魯 斌，劉 麗

（華北電力大學(xué)〔保定〕 計算機系，河北 保定 071003）

研究生階段的課程具有鮮明的理論性、實踐性和應(yīng)用性，課程內(nèi)容不僅與國家發(fā)展規(guī)劃、行業(yè)改革發(fā)展密切相關(guān)，同時承載著職業(yè)道德與規(guī)范，具有很強的技術(shù)倫理與社會責(zé)任，具有天然的思政育人功能。“圖像理解”課程是計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專業(yè)領(lǐng)域的一門研究生課程，涉及多個交叉學(xué)科領(lǐng)域，其目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)習(xí)了本課程之后，具備解決智能化檢測與識別、控制等應(yīng)用問題的初步能力，為以后從事模式識別、計算機視覺、圖像通訊、多媒體技術(shù)等領(lǐng)域的研究與開發(fā)工作打下扎實的基礎(chǔ)。

一、課程設(shè)計理念和目標(biāo)

圖像理解（Image Understanding，IU）是對圖像的語義進(jìn)行理解。它是以圖像為對象，知識為核心，研究圖像中有什么目標(biāo)、目標(biāo)之間的相互關(guān)系、圖像是什么場景以及如何應(yīng)用場景的一門學(xué)科，是研究用計算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界的一門科學(xué)。其主要研究內(nèi)容包括圖像的獲取、圖像處理、圖像分析以及圖像識別等。圖像既包括靜態(tài)圖像和動態(tài)視頻圖像，也包括二維圖像和3D立體圖像。

圖像理解與人工智能密切相關(guān)。傳統(tǒng)的人工智能以人類的知識為對象，研究知識的表示、存儲、推理以及獲得新的知識。隨著計算機視覺和人工智能學(xué)科的發(fā)展，相關(guān)研究內(nèi)容不斷拓展、相互覆蓋，圖像理解既是對計算機視覺研究的延伸和拓展，又是人類智能研究的新領(lǐng)域，滲透著人工智能的研究進(jìn)程，近年來已在工業(yè)視覺、人機交互、視覺導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實、特定圖像分析解釋以及生物視覺研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。圖像理解的內(nèi)容相當(dāng)豐富，涉及面也寬，是一門新興的綜合性學(xué)科。

正因為如此，“圖像理解”課程應(yīng)運而生，成為一門交叉學(xué)科領(lǐng)域課程，將對計算機視覺和圖像處理的基本知識、場景重建、目標(biāo)分析與識別以及場景解釋方面的理論、方法和應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性的介紹。其目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)習(xí)了本課程之后，對圖像理解的基本理論，尤其是圖像理解的概念、基本原理以及解決問題的基本思想方法有一個較為全面的掌握和領(lǐng)會，具備解決計算機視覺處理、智能化檢測識別等應(yīng)用領(lǐng)域問題的基礎(chǔ)能力，為以后從事模式識別、計算機視覺、機器人導(dǎo)航、無人駕駛、虛擬現(xiàn)實、多媒體通信技術(shù)等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與實踐開發(fā)工作打下堅實的基礎(chǔ)。

“圖像理解”課程不僅是計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程學(xué)術(shù)型培養(yǎng)方案的學(xué)位專業(yè)課，同時也是計算機技術(shù)、軟件工程專業(yè)型培養(yǎng)方案的學(xué)位專業(yè)課。之所以如此，是因為人類五官對于外界信息的感知與獲取中，視覺信息占據(jù)超過75%的份額，是人類最為重要的感知方式和手段。視覺信息獲取后，與之而來的“理解”就成為必須解決的問題了，面對廣泛的視覺應(yīng)用領(lǐng)域，對于圖像理解的需求顯得尤為迫切，因此，該課程在專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位和作用十分重要。

