(北京林業(yè)大學信息學院，北京100083)

“數(shù)字圖像處理”課程是北京林業(yè)大學信息學院數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的必修課程。該課程著重講授數(shù)字圖像處理的理論知識及實現(xiàn)方法，訓練學生運用所學基礎(chǔ)理論知識解決實際問題的能力。通過該課程的學習，學生能較全面地了解、掌握計算機圖像處理技術(shù)的基本原理、技術(shù)、應(yīng)用和發(fā)展，為今后開展數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。

數(shù)字圖像處理是信息科學中發(fā)展最快的熱點研究方向之一，是模式識別、計算機視覺、多媒體技術(shù)等諸多學科的基礎(chǔ)，是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學科，具有理論性和實踐性強、應(yīng)用范圍廣的特點?！皵?shù)字圖像處理”課程既有理論分析、算法推導，又有大量的編程實踐。因此，筆者結(jié)合“數(shù)字圖像處理”課程的特點、專業(yè)要求以及課程教學中存在的問題，對該課程的教學內(nèi)容、教學方法、實驗設(shè)置、考核方式等進行了教學改革探索。

一、“數(shù)字圖像處理”課程教學存在的問題

一直以來，“數(shù)字圖像處理”課程傳統(tǒng)的教學方法是教師課堂講授、學生實驗課編程實驗。教師按部就班地講解各個章節(jié)的算法，學生進行各個算法的編程實現(xiàn)。好像學生也學會了，考試也可以考個不錯的分數(shù)，但真正到了應(yīng)用圖像處理知識解決實際問題時，學生就會感到所學知識不能融會貫通，缺乏分析問題、解決問題的能力，不能獨立提出解決問題的方案。具體表現(xiàn)如下：第一，該課程教學存在內(nèi)容多、學時少的矛盾，存在重理論知識、輕實際應(yīng)用的問題；第二，該課程理論知識教學存在算法原理難度大、講解比較枯燥、學生缺乏學習興趣的問題；第三，該課程大多數(shù)實驗是驗證性實驗，實驗內(nèi)容缺少綜合性和創(chuàng)新性，導致學生綜合編程能力不足、解決實際應(yīng)用問題能力不強、創(chuàng)新能力缺乏；第四，該課程考核評價體系不能綜合評價學生的學習效果。

二、“數(shù)字圖像處理”課程教學改革的措施

(一)優(yōu)化課程教學內(nèi)容，適應(yīng)圖像處理技術(shù)的發(fā)展趨勢

經(jīng)典的《數(shù)字圖像處理》教材把數(shù)字圖像處理技術(shù)分為一般性的數(shù)字圖像處理、圖像分析、圖像理解[1]3個層次。第一層次內(nèi)容主要是從圖像到圖像的處理(輸入是圖像輸出還是圖像)，包括圖像對比度調(diào)節(jié)、編碼壓縮、去噪聲以及各種濾波的研究等；第二層次內(nèi)容主要是從圖像到屬性的處理(輸入是圖像輸出是屬性數(shù)據(jù))，對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量；第三層次內(nèi)容是圖像理解部分，從圖像到理解判斷，這部分內(nèi)容不適合數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的本科生學習。

數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展速度快，教學內(nèi)容需不斷更新以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。因此，在“數(shù)字圖像處理”課程教材的選擇上應(yīng)以經(jīng)典理論知識為主，兼顧數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展的趨勢。筆者選擇了章毓晉[2]編著的《圖像處理和分析教程》教材，該教材是21世紀高等學校計算機規(guī)劃教材，涵蓋了數(shù)字圖像處理技術(shù)第一層次的數(shù)字圖像處理和第二層次的圖像分析內(nèi)容，其內(nèi)容全面、講解清晰、實例多樣。但“數(shù)字圖像處理”課程只有48個學時，其中理論知識講授34學時、實驗14學時加1周的課程設(shè)計。因此，必須對該課程教學內(nèi)容進行優(yōu)化整合，刪減部分章節(jié)內(nèi)容，以適應(yīng)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。

在教材之外，筆者還指定2本輔助教材供學生參考、借鑒，它們分別是龔聲蓉等[2]編著的《數(shù)字圖像處理與分析》和美國Rafael C.Gonzalez等[1]著的《數(shù)字圖像處理》。除了教材和輔助教材外，筆者還向?qū)W生提供了多種教輔材料，如中外高校的PPT課件、網(wǎng)絡(luò)視頻教學片、中英文電子書等，不僅擴大了學生的學習渠道，開拓了學生的學習視野，而且還有利于學生了解圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展趨勢。

