崔子冠 盧官明 唐貴進 李欣 劉峰

摘要：圖像與視頻處理課程是電子信息大類一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有知識面廣以及理論和實踐并重的特點。傳統(tǒng)單純課堂講授的教學模式存在知識點講授分散、基礎(chǔ)理論難以深入以及實踐教學難以開展的問題，而案例化教學可以較好地解決上述問題。對課程組進行案例化、專題化教學經(jīng)驗進行總結(jié)，提出結(jié)合理論最新研究進展對知識模塊合理劃分以形成教學案例、根據(jù)所設(shè)計教學案例的特點選擇合適的教學模式以及根據(jù)學生基礎(chǔ)實施案例差異化教學的措施。教學實踐表明，所提出的案例化教學措施有效提高了學生對本課程的興趣，學生對本課程的理論掌握程度和實踐能力都得到了較大提升。

關(guān)鍵詞：圖像處理;案例化;專題化;教學模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0103-03

當前，以經(jīng)典圖像處理理論為基礎(chǔ)、以最新機器學習和深度學習方法為代表的智能圖像分析與視頻處理技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，其在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的研究與應用越來越廣泛[1]，實際產(chǎn)品落地的場景也越來越多，比如網(wǎng)絡(luò)視頻會議、智能視頻分析、圖像識別與語義理解等。因此，國內(nèi)外高科技公司和相關(guān)研究機構(gòu)對圖像與視頻處理技術(shù)人才的需求日益增大。為了滿足社會需求，我國各大高校電子信息類相關(guān)專業(yè)比如廣播電視工程、計算機、自動化、數(shù)字媒體技術(shù)等都在本科階段開設(shè)了圖像與視頻處理類的課程，以使學生基本掌握圖像與視頻處理的基礎(chǔ)理論、原理和實現(xiàn)方法，在圖像與視頻處理方面具有一定的開發(fā)和應用能力，為在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域從事研究、開發(fā)和應用打下扎實的基礎(chǔ)[2]。

以南京郵電大學通信與信息工程學院為例，目前南郵通信學院共有三個本科專業(yè)，即通信工程、電子信息工程和廣播電視工程，三個專業(yè)全都進入國家級一流本科專業(yè)建設(shè)。其中電子信息工程和廣播電視工程都開設(shè)了圖像處理類專業(yè)課程，電子信息工程在大三下學期開設(shè)48課時的《數(shù)字圖像處理與圖像通信》，廣播電視工程在大三上學期開設(shè)40課時的《圖像與視頻處理》。此外，通信學院還在大三下學期為我校計算機科學與技術(shù)、自動化、生物醫(yī)學工程和數(shù)字媒體技術(shù)等專業(yè)開設(shè)32課時的跨大類專業(yè)限選課《圖像與視頻處理》，供相近專業(yè)學生選修。目前，課程組教師在圖像處理類課程教學中，仍主要采用以教師講授為主的傳統(tǒng)課堂教學模式，得到了一定的教學效果，并受到了學生認可。但當我們對教學實踐過程和效果進行分析和總結(jié)時，發(fā)現(xiàn)這種教學模式也存在一定的弊端。

本文首先根據(jù)圖像類課程的特點對傳統(tǒng)教學模式的弊端進行分析;之后，根據(jù)《圖像與視頻處理》課程初步進行案例化教學實踐的經(jīng)驗，提出進一步優(yōu)化圖像類課程案例化、專題化課堂教學模式的三個具體措施;最后，通過對比傳統(tǒng)教學模式與案例化教學模式的效果，驗證了所提措施的有效性。

1 圖像類課程傳統(tǒng)教學模式的弊端

1.1 知識點講授分散

圖像與視頻處理技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，涉及的研究領(lǐng)域眾多，這也決定了圖像類課程的教學內(nèi)容知識點多樣，且有些知識點之間的基礎(chǔ)理論不同，內(nèi)容相對獨立。以作者面向廣播電視工程專業(yè)所講授的40課時的《圖像與視頻處理》課程為例，教學大綱中規(guī)定的教學內(nèi)容包括：圖像與視頻處理基礎(chǔ)、圖像增強、形態(tài)學圖像處理、圖像分割、圖像與視頻壓縮編碼原理與國際標準、圖像與視頻水印、圖像質(zhì)量評價、圖像檢索和圖像識別等章節(jié)。

