瞿成明 孟 櫻 張明艷

安徽工程大學(xué) 安徽蕪湖 241000

電子信息專業(yè)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革探索

瞿成明 孟 櫻 張明艷

安徽工程大學(xué) 安徽蕪湖 241000

數(shù)字圖像處理是電子信息類本科生重要的專業(yè)課程。由于電子信息類專業(yè)教學(xué)目標(biāo)的特定要求，教學(xué)改革在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、前后續(xù)課程內(nèi)容的銜接、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面應(yīng)符合專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)。課程教學(xué)改革通過(guò)在實(shí)踐中的逐步實(shí)施，夯實(shí)了學(xué)生的專業(yè)理論基礎(chǔ)，也提高了學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

電子信息；數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革

圖像是信息傳遞的重要媒介。數(shù)字圖像處理是當(dāng)今信息處理技術(shù)中發(fā)展很快且應(yīng)用面很廣的新興學(xué)科。數(shù)字圖像處理是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科。數(shù)字圖像處理是高等學(xué)校信息類專業(yè)的重要專業(yè)課程，它的教學(xué)目的是使學(xué)生了解和掌握數(shù)字圖像處理的主要內(nèi)容與方法，為今后的深入研究和開(kāi)發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)[1]。

目前對(duì)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

(1)從教材選擇、內(nèi)容講解、課程銜接、教學(xué)演示等方面探討本課程教學(xué)方法的改革[1]；

(2)從學(xué)生科學(xué)思維能力和綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)、CAI引入教學(xué)等方面研究本課程教學(xué)改革[2]；

(3)從數(shù)字圖像處理課程教學(xué)內(nèi)容體系、教材、教學(xué)方法與手段、實(shí)踐教學(xué)和師資隊(duì)伍等方面的建設(shè)與改革入手，探討精品課程建設(shè)和教學(xué)改革的途徑[3]；

(4)從本課程實(shí)驗(yàn)改革角度出發(fā)，針對(duì)數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)改革[4,5]。

當(dāng)前對(duì)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的改革與實(shí)踐主要集中在教材、課程內(nèi)容更新，教學(xué)手段和方法的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改進(jìn)等常規(guī)方面。

1 教學(xué)改革的目標(biāo)

數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的重要內(nèi)容涵蓋范圍極其廣泛，教學(xué)內(nèi)容具有科學(xué)性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性，課程容量大，牽涉的原理相對(duì)復(fù)雜，如影像灰度直方圖的概念、性質(zhì)及其應(yīng)用，圖像的空間域、頻率域增強(qiáng)與復(fù)原等內(nèi)容；并且每一領(lǐng)域牽涉到不同學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，如分形特征提取、多分辨率分析法等內(nèi)容。針對(duì)不同的專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生的實(shí)際水平，如何取舍教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)方法，就顯得尤為重要。

電子信息工程專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)能從事各類通信電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的高級(jí)工程技術(shù)人才[6]。面向電子信息工程專業(yè)的數(shù)字圖像教學(xué)內(nèi)容和面向遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、測(cè)繪工程等專業(yè)的數(shù)字圖像處理教學(xué)是有區(qū)別的。主要為：

(1)強(qiáng)調(diào)圖像處理方法具體實(shí)現(xiàn)的理論思路而非一般概念；

(2)強(qiáng)調(diào)圖像處理方法具體實(shí)現(xiàn)的程序設(shè)計(jì)途徑而非熟悉一門圖像處理應(yīng)用軟件；

(3)強(qiáng)調(diào)利用軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)圖像應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路而非熟悉一套圖像處理應(yīng)用系統(tǒng)的使用。

綜合以上區(qū)別，應(yīng)該從授課內(nèi)容、前后續(xù)課程內(nèi)容的銜接、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面妥善安排，從而達(dá)到以上所述的教學(xué)目標(biāo)。

2 授課內(nèi)容的安排

為使授課內(nèi)容適應(yīng)工科學(xué)生的特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)課程教學(xué)的理論性與實(shí)用性相統(tǒng)一。在教案、多媒體課件制作過(guò)程中，遵循這一原則，即：既注重本課程較強(qiáng)的理論性，又強(qiáng)調(diào)理論實(shí)現(xiàn)方面的可行性，制作出適合電子信息工程專業(yè)學(xué)生的教案和課件。