“圖像理解”學(xué)科具有交叉性、復(fù)雜性、難度高、應(yīng)用廣等特點，課程內(nèi)容具有一定的難度，對教學(xué)設(shè)計提出了極大的挑戰(zhàn)。如何在有限的學(xué)時內(nèi)傳授圖像理解的核心知識，如何在學(xué)科交叉情景下做到不同學(xué)科知識點的平衡與兼顧，如何將高難度的復(fù)雜理論知識轉(zhuǎn)化為適宜教學(xué)的課程內(nèi)容，如何從寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域中引入代表性的案例以起到“四兩撥千斤”的作用，達(dá)到舉一反三的效果，成為教學(xué)過程中的重點與難點。

課程思政建設(shè)是實現(xiàn)課程高階性的重要保障?！皥D像理解”課程思政建設(shè)應(yīng)遵循專業(yè)知識體系與思政元素高度契合原則，通過遞進(jìn)式思政信仰框架的構(gòu)建，形成飽含正能量的信仰力量，加強頂層設(shè)計，探索具有整體性、內(nèi)涵性、發(fā)展型的課程思政教學(xué)模式，并在實踐中不斷完善，以發(fā)揮課程思政建設(shè)的“乘數(shù)效應(yīng)”。

二、課程結(jié)構(gòu)設(shè)置

“圖像理解”是一門交叉學(xué)科課程，作為圖像理解底層數(shù)據(jù)的是視覺信息，理論出發(fā)點是計算機視覺；作為圖像理解高層數(shù)據(jù)的是知識信息，理論依據(jù)的出發(fā)點是人工智能。從研究的廣泛性來看，圖像理解的處理信息分為視覺數(shù)據(jù)信息和人類知識信息兩部分，前者側(cè)重原始獲取的數(shù)據(jù)信息以何種結(jié)構(gòu)存儲在計算機中，后者側(cè)重知識的表述如何指導(dǎo)計算機的理解過程，兩部分表示相輔相成。圖像理解中對視覺信息和知識信息的研究過程就是進(jìn)行信息表示、處理和分析的過程，具體表現(xiàn)為“表示與存儲”“認(rèn)知與學(xué)習(xí)”“推理與理解”的圖像理解分析過程。

通過“圖像理解”的完整教學(xué)過程，要求學(xué)生不僅能夠掌握圖像理解的基本原理、方法和技術(shù)，具備一定的理論方法研究、算法分析設(shè)計、實驗測試驗證能力，而且要求學(xué)生具備學(xué)以致用、獨立解決圖像理解相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題和技術(shù)問題的動手實踐能力。

綜合考慮整個課程對學(xué)生知識和能力的培養(yǎng)要求，課程的知識構(gòu)成與能力構(gòu)成的比例約為40%和60%?！皥D像理解”是多學(xué)科交叉領(lǐng)域課程，涉及面廣，內(nèi)容量大，課內(nèi)32學(xué)時有限，破解知識體量大、教學(xué)時間緊這一矛盾的主要手段就是采用課上課下延伸、課內(nèi)課外相結(jié)合的雙軌教學(xué)機制，根據(jù)課程學(xué)習(xí)涉及的內(nèi)容量和知識點覆蓋范圍，結(jié)合多年來的教學(xué)實踐經(jīng)驗，講述內(nèi)容占比30%，自修內(nèi)容占比70%較為適宜。

三、面向關(guān)鍵問題求解的“四位一體”課程教學(xué)模式

機器人導(dǎo)航、無人駕駛、虛擬現(xiàn)實等諸多視覺應(yīng)用領(lǐng)域都面臨著圖像理解問題，以實現(xiàn)類似人眼的知覺能力為目標(biāo)?？紤]到相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶋H的基本科學(xué)問題研究和實際應(yīng)用需求，該課程在內(nèi)容設(shè)置上就是要解決三個問題。

1.專業(yè)知識的無縫遷移。如何使學(xué)生徹底弄明白“圖像中有什么”“人和物在干什么”，從而給后續(xù)動作行為和決策提供語義依據(jù)。

2.課程思政的潛移默化。在教學(xué)過程中，如何將熱愛祖國、工匠精神、吃苦耐勞、團(tuán)隊合作等思政元素內(nèi)化于心，達(dá)到“潤物細(xì)無聲”的效果。

