qū)別。經(jīng)過討論，得到如下結(jié)論：①照片Lena是一個行數(shù)與列數(shù)相等的正方形，模板Poster1中的空白區(qū)域是一個行數(shù)與列數(shù)不相等的長方形，需要把照片Lena縮放為與模板Poster1中的空白區(qū)域相同的長方形;②模板Poster2中的空白區(qū)域是一個傾倒的梯形，需要把照片Lena進行投影變換為與模板Poster2中的空白區(qū)域相同的梯形。

接著進入相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)階段的訓(xùn)練。相關(guān)知識點主要包括：①圖像的縮放處理;②圖像的投影變換;③圖像區(qū)域的尋訪與賦值，即把經(jīng)縮放處理或投影變換處理后的圖像怎么“放置”到模板的空白區(qū)域。這三個知識點主要讓學(xué)生查詢資料來完成，學(xué)生無法理解的內(nèi)容則需要教師進行講解。

2. 圖像處理算法

完成相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)以后，就可以進入圖像處理算法的制定階段的訓(xùn)練。圖像處理算法是指實現(xiàn)項目目標(biāo)任務(wù)的方法與步驟，可以使用流程圖或偽代碼來描述圖像處理算法。在讓學(xué)生制定圖像處理算法之前，教師可先做一個示范，即演示一個簡單的圖像處理任務(wù)，并講解怎樣使用偽代碼或者流程圖對該圖像處理任務(wù)的步驟進行描述，讓學(xué)生進行學(xué)習(xí)模仿。然后讓學(xué)生分組交流、討論后制定出制作電子相冊的圖像處理算法。篇幅所限，本文只給出使用偽代碼方法描述的制作電子相冊的圖像處理算法：

① 讀取照片Lena;

② 讀取模板圖像;

③ 對模板圖像進行判斷，若是Poster1就執(zhí)行步驟④，若是Poster2則執(zhí)行步驟⑤;

④ 選取模板的空白區(qū)域左上角及右下角的坐標(biāo)，計算出空白區(qū)域的行數(shù)與列數(shù)。根據(jù)行數(shù)與列數(shù)對照片Lena進行縮放處理，并把處理得到圖像賦值給模板空白區(qū)域;

⑤ 選取模板的空白區(qū)域左上角、右上角、左下角和右下角的坐標(biāo)，由這四組坐標(biāo)確定投影變換矩陣。然后按照投影變換矩陣對照片Lena進行處理，并處理得到圖像賦值給模板空白區(qū)域;

⑥ 顯示并保存處理后的模板圖像。

圖像處理算法非常重要，可以說它是決定圖像處理任務(wù)成敗的關(guān)鍵，所以一定要培養(yǎng)學(xué)生制定、描述圖像處理算法的能力與習(xí)慣。為達到這個目的，我們要求學(xué)生在每個項目的實驗報告中都給出圖像處理算法，并且是評定實驗報告成績的重要因素。

3. 編程實現(xiàn)與考核評價

圖像處理算法確定以后，就可以進入編程實現(xiàn)階段的訓(xùn)練。根據(jù)學(xué)生編程能力的不同，可以選擇合適的語言，例如MATLAB、Python或C語言等，編寫程序來對圖像進行處理。注意不同的語言會影響項目成績的評定。一個圖像處理項目往往需要使用多種圖像處理算法，對于常規(guī)的圖象處理算法，比如圖像的縮放、中值濾波等，要求學(xué)生自己編寫代碼實現(xiàn)，以此來鍛煉學(xué)生的編程能力;對于比較復(fù)雜的圖像處理算法，比如傅里葉變換、直方圖匹配等則可以調(diào)用函數(shù)來完成。

編程實現(xiàn)以后，就可以進入考核評價階段。項目成績的計算公式為：

項目成績=實驗結(jié)果成績×0.4+代碼成績×0.3×α+實驗報告成績×0.3

式中的α是編程語言系數(shù)，采用Python或C語言編程的α=1，采用MATLAB語言編程的α=0.8。

驗收時，各個小組的學(xué)生分別演示自己的項目成果，包括實驗結(jié)果、代碼和實驗報告。學(xué)生自評和互評不但要給出分?jǐn)?shù)，還要指出項目完成的不足之處和優(yōu)點，再由老師進行點評總結(jié)，確定項目成績。

4. 結(jié)語

通過三年的實踐表明，項目化教學(xué)方法可以加深學(xué)生對圖像處理算法原理的理解，提高學(xué)生的實踐動手能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。然而，項目化教學(xué)方法無法涵蓋教學(xué)大綱要求的全部圖像處理技術(shù)，需要學(xué)生在課余自學(xué)一部分內(nèi)容。所以，我們下一步的目標(biāo)是尋找、設(shè)計更多的項目化教學(xué)案例來緩解這個問題。此外，圖像處理新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，教師需要不斷更新自己的知識結(jié)構(gòu)，把新技術(shù)引入到項目化教學(xué)案例中。

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作者簡介：鄭來文，男，博士，講師，研究方向為圖像智能處理與計算機視覺。