如在講授圖像的灰度變換時(shí)，在介紹基本概念的前提下，先明確圖像變換是一種數(shù)據(jù)處理方法，為此，以函數(shù)曲線形式讓學(xué)生直觀了解這種方法就是用一種數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)處理大量數(shù)據(jù)：

由于該變換都是解析式，較抽象，因而給出圖1(a)的函數(shù)曲線，并且對(duì)于該函數(shù)還有很多變形形式[如圖1(b)，(c)所示]：

圖1 圖像灰度變換函數(shù)曲線

針對(duì)以上變換方法，程序上是可以實(shí)現(xiàn)的，并且能夠得到圖像處理后的效果。

如針對(duì)圖1(c)的變換，給出該運(yùn)算的C函數(shù)代碼：

圖2是處理結(jié)果，其中圖2(a)為原圖像，圖2(b)為以圖1中的(b)為函數(shù)曲線處理的結(jié)果，圖2(c) 為以圖1中的(c) 為函數(shù)曲線處理的結(jié)果。

圖2 圖像灰度變換效果

3 前后續(xù)課程的銜接

課程內(nèi)容銜接與師資配置主要目標(biāo)是：

(1)恰當(dāng)處理從已知到未知的過(guò)渡嗎，使學(xué)生能較好、較快地接受新知識(shí)；

(2)恰當(dāng)處理內(nèi)容重復(fù)的問(wèn)題，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。應(yīng)制定出相應(yīng)的授課教師配置方案，從教師教學(xué)和教學(xué)管理的角度滿足以上要求。

由于圖像處理中有些處理技術(shù)依賴于其他學(xué)科的理論基礎(chǔ)知識(shí)，而電子信息工程類學(xué)生以前從未接觸過(guò)這類知識(shí)，這要求授課教師必須要簡(jiǎn)單、明了地介紹這類知識(shí)，讓學(xué)生易于接受的同時(shí)，還不會(huì)占用過(guò)多的時(shí)間與精力，主要是為學(xué)習(xí)圖像處理算法服務(wù)。如在講授圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理的內(nèi)容時(shí)，電子信息類學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)較陌生，突然要求學(xué)生接受這一概念比較困難，可以具體聯(lián)系圖像建立該方法的處理思路。又如在講述形態(tài)學(xué)操作中的結(jié)構(gòu)元素時(shí)，使用圖示的直觀理解，讓學(xué)生在知道圖像的前提下，聯(lián)系形態(tài)學(xué)理論，學(xué)習(xí)形態(tài)學(xué)處理方法中的“結(jié)構(gòu)元素”的物理意義，而對(duì)其學(xué)科背景及概念則盡量弱化。

對(duì)于圖像處理的有些內(nèi)容和前面課程存在重復(fù)，盡量不在這些內(nèi)容上占用時(shí)間去講解。如圖像頻域變換中的離散傅立葉變換、離散余弦變換等，在前續(xù)課程信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理中學(xué)生已經(jīng)深刻理解，在圖像處理中只要強(qiáng)調(diào)圖像是“二維信號(hào)”，在FFT和DCT變換中注意是對(duì)“二維信號(hào)”進(jìn)行處理，強(qiáng)調(diào)與“一維信號(hào)”處理的區(qū)別即可。

4 教學(xué)方法改進(jìn)與更新

在遵循有利于發(fā)揮學(xué)生是教育主體，有利于學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和促進(jìn)學(xué)生個(gè)性的發(fā)展，有利于師生彼此促進(jìn)共同進(jìn)步的原則下，針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，制定出一套適合電子信息工程專業(yè)的數(shù)字圖像處理的教學(xué)方法。

例如：在講授了圖像濾波內(nèi)容以后，為達(dá)到有利于學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的目的，要求他們利用Matlab軟件編寫一個(gè)圖形用戶界面，能利用自己學(xué)過(guò)的不同濾波器處理同一幅圖像。這樣，在學(xué)生學(xué)習(xí)以后，發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)的知識(shí)能立刻發(fā)揮作用，對(duì)此非常高興，而在完成這一任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生不但鞏固了自己所學(xué)的課程知識(shí)，而且編程能力也得到了提高。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