3.工程問題的獨立解決。通過翻轉(zhuǎn)課堂、研討式教學(xué)等手段使學(xué)生在掌握相關(guān)核心理論、方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強學(xué)生獨立解決圖像理解復(fù)雜工程實際問題的能力，真正做到產(chǎn)學(xué)研用融會貫通。

為了解決這三個關(guān)鍵問題，課程專業(yè)內(nèi)容講授圍繞3D立體圖像理解展開，構(gòu)建由“知識—理論—應(yīng)用—案例”為線索的講授體系，包含圖像采集與表達(dá)、景物重建過程和方法、場景解釋技術(shù)和手段，以及綜合應(yīng)用案例。同時，按照課程思政設(shè)計原則，在每一個知識模塊中發(fā)揮思政育人功能，實現(xiàn)知識、能力、情感、素養(yǎng)“四位一體”的課程思政教學(xué)目標(biāo)。

（一）專業(yè)知識講授

主要課程內(nèi)容與教學(xué)計劃如下。

1.采集表達(dá)。主要講述馬爾視覺計算理論框架與視覺過程，攝像機成像模型和標(biāo)定，光度學(xué)與亮度成像，高維圖像成像方式，雙目成像模式，深度圖像直接采集，曲線和曲面的局部特征，3-D表面表達(dá)，等值面的構(gòu)造和表達(dá)，從并行輪廓插值3-D表面，3-D實體表達(dá)等內(nèi)容。

2.景物重建。主要講述立體視覺模塊，基于區(qū)域的雙目立體匹配，基于特征的雙目立體匹配，視差圖誤差檢測與校正，水平多目立體匹配，正交三目立體匹配，多目立體匹配，亞像素級視差計算，單目景物恢復(fù)，光度立體學(xué)，從運動求取結(jié)構(gòu)，從影調(diào)恢復(fù)形狀、紋理與表面朝向，根據(jù)三點透視估計位姿等內(nèi)容。

3.場景解釋。主要講述場景知識，過程知識，知識表達(dá)，邏輯系統(tǒng)，語義網(wǎng)，產(chǎn)生式系統(tǒng)，目標(biāo)匹配，動態(tài)模式匹配，關(guān)系匹配，圖同構(gòu)，線條圖標(biāo)記，模糊推理，遺傳算法圖像解釋，場景目標(biāo)標(biāo)記，場景分類等內(nèi)容。

4.教學(xué)計劃與教學(xué)方式。具體的教學(xué)計劃與教學(xué)方式見表1。

表1 教學(xué)計劃與教學(xué)方式

（二）課程思政育人

“圖像理解”課程具有鮮明的理論性、實踐性和應(yīng)用性，課程內(nèi)容不僅與國家數(shù)字化、人工智能發(fā)展規(guī)劃等宏觀政策密切相關(guān)，同時承載著職業(yè)道德與規(guī)范，具有很強的技術(shù)倫理與社會責(zé)任。在教學(xué)過程中既要充分反映圖像理解領(lǐng)域的核心方法和關(guān)鍵技術(shù)，又要將理論知識與工程實踐緊密結(jié)合，同時具備豐富的教育內(nèi)容。

課程在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和職業(yè)精神，圍繞著課程特點、教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建符合專業(yè)知識學(xué)習(xí)的課程思政教育目標(biāo)，從廣度與深度、線上與線下、知識教育與價值引領(lǐng)多方面，協(xié)同發(fā)力，實現(xiàn)知行合一，以達(dá)到包含情感目標(biāo)和素養(yǎng)目標(biāo)在內(nèi)的課程思政育人目標(biāo)。