另外，筆者還結(jié)合自己的科研工作，把科研成果作為圖像處理的應(yīng)用實例引入到教學中，提高學生對圖像處理技術(shù)實際應(yīng)用的認識，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，擴大學生的知識視野。

優(yōu)化后的“數(shù)字圖像處理”課程教學內(nèi)容包括圖像處理基礎(chǔ)知識、圖像獲取、圖像變換與圖像運算、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像壓縮、數(shù)學形態(tài)學、圖像分割、目標表達和描述、PhotoShop軟件主要濾鏡的實現(xiàn)算法、圖像處理在林業(yè)上的應(yīng)用等。

(二)采用多種教學方法，增強理論教學效果

1.采用動態(tài)教學演示方法

“數(shù)字圖像處理”是一門理論性和實踐性都很強的課程。圖像處理算法要用復(fù)雜的數(shù)學公式表示，并通過計算機程序編寫出來，在計算機上實現(xiàn)。如果在“數(shù)字圖像處理”課程教學中沒有算法處理過程的演示，教師的講解過程就會枯燥、難懂，學生就無法理解算法的執(zhí)行過程，就沒有編寫程序的思路，也就不會編寫出程序。面對這個問題，筆者在“數(shù)字圖像處理”課程教學中，采用動態(tài)教學演示方法開展該課程的教學活動，使抽象難懂的公式具體化，不僅激發(fā)了學生學習的興趣，加深學生對理論知識的理解，降低學習難度，而且還為學生提供編寫程序的思路。

改革前，“數(shù)字圖像處理”課程普遍采用靜態(tài)演示方法。通過靜態(tài)演示，學生只能看到算法的執(zhí)行結(jié)果(圖像執(zhí)行算法后的變化)，不能看到動態(tài)的數(shù)學計算過程，見圖1。改革后，學生不僅可以觀看到圖像算法的執(zhí)行結(jié)果，還可以觀看到算法的數(shù)學計算過程，形成了靜態(tài)演示和動態(tài)演示相結(jié)合的教學演示方法，見圖2。動態(tài)演示效果要好于靜態(tài)演示效果，但是動態(tài)的演示程序制作復(fù)雜，制作工作量、難度都很大[3]。

下面以動態(tài)演示程序的圖像平滑為例講解圖像增強中的平滑算法。理論公式相當復(fù)雜、學生很難理解，如公式(1)[1]所示。

(1)

公式(1)中f(x，y)是原始圖像、g(x，y)是結(jié)果圖像、w(s，t)是模板。算法的原理是模板w(s，t)在原始圖像f(x，y)上漫游并與圖像f(x，y)進行卷積運算，得到結(jié)果圖像g(x，y)，結(jié)果圖像g(x，y)比原始圖像f(x，y)平滑。教師在講解這個知識點時，學生不理解模板w(s，t)是怎么在圖像上漫游的，不理解卷積的具體計算過程，不知道參加運算的應(yīng)該是圖像的哪些數(shù)據(jù)。當教師用演示程序進行動態(tài)演示時，學生既能觀看到模板的漫游過程，又能觀看到卷積的具體計算過程。圖1左側(cè)的圖像是原始圖像f(x，y)，圖1右側(cè)的圖像就是f(x，y)執(zhí)行公式(1)后的結(jié)果圖像g(x，y)。

圖1 靜態(tài)演示高斯平滑執(zhí)行結(jié)果

圖2 動態(tài)演示高斯平滑執(zhí)行過程

數(shù)字圖像的處理就是數(shù)學上的矩陣計算。圖2左邊的方格表示5×5的原始圖像，圖2右側(cè)的方格表示5×5的結(jié)果圖像，圖2中間的方格是3×3的高斯模板，左右方格中的數(shù)字代表圖像的像素值，中間方格中的數(shù)字代表模板系數(shù)(1/16表示每個系數(shù)乘以1/16)。圖2中最下面一行的公式表示卷積運算。演示程序能夠動態(tài)演示模板在圖像上不同位置的漫游過程，并演示卷積的計算過程以及把計算結(jié)果賦值到結(jié)果圖像的過程。通過靜態(tài)和動態(tài)演示，學生既看到了圖像處理的結(jié)果，又看到了圖像處理的數(shù)學計算過程。這樣學生就很容易理解高斯平滑算法，并為今后學生編寫程序?qū)崿F(xiàn)這個算法打下基礎(chǔ)。

