寧紀(jì)鋒胡秋霞楊蜀秦

1.西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西楊凌 712100

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 陜西楊凌 712100

數(shù)字圖像處理課程實(shí)踐教學(xué)方法探索

寧紀(jì)鋒1胡秋霞1楊蜀秦2

1.西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西楊凌 712100

2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 陜西楊凌 712100

為了提高數(shù)字圖像處理課程的實(shí)踐效果，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教材編寫(xiě)和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行改革探索。實(shí)踐改革效果表明，學(xué)生掌握了數(shù)字圖像處理的基本內(nèi)容，學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性明顯提高，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力進(jìn)一步增強(qiáng)，取得了較好的改革成果。

數(shù)字圖像處理；實(shí)踐教學(xué)；綜合性實(shí)驗(yàn)

隨著數(shù)字成像設(shè)備的廣泛使用和圖像處理編程門(mén)檻的降低，面向圖像與視頻處理的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使得數(shù)字圖像處理成為許多院校工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課。作為一門(mén)涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，內(nèi)容與高等數(shù)學(xué)、概率論、線(xiàn)性代數(shù)和模式識(shí)別等多門(mén)數(shù)學(xué)類(lèi)課程相關(guān)聯(lián)，具有較強(qiáng)的理論性。同時(shí)，由于數(shù)字圖像處理在許多行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的實(shí)踐能力，對(duì)學(xué)好該課程也顯得至關(guān)重要。為了提高實(shí)踐教學(xué)效果，針對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教材編寫(xiě)和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置三方面進(jìn)行改革探索，以提高學(xué)生編程能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)，適應(yīng)信息技術(shù)人才培養(yǎng)的要求。

1 實(shí)踐教學(xué)改革方法

1.1 針對(duì)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

我院承擔(dān)了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和信息與計(jì)算科學(xué)三個(gè)專(zhuān)業(yè)的數(shù)字圖像處理教學(xué)任務(wù)。其中，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和軟件工程專(zhuān)業(yè)為工科專(zhuān)業(yè)，要求具有較強(qiáng)的編程能力，而信息與計(jì)算科學(xué)屬于理科專(zhuān)業(yè)，編程基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)這兩類(lèi)專(zhuān)業(yè)提出同樣的實(shí)踐教學(xué)期望值是不符合因材施教規(guī)律的。難度較淺的內(nèi)容，工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生會(huì)覺(jué)得“吃不飽”，而難度較深的內(nèi)容，理科專(zhuān)業(yè)學(xué)生則會(huì)感覺(jué)“沒(méi)法吃”。

結(jié)合每個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)，針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)，設(shè)置了與其知識(shí)結(jié)構(gòu)相吻合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，對(duì)理科專(zhuān)業(yè)，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排為對(duì)編程環(huán)境和基本操作的練習(xí)，其次為圖像處理的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；而對(duì)工科專(zhuān)業(yè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則直接從具體的圖像處理任務(wù)開(kāi)始。除了基本內(nèi)容之外，還根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設(shè)置不同側(cè)重點(diǎn)的圖像理解、圖像去霧和視頻跟蹤等綜合程度較高、編程量較大的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

1.2 針對(duì)編程環(huán)境編寫(xiě)不同實(shí)驗(yàn)教材

數(shù)字圖像處理課程的課堂上偏重于理解和學(xué)習(xí)各種圖像處理算法的思想，而如何應(yīng)用編程實(shí)現(xiàn)這些算法就成為實(shí)驗(yàn)課的重心。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，選用了數(shù)字圖像處理領(lǐng)域兩種主流的編程環(huán)境OpenCV和MATLAB完成圖像處理任務(wù)，前者運(yùn)行速度快，常用于工程實(shí)踐，后者函數(shù)指令豐富，容易上手，常用于算法的仿真驗(yàn)證。

為了使學(xué)生全面掌握編程環(huán)境，分別基于OpenCV和MATLAB編寫(xiě)了兩套實(shí)踐教材。而為了方便學(xué)生對(duì)比學(xué)習(xí)，兩套教材在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上基本相同，并提供了較為詳細(xì)的注釋?zhuān)W(xué)生學(xué)習(xí)。然而課后習(xí)題卻有所區(qū)別，在理解示例程序的基礎(chǔ)上，有的需要修改參數(shù)或指令，對(duì)比觀察不同的處理效果；有的需要采用類(lèi)似的方法實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果，有的還需要分析程序，提出自己的見(jiàn)解?？梢哉f(shuō)，它們的目的都是從全方位、多角度提高學(xué)生對(duì)編程環(huán)境、編程思想和課程知識(shí)的掌握。

基于MATLAB的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)分為三部分內(nèi)容，第一部分為MATLAB基本內(nèi)容，包括MATLAB環(huán)境和基本操作、MATLAB矩陣的建立和基本運(yùn)算與MATLAB圖像文件的基本操作；第二部分是數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括點(diǎn)處理、區(qū)處理、圖像分割、幾何變換、頻域處理、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和特征提取與分析；第三部分是MATLAB的矩陣操作及圖像處理的常用函數(shù)?；贠penCV的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)也可分為三部分內(nèi)容，第一部分為Visual C++ 2008下安裝OpenCV2.3，第二部分為數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括點(diǎn)處理、圖像分割、頻域變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和圖像處理綜合應(yīng)用項(xiàng)目，第三部分為OpenCV的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常用圖像處理函數(shù)。