情感目標(biāo)：課程通過展示圖像理解技術(shù)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦業(yè)、軍事、環(huán)境、生態(tài)等方面的突出優(yōu)勢和貢獻(xiàn)，展現(xiàn)我國科技創(chuàng)新以人民為本的初心，產(chǎn)業(yè)布局、技術(shù)革新政策的制定，始終以“人民利益”至上為原則，以社會發(fā)展為根本，激發(fā)師生的愛國情懷，將國家命運與個人命運緊密相連，增強學(xué)生對新時代中國特色社會主義思想的認(rèn)識，堅定“四個自信”，形成信仰的力量，堅定職業(yè)信念。

素養(yǎng)目標(biāo)：課程思政核心素養(yǎng)以求真、觸情、傳遞社會主義核心價值為目標(biāo)，不僅幫助學(xué)生“專業(yè)成才”，更要促進(jìn)“精神成人”，即培養(yǎng)學(xué)生成為視覺圖像領(lǐng)域人才的同時，更要塑造良好的人格品性，堅守職業(yè)道德，維護(hù)社會公平正義。

（三）項目牽引持續(xù)能力培養(yǎng)

“圖像理解”是一門實踐性很強的學(xué)科交叉課程，沒有項目牽引，很難做到對理論的深刻理解，對方法技術(shù)的靈活應(yīng)用，對工程實際問題的迎刃而解。同時，課程項目的選擇要求具有代表性，合理可行，既能夠覆蓋課程核心知識點，又必須難易適中，確保多數(shù)人能夠完成?；谏鲜隹紤]，并通過不斷總結(jié)實踐經(jīng)驗，選取“高分遙感圖像解譯”這一項目作為課程論文實施對象，其特點如下。

1.完備性。課程是對計算機視覺和圖像處理的基本知識、場景重建、目標(biāo)分析與識別以及場景解釋方面的理論、方法和應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)介紹，使學(xué)生學(xué)習(xí)后對圖像理解的基本理論，尤其是對圖像理解的概念、基本原理以及解決問題的基本思想方法有一個較為全面的了解和領(lǐng)悟，使其具備解決復(fù)雜工程應(yīng)用問題的基本能力。這些學(xué)習(xí)內(nèi)容和要求在“高分遙感圖像解譯”項目實踐過程中都會予以體現(xiàn)。

2.研討性。課程從圖像采集與表達(dá)入手，繼而講述景物重建過程和方法，接著剖析場景解釋技術(shù)和手段，最后給出綜合應(yīng)用案例。教學(xué)方法上，首先講解課程關(guān)鍵知識點，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入圖像理解知識領(lǐng)域；其次穿插設(shè)置項目研討課，以學(xué)生分組研究討論為主，教師引導(dǎo)為輔，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、查找資料、解決問題的動手能力和自主科研能力，達(dá)到學(xué)以致用、舉一反三的目的。

3.開放性。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新性與探索性，項目提供了InterIMAGE開源平臺供學(xué)生使用。該平臺是一個基于知識的自動圖像解譯框架，可將自定義知識嵌入到系統(tǒng)中自動解釋遙感圖像，也可以通過創(chuàng)建語義網(wǎng)絡(luò)來建模知識。系統(tǒng)自帶了一些基本功能，如目標(biāo)檢測，光譜、幾何、拓?fù)浜图y理特征計算等，既保障學(xué)生按照課程要求完成實踐任務(wù)，又能夠滿足學(xué)生開拓創(chuàng)新的嘗試愿望。

結(jié)語

圖像理解是計算機科學(xué)與技術(shù)、人工智能領(lǐng)域的一個重要研究方向，也是新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)的一個科學(xué)領(lǐng)域，在研究生“圖像理解”課程建設(shè)過程中，除了關(guān)注課程目標(biāo)、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵問題的解決外，教學(xué)團(tuán)隊還在課程思政、教學(xué)策略、教學(xué)手段、產(chǎn)教融合和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面持續(xù)發(fā)力，力求通過一門課程的教學(xué)活動，實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)研究素養(yǎng)和科研報國情懷的不間斷塑造，為最終實現(xiàn)高等院校高素質(zhì)人才培養(yǎng)目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。