翟艷麗

（華北水利水電大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

以應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式探索

翟艷麗

（華北水利水電大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

根據(jù)信息與計算科學(xué)專業(yè)的專業(yè)特色和數(shù)字圖像處理課程的課程特點，針對傳統(tǒng)式教學(xué)模式的不足，結(jié)合自身的教學(xué)實踐，提出了以應(yīng)用為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式，并從教材選取、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、實踐教學(xué)、課程考核、后續(xù)跟蹤輔導(dǎo)六個方面描述了該課程教學(xué)模式。通過實踐發(fā)現(xiàn)，該模式能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生解決實際問題的綜合能力，從而有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)模式；數(shù)字圖像處理；應(yīng)用

0 引言

圖像是人類感知和獲取外來信息的主要手段，隨著技術(shù)的日新月異，圖像處理技術(shù)獲得了空前快速的發(fā)展，逐步形成一門獨立的學(xué)科。數(shù)字圖像處理也成為各高等學(xué)校信息類專業(yè)必修或選修的一門重要課程。該課程具有理論內(nèi)容豐富、多學(xué)科交叉滲透、發(fā)展迅速、實踐性強的特點。因此，在教學(xué)中如何使學(xué)生在掌握基本理論的同時能夠很好地解決實際問題是一件比較困難的事情。本文針對信息與計算科學(xué)專業(yè)的專業(yè)特色，結(jié)合自身教學(xué)實踐，提出了以應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式。

1 課程的內(nèi)容及培養(yǎng)目標(biāo)

目前國內(nèi)的數(shù)字圖像處理教材非常豐富，但基本內(nèi)容大致相同，理論教學(xué)主要圍繞以下內(nèi)容展開：圖像的基本知識（包含取樣、表示、分辨率、灰度圖像、彩色圖像、動態(tài)圖像、圖像格式等）、圖像增強（包含灰度變換、直方圖、空間濾波器、頻域濾波器等）、圖像復(fù)原（包含圖像復(fù)原模型、噪聲模型、估計退化函數(shù)、濾波器等）、圖像壓縮（包含圖像壓縮模型、信息論基礎(chǔ)、有損壓縮、無損壓縮、壓縮標(biāo)準(zhǔn)等）、數(shù)字形態(tài)學(xué)（包含膨脹、腐蝕、開操作、閉操作、應(yīng)用等）、圖像分割（包含邊緣檢測、基于區(qū)域的分割等）[1]。從教學(xué)內(nèi)容很容易可以看出，該課程理論知識比較多，需要用到其他課程的知識點也比較多，要求學(xué)生具備比較強的綜合能力。

信息與計算科學(xué)專業(yè)是研究信息與計算技術(shù)的理科專業(yè)，培養(yǎng)的是既具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)思維能力又能夠解決實際問題的高級專門人才[2]。就筆者學(xué)校而言，數(shù)字圖像處理課程是信息與計算科學(xué)專業(yè)必修的一門專業(yè)課程，開設(shè)在大三下學(xué)期，學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生已經(jīng)修過分析類、代數(shù)類、計算機類、信息類、小波類的基礎(chǔ)課程，具備學(xué)習(xí)該課程的基礎(chǔ)。開設(shè)這門課程的初衷在于借助圖像這種人眼可視的方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，將填鴨式的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)，增強學(xué)生解決實際問題的綜合能力，為以后學(xué)生的就業(yè)增加競爭力。

2 問題分析

目前，各高校都認(rèn)識到數(shù)字圖像處理課程理論與應(yīng)用并重的特點，也都在積極地尋求教學(xué)改革，但是教學(xué)中也依然存在一些問題，主要有如下幾個方面：

（1）教材的問題。市面上可用于該課程的教材非常多，分為如下幾類：一類是側(cè)重理論內(nèi)容的教材。這類課本多數(shù)以推導(dǎo)為主，對于實際知識運用講的很少。如果按照這類教材授課，通常會陷于繁瑣的推導(dǎo)證明中，學(xué)生看不到模型的實際應(yīng)用，即使學(xué)生足夠認(rèn)真地學(xué)習(xí)，但因為缺少實際案例的引入，學(xué)生也不知道該怎么解決實際問題，更何況繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)會使得很多學(xué)生望而卻步。另一類是側(cè)重于應(yīng)用的教材。這類教材往往側(cè)重于案例的簡單介紹和演示，如果按照這類教材授課，學(xué)生往往只會一些簡單的應(yīng)用，只知其然而不知其所以然。真正能做到理論與應(yīng)用并重的教材不多，如何在良莠不齊的教材里，選擇合適的教材也是值得思考的問題。此外，圖像處理技術(shù)發(fā)展非?？?，大多數(shù)的教材里并沒有最新的研究成果，學(xué)生根本無法從教材里獲得最新的研究狀況[3]。