1.3 實(shí)踐教學(xué)反映課程的基礎(chǔ)理論和學(xué)科發(fā)展前沿成果。

圖像處理學(xué)科發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)、人臉識(shí)別、物體識(shí)別、運(yùn)動(dòng)跟蹤、人機(jī)互動(dòng)等領(lǐng)域。為了達(dá)到“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的培養(yǎng)目標(biāo)，利用實(shí)驗(yàn)課堂、課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新多種實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在夯實(shí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，引入學(xué)科發(fā)展的前沿成果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為實(shí)踐教學(xué)注入活力。

例如，目標(biāo)跟蹤是在一段視頻序列中尋找與被跟蹤對(duì)象最相似區(qū)域的過(guò)程，它是視頻感興趣目標(biāo)分析中目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤和行為分析中，一個(gè)非常重要的步驟。目前來(lái)自各個(gè)領(lǐng)域的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)非常多，基于視頻跟蹤的應(yīng)用需求非常多。因此，研究魯棒的目標(biāo)跟蹤算法非常重要。同時(shí)，該算法包含目標(biāo)表示，目標(biāo)匹配及Mean Shift迭代公式等多個(gè)過(guò)程，需綜合運(yùn)用圖像處理課程多個(gè)章節(jié)的知識(shí)。因此我們?cè)黾恿司C合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“基于核的目標(biāo)跟蹤算法”。其應(yīng)用背景是對(duì)一個(gè)視頻序列中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。通過(guò)完成該項(xiàng)目，學(xué)生將真正體會(huì)到如何對(duì)一個(gè)應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并利用所學(xué)的數(shù)學(xué)理論進(jìn)行推導(dǎo)，求出計(jì)算機(jī)可以高效執(zhí)行的算法，編程實(shí)現(xiàn)跟蹤算法，從而真正地掌握目標(biāo)跟蹤，加深對(duì)該門(mén)課程的認(rèn)識(shí)和理解。

此外，還增加了綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容“基于暗通道先驗(yàn)的圖像去霧算法”。其應(yīng)用背景是如果天氣有霧，則拍攝的照片不夠清晰，需對(duì)圖像進(jìn)行去霧，改善圖像質(zhì)量。該項(xiàng)目應(yīng)用性非常強(qiáng)，如果在智能手機(jī)或數(shù)碼成像設(shè)備開(kāi)發(fā)相應(yīng)功能，將會(huì)極大地增加產(chǎn)品的吸引力，有潛在的經(jīng)濟(jì)效益。另外，如果電視直播一場(chǎng)重要的露天比賽時(shí)，有霧將會(huì)影響觀賞效果，因此，如果能對(duì)視頻圖像進(jìn)行去霧，將會(huì)極大地增強(qiáng)節(jié)目視覺(jué)效果，提高收視率。極強(qiáng)的應(yīng)用背景能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而推動(dòng)他們認(rèn)真地完成實(shí)驗(yàn)。該算法涉及圖像處理中的多個(gè)章節(jié)知識(shí)，例如，圖像的成像原理，自然圖像的統(tǒng)計(jì)特征，圖像插值等內(nèi)容，加深對(duì)圖像處理各個(gè)章節(jié)的綜合理解。最后，該項(xiàng)目作為近年來(lái)圖像去霧研究的一個(gè)代表作，具有極強(qiáng)的創(chuàng)新性，但是思想又非常簡(jiǎn)單。通過(guò)完成該項(xiàng)目，使學(xué)生切實(shí)理解到什么是創(chuàng)新，只要對(duì)問(wèn)題有認(rèn)真的研究和獨(dú)特的分析，創(chuàng)新性成果離自己并不遙遠(yuǎn)。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析數(shù)字圖像處理課程理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，從三個(gè)方面開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)改革。兩年的實(shí)踐教學(xué)效果表明，學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理基本內(nèi)容的理解進(jìn)一步加深，綜合性實(shí)踐項(xiàng)目全方位培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合理解，并通過(guò)多個(gè)實(shí)際問(wèn)題的建模和編程實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。根據(jù)學(xué)生專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，做到因材施教，提高了教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。實(shí)踐教學(xué)改革措施為適應(yīng)新世紀(jì)對(duì)IT人才的培養(yǎng)起到了較好地促進(jìn)作用。

[1] 姜珊,雙凱.“數(shù)字圖像處理”課程的實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(5):644-646.

[2] 郭建林.應(yīng)用型本科數(shù)字圖像處理教學(xué)改革與實(shí)踐[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào),2010,9(4):124-126.

[3] 楊青,徐艷,王少華. Matlab在“數(shù)字圖像處理”輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育,2013(7):115-116.

[4] D. Comaniciu, V. Ramesh, P. Meer. Kernel-Based Object Tracking[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2003, 25 (2): 564-577.

[5] He Kaiming, Sun Jian, Tang Xiaoou. Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior [C], Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Miami, USA, 2009, 1956 – 1963.

Experimental Teaching Exploration on Course of Digital Image Processing

Ning Jifeng, Hu Qiuxia, Yang Shuqin
Northwest A&F University, Yangling, 712100, China

In order to improve the effect of the experimental teaching of the digital image processing, we do the teaching reforming and research for this course from the experiment content, experimental instructions and comprehensive experiment project designing. The effects of experimental reform show that students better understand its basic content and their learning enthusiasm and consciousness are further improved and then the creation idea and ability are also enhanced.

digital image processing; experimental teaching; comprehensive experiments

2013-10-27

寧紀(jì)鋒，博士，副教授。

西北農(nóng)林科技大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：JY1102077，JY1102066)；西北農(nóng)林科技大學(xué)本科優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目。