在學(xué)生掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)，具有一定的動(dòng)手能力和思想方法后，應(yīng)找到所學(xué)技能在實(shí)際應(yīng)用中的切入點(diǎn)。改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,使學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ匈|(zhì)的飛躍，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到進(jìn)一步提高并激發(fā)他們的創(chuàng)造能力就顯得尤為必要。為此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有3點(diǎn)改進(jìn)：

5.1 軟件實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排上，軟件實(shí)驗(yàn)安排Matlab，VC，Photoshop等處理圖像的軟件工具，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到軟件處理圖像的巨大優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。硬件實(shí)驗(yàn)安排以TMS320C6000 DSP為平臺(tái)的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從攝像頭的安裝、前向視頻采集電路的調(diào)試、CPU模塊的程序下載與仿真、后向視頻的顯示調(diào)試等方面給學(xué)生以硬件操作的訓(xùn)練，同時(shí)，在調(diào)試好硬件后，還需要調(diào)試CPU中的C代碼，以達(dá)到圖像處理效果。

5.2 代碼編寫與應(yīng)用軟件相結(jié)合

強(qiáng)調(diào)本專業(yè)學(xué)生代碼編寫能力，特別是在圖像處理程序編寫方面，但在此基礎(chǔ)上，一定要熟悉1～2種應(yīng)用圖像處理軟件的使用，同時(shí)對(duì)該應(yīng)用軟件相關(guān)處理功能能從概念和算法上加以理解，軟件實(shí)驗(yàn)主要采用VC和Matlab作為實(shí)驗(yàn)軟件，但也安排了2學(xué)時(shí)的Photoshop實(shí)驗(yàn)，以讓學(xué)生了解和使用圖像處理應(yīng)用軟件。

5.3 綜合性實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合

積極開(kāi)展綜合性、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，讓學(xué)生了解圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域，如在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中，帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)習(xí)在發(fā)電廠集控室鍋爐火焰圖像的采集顯示，醫(yī)院CT、超聲圖像的采集與處理等。畢業(yè)設(shè)計(jì)課題安排諸如“車牌識(shí)別系統(tǒng)中車牌識(shí)別的算法實(shí)現(xiàn)”“智能安防系統(tǒng)中視頻圖像的特征分析”等應(yīng)用研究與實(shí)踐。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改革，電子信息類專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程能夠較好地安排課程理論與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使電子信息工程專業(yè)學(xué)生建立起信息處理的基本概念，熟悉圖像處理的基本理論與方法，在擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面，提高學(xué)生提出和分析問(wèn)題能力的同時(shí)，通過(guò)授課和實(shí)驗(yàn)方法與內(nèi)容的調(diào)整，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生掌握、跟蹤科學(xué)技術(shù)發(fā)展，綜合知識(shí)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新的能力。

[1] 潘建軍,李紅蓮,周金和.數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2007,15:26.

[2] 吳鍇,葛海鮮,郭海霞.數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,6:160-161.

[3] 賈永紅.數(shù)字圖像處理課程的建設(shè)與教學(xué)改革[J].高等理科教育,2007,1:96-111.

[4] 李曉輝,吳蓓.數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J].高等理科教育,2003,4:100-103.

[5] 姜珊,雙凱.數(shù)字圖像處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,5:644-646.

[6] 安徽工程科技學(xué)院.電子信息工程2006年專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃[Z].

Research of teaching reforms on the course of digital image processing for electronic information major

Qu Chengming, Meng Ying, Zhang Mingyan
Anhui polytechnic university, Wuhu, 241000, China

Digital image processing is an important course of electronic information major. As a result of specif c requirements in electronic information teaching, teaching contents arrangement, previous and follow-up course content articulation, experimental training and so on should be consistent with the professional training objectives. By the gradual implementation of teaching reforms in teaching process, students strengthen their professional theoretical foundation, and improve their ability of practice and innovation.

electronic information; digital image processing; teaching reforms

2012-01-04

瞿成明，碩士，副教授。孟櫻，碩士，講師。張明艷，碩士，講師。

安徽工程大學(xué)2010電子信息工程校級(jí)特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目；安徽工程大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào)：2008yjy17)。