（2）教學(xué)量與學(xué)時的問題。該課程在教學(xué)設(shè)置上一般可以分為基礎(chǔ)理論部分、基本處理與分析、高級處理與分析三個層次[4]，教學(xué)內(nèi)容非常多，需要運用的基礎(chǔ)知識較多，如果按照教材章節(jié)先后次序進行教學(xué)，需要很多學(xué)時才可以完成教學(xué)量。但目前很多高校該課程的學(xué)時均不是很多，一般在32學(xué)時到64學(xué)時之間，就筆者學(xué)校而言，該課程的理論學(xué)時僅有32學(xué)時，這顯然與教學(xué)量矛盾。在規(guī)定的學(xué)時之內(nèi)，如何使學(xué)生理解更多的知識也是困擾我們的一個問題。如若依然只依靠傳統(tǒng)的教學(xué)模式，顯然是無法應(yīng)對這一問題的。因此，對該課程的教學(xué)改革勢在必行。

3 以應(yīng)用為導(dǎo)向的課程教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)方式通常側(cè)重于教師的教，側(cè)重于理論知識的講解，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)完數(shù)字圖像處理課程后，并不知道學(xué)習(xí)該課程的目的，也不知道如何利用學(xué)到的知識解決實際問題，更做不到學(xué)以致用。以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式最大的特點在于以應(yīng)用為教學(xué)的主線，從應(yīng)用中來到應(yīng)用中去，借助應(yīng)用激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而引導(dǎo)學(xué)生主動去學(xué)習(xí)豐富的理論知識。這一教學(xué)模式并不是不需要學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識，而是將填鴨式的被動理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動的理論學(xué)習(xí)，將理論與實踐充分地結(jié)合，不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。這一教學(xué)模式需要教師和學(xué)生的共同參與，教師負(fù)責(zé)根據(jù)課程內(nèi)容進行主題設(shè)計、理論和應(yīng)用教學(xué)等，需要更多地注意理論和應(yīng)用的并重，學(xué)生需要根據(jù)教師講述的內(nèi)容進行具體的實驗實踐。這樣的模式更能很好地促進教師和學(xué)生之間的交流，對教師而言，能夠更加有效地組織教學(xué)，對學(xué)生而言，能夠通過實踐應(yīng)用不斷地完善自我。

3.1 教材選用和教學(xué)內(nèi)容

以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式的第一環(huán)節(jié)是教材的選取。筆者認(rèn)為，比較適合信息與計算科學(xué)專業(yè)的教材應(yīng)該既有經(jīng)典的理論又有方法和應(yīng)用，能使學(xué)生理論聯(lián)系實際。目前，Rafael. C.Gonzalez的《數(shù)字圖像處理（MATLAB 版）》[5]是國內(nèi)外很多高校必選的經(jīng)典著作，該書不但包含了幾乎全部的經(jīng)典算法，而且還包括了許多常見的MATLAB命令，能夠達到算法原理服務(wù)于應(yīng)用的目的，也能夠有效地銜接算法原理和應(yīng)用實現(xiàn)。因此，筆者在實際教學(xué)時，選用取了該書作為教材。