2.采用啟發(fā)式教學方法

啟發(fā)式教學方法指教師依據(jù)教材的內(nèi)在聯(lián)系和學生的認識規(guī)律，由淺入深、由近及遠、由表及里、由易到難地逐步提出問題、解決問題，引導學生主動、積極、自覺地掌握知識的教學方法。

任課教師在講述新知識點時，面對復(fù)雜的、難于理解的知識，引導學生利用所學知識，對新的知識做到由淺入深、由易到難逐步地理解。比如，傅里葉變換[4]是“數(shù)字圖像處理”課程中重要的、較難理解的圖像變換算法，其涉及的概念多，如復(fù)平面、頻域、正變換、反變換等，公式復(fù)雜難懂，學生學習時有畏懼情緒。針對這一問題，筆者在教學中采用循序漸進的啟發(fā)式教學方法進行講解。具體講解分為如下5個流程。

①講解預(yù)備知識。為學生理解傅里葉變換打下基礎(chǔ)，如周期函數(shù)、非周期函數(shù)、復(fù)平面、歐拉公式等。②講解傅里葉級數(shù)。傅里葉分析包括傅里葉級數(shù)和傅里葉變換。傅里葉級數(shù)用于周期函數(shù)(加法)，傅里葉變換用于非周期函數(shù)(積分)。傅里葉級數(shù)是理解傅里葉變換的基礎(chǔ)。③講解一維傅里葉變換的來源、原理、公式、正變換、反變換、性質(zhì)等。把一維傅里葉變換講透徹，不僅從理論上講解，還要用MATLAB軟件演示傅里葉變換的算法執(zhí)行過程，幫助學生更加深入地理解傅里葉變換的算法。④講解二維傅里葉變換的原理、公式、正變換、反變換、性質(zhì)等。學生有了一維傅里葉變換的基礎(chǔ)，再去理解二維傅里葉變換就較容易了。⑤應(yīng)用舉例。通過舉例講解傅里葉變換在圖像去除噪聲方面的應(yīng)用，進一步讓學生從應(yīng)用角度理解傅里葉變換。例如，一幅含有正弦噪聲的圖像，圖像看起來好像用一個方格網(wǎng)罩在圖像上一樣，這是典型的用傅里葉變換去除周期噪聲的應(yīng)用圖例。

筆者前面講過了空間域去除噪聲的方法，但應(yīng)用在這種圖像上去除噪聲的效果不好。如何應(yīng)用傅里葉變換的方法去除這種噪聲？首先，對圖像進行傅里葉正變換，把帶有噪聲的圖像變換到頻率域；其次，在傅里葉頻譜上有一個由若干亮點組成的圓，這些亮點代表正弦噪聲的頻率，通過使用帶阻濾波的頻域濾波方法，就可以把正弦噪聲的頻率去除；最后，再進行傅里葉反變換，將含有正弦噪聲的圖像中的噪聲去除，罩在圖像上的方格網(wǎng)就會消失。學生通過這個例子不僅加深了對傅里葉變換算法的理解，而且增強了學生學習該課程的學習熱情。

(三)設(shè)置多層次實驗內(nèi)容，加強實踐教學

針對“數(shù)字圖像處理”課程實驗內(nèi)容主要是驗證性實驗，缺乏綜合性、創(chuàng)新性實驗的問題，課程組增設(shè)了綜合性和創(chuàng)新性實驗。驗證性實驗占60%，綜合性實驗占30%，創(chuàng)新性實驗占10%，形成了實驗內(nèi)容不斷加深的3個實驗層次。

1.驗證性實驗

驗證性實驗主要是模仿教材或者輔助教材中給出的實例，對圖像處理的經(jīng)典算法進行編程，比較容易實現(xiàn)，但無法提高學生的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

2.綜合性實驗

教師給出一個綜合應(yīng)用圖像處理技術(shù)的應(yīng)用題目，讓學生自主編寫程序、分析實驗結(jié)果。比如，一幅含有大米的圖像，計算大米的個數(shù)，就是一個綜合應(yīng)用圖像處理技術(shù)的應(yīng)用問題。學生要解決這個問題需要綜合應(yīng)用灰度變換、空域濾波、圖像分割、形態(tài)學運算、圖像的標注等多個圖像處理技術(shù)。該類實驗不僅提高了學生對圖像處理知識的全面掌握和綜合應(yīng)用的能力，而且鍛煉了學生分析和解決實際問題的能力。

