鄭來文 姚巧鴿 周原

【摘要】針對(duì)數(shù)字圖像處理課程涉及學(xué)科眾多、理論性強(qiáng)，學(xué)生難以實(shí)現(xiàn)從理論到編程實(shí)踐的跨越的狀況，引入了項(xiàng)目化教學(xué)方法。該方法共分為五個(gè)階段，通過強(qiáng)化其中的圖像處理算法的制定和編程實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)階段的訓(xùn)練，有效的提高了學(xué)生對(duì)圖像處理算法理論的理解，鍛煉了學(xué)生的編程實(shí)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(dòng)性，提高了教育教學(xué)效果，增強(qiáng)了學(xué)生的綜合能力。

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

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

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.04..089

隨著計(jì)算機(jī)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(jī)、平板電腦和計(jì)算機(jī)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?yuàn)蕵?、醫(yī)學(xué)影像、安防監(jiān)控、工業(yè)視覺檢測(cè)等領(lǐng)域中。為了適應(yīng)社會(huì)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(duì)理論基礎(chǔ)和實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí);在實(shí)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(jìn)行編程實(shí)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(gè)問題，有些文獻(xiàn)給出了數(shù)字圖像處理課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的方法與經(jīng)驗(yàn)，但是并沒有給出如何實(shí)現(xiàn)從理論教學(xué)到編程實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)主要由于以下兩個(gè)原因?qū)е聦W(xué)生學(xué)習(xí)理論與進(jìn)行實(shí)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(hào)處理等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)怎么在圖像處理中使用，即怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致編程時(shí)無從下手;二是有些同學(xué)雖然理解了圖像處理中的知識(shí)點(diǎn)并能編程實(shí)現(xiàn)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的功能，但是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的圖像處理項(xiàng)目需要使用到很多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，有些學(xué)生不知道怎么把這些知識(shí)點(diǎn)綜合在一起編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)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(xiàn)提出使用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)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(xiàn)都沒有給出對(duì)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(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的跨越。

為了解決這個(gè)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(duì)圖像處理的需要探索了一些項(xiàng)目化教學(xué)案例，通過對(duì)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(xiàng)目需求分析到編程實(shí)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(xiàng)目需求分析與相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

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

電子相冊(cè)是近幾年數(shù)字圖像處理技術(shù)在娛樂生活中的一個(gè)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(cè)制作的圖像處理內(nèi)容。

在上課時(shí)，教師首先演示一些別人制作的電子相冊(cè)，導(dǎo)入本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。然后進(jìn)入圖像處理項(xiàng)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(jìn)行分組討論怎么實(shí)現(xiàn)把照片Lena“放置”到兩個(gè)模板圖像中的空白區(qū)域，得到如圖5和圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師則提示學(xué)生注意這兩個(gè)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(gè)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(gè)行數(shù)與列數(shù)不相等的長(zhǎng)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(zhǎng)方形;②模板Poster2中的空白區(qū)域是一個(gè)傾倒的梯形，需要把照片Lena進(jìn)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(jìn)入相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)階段的訓(xùn)練。相關(guān)知識(shí)點(diǎn)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(gè)知識(shí)點(diǎn)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(jìn)行講解。

2. 圖像處理算法

完成相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)以后，就可以進(jìn)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(shí)現(xiàn)項(xiàng)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(gè)示范，即演示一個(gè)簡(jiǎn)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(duì)該圖像處理任務(wù)的步驟進(jìn)行描述，讓學(xué)生進(jìn)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(cè)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(cè)的圖像處理算法：

① 讀取照片Lena;

② 讀取模板圖像;

③ 對(duì)模板圖像進(jìn)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(jì)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(duì)照片Lena進(jìn)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(duì)照片Lena進(jìn)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(dá)到這個(gè)目的，我們要求學(xué)生在每個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中都給出圖像處理算法，并且是評(píng)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)的重要因素。

3. 編程實(shí)現(xiàn)與考核評(píng)價(jià)

圖像處理算法確定以后，就可以進(jìn)入編程實(shí)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(duì)圖像進(jìn)行處理。注意不同的語言會(huì)影響項(xiàng)目成績(jī)的評(píng)定。一個(gè)圖像處理項(xiàng)目往往需要使用多種圖像處理算法，對(duì)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(shí)現(xiàn)，以此來鍛煉學(xué)生的編程能力;對(duì)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(shí)現(xiàn)以后，就可以進(jìn)入考核評(píng)價(jià)階段。項(xiàng)目成績(jī)的計(jì)算公式為：

項(xiàng)目成績(jī)=實(shí)驗(yàn)結(jié)果成績(jī)×0.4+代碼成績(jī)×0.3×α+實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)×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(yàn)收時(shí)，各個(gè)小組的學(xué)生分別演示自己的項(xiàng)目成果，包括實(shí)驗(yàn)結(jié)果、代碼和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生自評(píng)和互評(píng)不但要給出分?jǐn)?shù)，還要指出項(xiàng)目完成的不足之處和優(yōu)點(diǎn)，再由老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)總結(jié)，確定項(xiàng)目成績(jī)。

4. 結(jié)語

通過三年的實(shí)踐表明，項(xiàng)目化教學(xué)方法可以加深學(xué)生對(duì)圖像處理算法原理的理解，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。然而，項(xiàng)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(jì)更多的項(xiàng)目化教學(xué)案例來緩解這個(gè)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(shí)結(jié)構(gòu)，把新技術(shù)引入到項(xiàng)目化教學(xué)案例中。

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作者簡(jiǎn)介：鄭來文，男，博士，講師，研究方向?yàn)閳D像智能處理與計(jì)算機(jī)視覺。