具體地，比如圖像增強與圖像復原從表面上看都是對降質(zhì)以后的圖像進行質(zhì)量增強，以滿足人或機器對圖像觀察和識別的需求。但是這兩種圖像處理技術(shù)的目的和所利用的原理具有本質(zhì)區(qū)別。圖像增強方法不考慮圖像降質(zhì)的原因，也不要求改善后的圖像去逼近原始圖像，只是根據(jù)一定的要求對感興趣的部分進行處理，如改善對比度、突出邊緣等。而圖像復原方法則需要針對圖像降質(zhì)的具體原因，從數(shù)學上或物理上建立圖像的降質(zhì)模型，設(shè)法使改善后的圖像盡可能逼近原始圖像，恢復降質(zhì)圖像的本來面目。由此可見，圖像復原相比圖像增強需要更多地利用數(shù)學原理，對學生的數(shù)學知識要求較高，在教學過程中需要對其原理進行更多地講解，才能使學生理解其原理和實現(xiàn)步驟。

圖像類課程教學知識點的多樣性和分散性決定了對不同知識點需要采用恰當?shù)慕虒W方式，否則忽略知識點特性的區(qū)別而全部采用教師課堂講授的教學方式并一定能取得最優(yōu)的教學效果。

1.2 基礎(chǔ)理論講解難以深入

圖像與視頻處理的很多內(nèi)容都有其深厚的數(shù)學原理或物理模型，比如圖像數(shù)字化需要掌握二維奈奎斯特采樣定理、圖像銳化需要函數(shù)導數(shù)的概念、形態(tài)學圖像處理需要數(shù)學中集合論知識、基于主動輪廓模型的圖像分割需要偏微分方程的原理、圖像壓縮編碼需要變換以及統(tǒng)計分布的知識等。因此圖像類課程的一個重要教學目標就是要求學生掌握圖像與視頻處理的基本概念和基本原理。但是，一方面圖像課程知識點眾多，另一方面在課時壓縮大背景下本課程課時也相對較少，導致分配給各個教學章節(jié)的課時大概只有3-4個課時。同時又因為理論講解通常較為枯燥[3]，學生不太愿聽長時間的理論解釋，因此教師在講授各章節(jié)原理時常常點到即止，導致基礎(chǔ)理論講解難以深入。

但是基本原理的學習對圖像類課程至關(guān)重要[4]，如果學生對基本原理一知半解、囫圇吞棗，很難理解具體技術(shù)背后工作機理，后續(xù)想要做出創(chuàng)新性的研究和實踐工作是極其困難的。

1.3 實踐教學難以開展

圖像與視頻處理說到底是一種應用科學[5]，圖像處理的原理和算法最終都是為了解決某一圖像處理實際問題，原理和算法只有對某種具體問題有效果才有其存在和發(fā)展的意義。比如Retinex理論常被用于圖像增強，正是因為基于Retinex理論?？梢缘玫奖群唵蔚闹狈綀D均衡化更好的圖像增強效果。圖像處理科學的這一特點就決定了其理論和實踐并重的特性，課程的教學目標也明確規(guī)定學生應該初步具備對圖像和視頻處理技術(shù)和系統(tǒng)進行實踐和開發(fā)的能力。

但是在傳統(tǒng)單純課堂講授的教學模式下，教師沒有充裕的課堂時間進行實踐教學[6]。雖然課程組教師在課堂教學中適時引入演示性教學，如用Matlab或Python代碼演示算法的步驟和效果，提高了學生的課堂興趣和對原理的理解深度，但學生真正參與圖像課程實踐的機會還是比較少，較難獲得第一手的理解和認識。

2 圖像類課程案例化教學經(jīng)驗和改進措施

針對圖像類課程單純傳統(tǒng)課堂講授教學模式的弊端，課程組教師根據(jù)圖像類課程的特點積極探索和實踐了案例化、專題化課堂教學模式，建立了圖像類課程初步的案例化、專題化教學素材，取得了一定的教學經(jīng)驗，相比傳統(tǒng)講授教學模式有效提高了學生對課程的學習興趣和參與度。下面對圖像類課程案例化、專題化教學經(jīng)驗進行總結(jié)，并提出進一步優(yōu)化教學模式的三個措施。