從教學(xué)內(nèi)容上來說，由于課程學(xué)時的原因，無法按照章節(jié)前后順序?qū)χR點一一講解，因此根據(jù)信息與計算科學(xué)專業(yè)的專業(yè)特色，我們將以應(yīng)用領(lǐng)域作為教授知識的主線，將課程細(xì)分為六個主題，即圖像增強、圖像復(fù)原、圖像壓縮、形態(tài)學(xué)算子、圖像分割、對象識別[5]進行講解。這種教學(xué)內(nèi)容安排，沒有嚴(yán)格遵循教材的前后次序，而是在實際授課時，根據(jù)主題所需的內(nèi)容，在不影響課程完整性的同時，重新組織授課內(nèi)容。比如小波方法可以根據(jù)主題將其分別歸納到去噪主題和分割主題中，不再像教材那樣單獨成章。在進行每個主題算法講解時，也可以有選擇有重點地講解。比如在圖像增強主題中，需要講述灰度變換。教材[5]中對于灰度變換這一知識點講述的有多種算法，比如圖像反轉(zhuǎn)、對數(shù)變換、冪次變換、分段線性變換函數(shù)等。但是在實際教學(xué)過程中，由于學(xué)時的原因，很難將所有方法都講得很細(xì)致。其實，灰度變換實質(zhì)上就是對灰度圖像的像素在保持位置不變的前提下對灰度值組成的矩陣進行各種線性變換和非線性變換。因此，只要將其中一兩個方法講清楚，其他的方法可讓學(xué)生自行查閱資料進行學(xué)習(xí)和上機操作，這樣就能夠在保證教學(xué)質(zhì)量的同時使用較少的學(xué)時完成教學(xué)。此外，由于數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展較快，為了彌補教材內(nèi)容更新較慢的不足，在實際授課中，需要在每個主題中適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┳钚驴萍汲晒慕榻B，使學(xué)生及時捕捉國內(nèi)外研究熱點。

3.2 教學(xué)過程

以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式從教學(xué)過程上來說基本思想是理論與應(yīng)用的結(jié)合，同時，避開大量的理論推導(dǎo)，盡可能地通過引入應(yīng)用實例程序的方法講解算法原理。一般來說，首先講述該主題在實際問題中的應(yīng)用，然后將能夠進行該處理的算法原理及實現(xiàn)方式給學(xué)生有側(cè)重性地分別講述，講述的過程中應(yīng)該要保證知識的完整性和避免大量公式的推導(dǎo)，最后，運用MATLAB工具箱[6]演示算法的實驗過程。這里以圖像復(fù)原主題中的圖像去噪這一子題為例說明以應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)過程。第一步，演示受噪聲污染的圖像和去噪之后的圖像，前后的視覺落差能夠比較好地吸引學(xué)生的注意力，使得學(xué)生有興趣進一步了解圖像去噪的方法和原理。第二步，講述圖像噪聲的分類，利用MATLAB演示一下圖像加上不同類的噪聲會變成什么模樣，借助于視覺化的效果，進一步闡明圖像噪聲的原理。第三步，重點講述去除噪聲常見方法的原理及實現(xiàn)流程。筆者所在學(xué)校信息與計算科學(xué)專業(yè)學(xué)生在本課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過數(shù)字信號處理和小波分析類的課程，因此，在實際講解時，重點講授原理，不進行大量公式的推導(dǎo)也能保證知識的完整度。第四步，利用MATLAB向?qū)W生展示不同算法在處理不同噪聲時的優(yōu)點與不足，并引導(dǎo)學(xué)生課下自己編寫MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)這些算法。從這一教學(xué)過程中可以看出來，圖像去噪這部分內(nèi)容的講解沒有很多晦澀難懂的理論，僅借助于MATLAB軟件演示，通過視覺效果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)好該課程的自信心。

3.3 實踐教學(xué)

學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程的最終目的在于應(yīng)用，因此，為了讓學(xué)生學(xué)到的知識更好地應(yīng)用于解決實際問題，實踐上機時要求不要利用MATLAB工具箱實現(xiàn)算法，要求學(xué)生必須自己設(shè)計算法編程實現(xiàn)，可以使用MATLAB編程，鼓勵利用C++編程。在筆者實際教學(xué)的過程中，通常鼓勵學(xué)生利用C++語言編寫位圖的讀圖程序，編寫程序的過程能夠使得學(xué)生更加理解位圖的結(jié)構(gòu)，這是使用MATLAB語言里“imread”函數(shù)達不到的效果。

實踐教學(xué)的關(guān)鍵一環(huán)在于如何有效地設(shè)計實驗項目。實驗項目必須以應(yīng)用為目的，圍繞理論教學(xué)內(nèi)容開展。筆者在實踐教學(xué)過程中，通常根據(jù)課程的內(nèi)容層次，設(shè)計實踐項目，項目任務(wù)分解具體如圖1所示。

圖1 實踐項目任務(wù)

在實踐教學(xué)上機時，將學(xué)生分成若干組，每組大概3—6人，每組學(xué)生首先選擇一組圖像，圖像可以是醫(yī)學(xué)圖像、指紋圖像、人臉圖像、車牌圖像等，然后學(xué)生根據(jù)學(xué)過的理論知識，按照實踐項目任務(wù)，從增強到識別逐一編程實現(xiàn)，并撰寫實驗報告。由于實踐學(xué)時比較少，小組內(nèi)部必須有明確的分工，每個同學(xué)各司其職，協(xié)同合作，才能完成該實踐項目。這樣有效避免了一些學(xué)生在實踐上機課上渾水摸魚的情況，最大限度地調(diào)動了學(xué)生動手操作的積極性。