3.創(chuàng)新性實驗

創(chuàng)新性實驗屬于探索性實驗[5]，教師不布置實驗題目，要求學生自己組成實驗小組、查找相關(guān)的技術(shù)資料、自主確定實驗題目、獨立完成實驗方案的設(shè)計、編程實現(xiàn)，教師在實驗過程中只給予指導。這類實驗訓練了學生的探索性思維能力，提高了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。

(四)完善課程考核模式，注重教學效果的綜合評價

對學生進行成績考核是考察和評定學生學習效果的依據(jù)，同時也是考察和評價教師教學質(zhì)量的必要途徑[6]。改革前，“數(shù)字圖像處理”課程只注重卷面考試，考核內(nèi)容不全面，考核方法單一，致使學生平時學習不努力、考前突擊復(fù)習死記硬背。針對這一問題，課程組將平時成績、實驗成績和卷面考試成績一起加權(quán)計算，給出學生的最后總評成績?！皵?shù)字圖像處理”課程總評成績各項權(quán)重為：卷面考試成績占65%，實驗成績占30%，平時成績占5%。其中，平時成績包括課堂測驗和作業(yè)。這種考核評價方法可以綜合、全面地評價學生的學習效果，做到在各個教學環(huán)節(jié)上嚴格要求學生，避免一次期末考試就決定整個課程學習效果的現(xiàn)象發(fā)生，同時也考查了教師在各個教學環(huán)節(jié)上的綜合教學能力。

三、“數(shù)字圖像處理”課程教學改革的成效

(一)提高了學生的課程考試成績

2012—2015年數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)“數(shù)字圖像處理”課程考試情況，見表1。圖3是根據(jù)表1繪制的柱狀圖。

表1 2012—2015年“數(shù)字圖像處理”課程期末考試各成績段學生分布情況 %

注：2012年數(shù)據(jù)為未進行課程教學改革的情況，2013-2015年數(shù)據(jù)為已進行課程教學改革的情況

圖3 “數(shù)字圖像處理”課程期末考試各成績段2012～2015級學生分布情況對比

從圖3可以看出，各分數(shù)段人數(shù)比例分布基本是正態(tài)分布，符合統(tǒng)計規(guī)律。從2013年到2014年的情況看，優(yōu)秀(大于90分)人數(shù)比例從2012年的1位數(shù)提高到2位數(shù)，良好(80～89分)人數(shù)比例也比2012年有明顯提高。這反映出2013年教改后學生考試成績優(yōu)良率有了較大的提高，教改取得了一定的成效。2015年情況特殊，是因為北京林業(yè)大學信息學院第一次實行大類分流，學生質(zhì)量有所下降導致的。

(二)提高了學生的編程能力

教改前，學生只會編寫驗證性程序；教改后，學生既會編寫驗證性程序，又會編寫圖像處理的綜合應(yīng)用程序，并能進行探索性的研究。教學改革實踐結(jié)果表明，學生編寫程序的能力不僅得到了訓練，而且水平也得到了更大的提高，學生具備了解決實際問題的能力。

(三)提升了教師的教學科研水平

通過不斷地進行“數(shù)字圖像處理”課程教學內(nèi)容和方法的改革，任課教師的教學水平得到了很大提高。同時，任課教師不斷地把科研成果應(yīng)用于教學中，豐富了教學內(nèi)容，提高了教學效果。教學改革拓寬了教師的研究思路，促進了教師科研能力的提升。同時，教學和科研相互促進，使教師的研究水平和教學質(zhì)量都得到了很大提高。

總之，筆者對“數(shù)字圖像處理”課程進行教學內(nèi)容、教學方法、教學手段、實驗教學、考核方法等方面的教學改革探索，提高了學生學習的興趣，激發(fā)了學生學習的熱情，取得了較好的教學效果。但要提高“數(shù)字圖像處理”課程教學質(zhì)量，需進行長期、不斷地探索和改革，才能滿足社會對圖像處理人才的需求。

資助項目：北京林業(yè)大學2017年教育教學改革項目——“數(shù)字圖像處理”算法程序設(shè)計教學改革與探索，項目編號BJFU2017JY051。