2.1 結(jié)合最新進展和科研項目的案例與專題建設(shè)

在初步進行案例化教學實踐的過程中，發(fā)現(xiàn)案例化、專題化教學模式作為區(qū)別于傳統(tǒng)課堂講授的一種新型教學模式，其教學實效與所使用的案例化、專題化教學素材密切相關(guān)。圖像類課程知識點多樣，也并不是所有部分都適合進行案例教學。因此，選擇哪些知識點來建設(shè)案例化、專題化教學素材就顯得至關(guān)重要。根據(jù)課程組的教學實踐經(jīng)驗，我們建議通過如圖1所示的步驟來建設(shè)案例化、專題化教學素材庫。

由圖1可見，采用案例化、專題化教學模式的基礎(chǔ)和前提是合理地將課程中的知識點進行有機的歸納和梳理，挑選出適合案例化教學的知識模塊，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論最新研究進展和教師科研項目建設(shè)案例化、專題化教學素材。

根據(jù)上述步驟，課程組建設(shè)的《圖像與視頻處理》案例化、專題化教學素材庫如下。素材庫均包括教學PPT、演示程序和相應說明文檔。

（1）顏色空間及其轉(zhuǎn)換：1）在Matlab中讀入彩色圖像;2）利用程序完成RGB、CMYK、YUV、YCbCr、HSV等顏色空間的相互轉(zhuǎn)換，并將各分量圖像可視化，觀察其特性。

（2）圖像對比度增強：1）編程實現(xiàn)圖像灰度變換、基于直方圖均衡化和Retinex理論的圖像增強，將不同方法增強后的圖像進行對比;2）編程實現(xiàn)圖像鄰域平均、中值濾波，基于非局部相似性和稀疏表示的圖像去噪;3）利用Roberts、Prewitt、Sobel、Laplacian、LoG、Canny算子檢測圖像梯度。

（3）形態(tài)學圖像處理：1）二值形態(tài)學的基本運算，包括腐蝕、膨脹、開、閉;2）編程實現(xiàn)二值圖像的形態(tài)學處理;3）灰度形態(tài)學基本運算;4）編程實現(xiàn)灰度圖像的形態(tài)學處理。

（4）圖像分割：1）基于灰度閾值化的圖像分割;2）基于邊緣檢測的圖像分割;3）基于區(qū)域的圖像分割;4）基于主動輪廓模型的圖像分割。

（5）圖像與視頻壓縮編碼原理和標準：1）圖像熵編碼，包括游程編碼、哈夫曼編碼、算法編碼;2）幀內(nèi)與幀間預測的原理;3）變換編碼，編程實現(xiàn)圖像變換，如DCT、FFT、WT等，觀察變換系數(shù)的特性;4）靜態(tài)圖像JPEG、JPEG2000編碼標準;5）視頻H.264、HEVC、AVS編碼標準。

（6）圖像與視頻文件格式：1）圖像文件格式，如BMP、GIF、JPEG等;2）視頻文件格式，如AVI、MPEG、RMVB、MP4等;3）流媒體文件格式。

（7）圖像水印：1）編程實現(xiàn)空間域基于最低有效位的水印算法，變換域基于DCT的圖像水印;2）水印的攻擊方法及對策。

（8）圖像與視頻的質(zhì)量評價：1）完成對小型圖像庫的主觀質(zhì)量評價;2）編程實現(xiàn)全參考圖像質(zhì)量評價方法，包括MSE、PSNR、SSIM等。

（9）圖像與視頻檢索：1）編程實現(xiàn)圖像特征的提取，包括顏色、紋理、形狀、空間關(guān)系特征;2）完成小型圖像數(shù)據(jù)庫的檢索功能。

（10）圖像識別：1）編程實現(xiàn)基于支持向量機的圖像分類;2）編程實現(xiàn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別。