3.4 課程考核

課程考核的方式主要有：考勤、作業(yè)、實驗報告、試卷等。該課程具有很強的應(yīng)用性，考核的重點應(yīng)該是學(xué)生利用理論知識解決實際應(yīng)用問題的能力，因此筆者在實際教學(xué)中將考核分為三個部分：一部分是理論知識的掌握程度，筆者所在學(xué)校該課程為考查課，因此，實際考核中，主要以出勤、課堂提問、隨堂作業(yè)等為主，該部分占總成績的30%；第二部分是利用算法原理解決應(yīng)用問題的效果，主要參看學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)對實踐項目的完成度，并結(jié)合實驗報告的書寫情況、項目分析情況等給分，該部分占60%；第三部分是學(xué)生課外利用C++編程實現(xiàn)圖像處理的程度，該部分占10%。這種全過程式的課程考核形式能夠全面評價學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，實現(xiàn)師生之間的良性互動，從而真正提高教學(xué)質(zhì)量。

3.5 后續(xù)跟蹤輔導(dǎo)

近年來，國家在不斷提倡提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，作為信息與計算科學(xué)這一理學(xué)類的專業(yè)，能夠讓學(xué)生有機會創(chuàng)新的課程不多，但是數(shù)字圖像處理自身強大的實用性留給學(xué)生足夠大的創(chuàng)新空間。因此，筆者通常在課程結(jié)束后，對愿意進一步學(xué)習(xí)、研究的學(xué)生進行再輔導(dǎo)，組織、指導(dǎo)他們申報校級創(chuàng)新項目。校級創(chuàng)新項目的申報、實施、結(jié)項激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的靈感，使學(xué)生的綜合能力得到了進一步的提高，也使學(xué)生初步了解了科學(xué)研究，為以后進一步深造奠定了堅實的基礎(chǔ)。目前，筆者指導(dǎo)的校級創(chuàng)新項目均順利結(jié)項，學(xué)生在學(xué)習(xí)、研究的過程中也產(chǎn)生了一些創(chuàng)新成果。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前提倡培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的大背景下，作為高校教師，必須要改革該課程的教學(xué)模式。教學(xué)改革本身是一項艱巨的任務(wù)，需要教師了解本專業(yè)的專業(yè)特色、培養(yǎng)目標(biāo)，了解課程的工程應(yīng)用，具備扎實的理論基礎(chǔ)，同時要改革教學(xué)方式，只有這樣，才能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，才能培養(yǎng)出具有市場競爭力的人才。

（責(zé)任編輯 楊文忠）

[1] 張弘.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[2] 教育部數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會.信息與計算科學(xué)專業(yè)教學(xué)規(guī)范[J].大學(xué)數(shù)學(xué),2003(1):6-8.

[3] 吳冬梅.融入研究性教學(xué)模式的數(shù)學(xué)圖像處理課程教學(xué)改革[J].武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2011(S2):160-162.

[4] 朱虹.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[5] Rafael C. Gonzalez, Richard E. Wood.數(shù)字圖像處理（MATLAB版）第二版[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[6] 張志涌,楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

Study on the Teaching M ode of Digital Image Processing Oriented by App lications

ZHAI Yan-li
(School of Mathematics and Information Science, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

According to professional characteristics of the major called information and computing science, characteristics of the digital image processing course and the shortcom ing of the traditional teaching mode, this paper proposes an application-oriented teaching mode that comes from our own teaching practice. In the paper, we describe the teaching mode from six aspects: teaching materials, teaching content, teaching process, practice teaching, curriculum evaluation and follow-up counseling. The practice shows that the mode can stimulate students' interest in learning, improve students' comprehensive ability to solve practical problems, and effectively improve the quality of teaching.

teaching mode; digital image processing; applications

G642

A

1008–2093(2017)02–0075–04

2016-12-29

華北水利水電大學(xué)教育教學(xué)研究與改革項目“信息與計算科學(xué)專業(yè)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究”

翟艷麗（1982―），女，河南遂平人，講師，博士，主要從事數(shù)字圖像處理研究。