2.2 根據(jù)案例或?qū)ｎ}特點靈活選擇教學模式

案例式教學并不是要完全拋棄課堂講授方式，而是除了理論講解還具有更豐富的教學手段，比如通過演示程序展現(xiàn)圖像處理算法的效果、利用Matlab或Python強大的可視化工具對算法原理進行分步驟展示、就某一案例或?qū)ｎ}讓學生參與程序?qū)崿F(xiàn)、就某一專題的最新研究進展進行小組討論學習等。由于不同案例或?qū)ｎ}的理論深度、程序?qū)崿F(xiàn)難度、最新理論進展和應用領(lǐng)域有所不同，在教師進行案例化、專題化教學時就需要根據(jù)案例的特點靈活分配各教學手段的時間，才能達到最優(yōu)的案例化教學效果。不應該對所有案例或?qū)ｎ}規(guī)定僵化的教學手段及時間分配，這就需要教師有較好的案例化教學經(jīng)驗和良好的課堂把控能力。

以顏色空間及其轉(zhuǎn)換專題為例，此專題理論深度不算難，教師可讓學生在上課前進行預習，在課堂上可先用較少的時間對不同顏色空間及其特性進行簡要介紹，之后可用Matlab演示一幅圖像在不同顏色空間下的顏色分量，也可讓學生到講臺上對自己所實現(xiàn)的顏色空間轉(zhuǎn)換程序進行演示和解釋，其他同學可以就演示程序或效果中的問題進行討論，最后由教師對顏色空間特性及其應用領(lǐng)域進行總結(jié)。通過這種案例式、專題式的教學過程，學生對顏色空間及其轉(zhuǎn)換專題的理解深度和實踐能力都得到了極大提高。

2.3 根據(jù)學生基礎(chǔ)實施案例差異化教學

不同專業(yè)學生的基礎(chǔ)不同，甚至同一專業(yè)的一個教學班不同學生的基礎(chǔ)和個性也存在差異，比如有些學生可能不善言辭但編程能力較強，而有些學生善于表達但編程能力較弱。這就要求教師在實施案例化、專題化教學過程中根據(jù)學生特點進行差異化教學，才能得到更好的教學效果。

以小組討論形式的案例化教學為例，教師在課前根據(jù)學生特點進行分組，使3到5名學生組成的小組中既有理論較好的學生，又有編程能力、表達能力較好的學生;之后為每個小組分配案例化學習素材，包括教材中的具體章節(jié)、相關(guān)的最新論文、初步示例代碼等;在課堂上教師先簡要介紹理論要點，之后讓每組學生根據(jù)所做的程序和PPT進行報告，別的同學對問題進行質(zhì)疑和提問，最后教師對每組所做的程序和匯報進行總結(jié)和點評。

通過這種基于學生特點的小組差異化案例教學方式，充分發(fā)揮了每個成員在小組中的作用和特長，小組成員各司其職，共同完成案例學習;同時，在準備程序和匯報過程中，成員之間充分討論，互相學習，取長補短，使個人較弱的方面也逐漸得到提高。這種形式還模擬了求職中的小組群體面試和實際工作中的團隊合作，鍛煉了學生的分析問題、解決問題的實踐能力，為學生后續(xù)求職和到企業(yè)工作打下較好的基礎(chǔ)。

2.4 傳統(tǒng)教學模式與案例化教學模式效果對比

傳統(tǒng)教學模式與案例化教學模式下對課程感興趣的學生比例、理論掌握較好和實踐能力較高的學生比例對比見表1?？梢妼嵤┌咐虒W后，學生的學習效果得到了較大提升。

3 結(jié)語

探索案例化、專題化教學模式對于提升圖像類課程教學效果具有積極意義。本文根據(jù)圖像類課程的特點首先分析了傳統(tǒng)單純講授教學模式的弊端，在總結(jié)課程組初步實施案例化、專題化教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了進一步優(yōu)化圖像類課程案例化、專題化課堂教學模式的三個具體措施，最后通過對比傳統(tǒng)教學模式和案例化教學模式的效果，驗證了所提措施的有效性。希望這些建議措施能對兄弟院校圖像類課程的案例化改革實踐提供些許參考意義。

參考文獻：

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收稿日期：2021-09-27

基金項目：南京郵電大學教學改革研究項目“專業(yè)課程案例化、專題化課堂教學模式的探索與實踐——以《圖像與視頻處理》為例”（項目編號：JG00219JX12）;南京郵電大學教學改革招標研究項目“面向智慧光電的廣播電視工程專業(yè)改造升級路徑探索與實踐”（項目編號：JG00218JX01）

作者簡介：崔子冠（1982—），男，河南鄭州人，博士，副教授，研究方向：圖像與視頻處理。