呂秀麗 牟海維 韓建 趙麗華 楊韻桐

摘要：工程教育理念下，針對“數(shù)字圖像處理及應用”課程存在的學時少、知識點多、教學與工程實際脫軌，學生編程能力低下等主要問題進行教學改革。充分利用超星學習通網(wǎng)絡教學平臺，線上線下結合教學，加大MATLAB語言程序設計實踐，合理設定考核內(nèi)容。實踐表明，學生的理論聯(lián)系實際、分析和解決數(shù)字圖像處理工程實際問題能力均得到了大幅提高。

關鍵詞： 數(shù)字圖像處理;教學改革;工程教育;MATLAB

中圖分類號：G64 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0134-02

“數(shù)字圖像處理及應用”課程是高校電子信息、計算機、自動化類多個專業(yè)開設的一門重要的專業(yè)課，涉及數(shù)學、物理學、生理學、心理學、電子學、攝影和計算機科學等眾多學科，是一門綜合性交叉學科[1-2]。數(shù)字圖像處理技術已被廣泛應用于視頻通信、遙感測繪、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)、機器人、生物醫(yī)學和軍事公安等各個領域，且在這些領域發(fā)揮著越來越重要的作用[3]。

1 課程存在的主要問題

（1）課時偏少，我校電子信息工程專業(yè)該課程總學時40，理論學時32，實驗學時8。涉及的先修課程知識多，先修課程包括：線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、信息論、程序設計語言等。然而在教學過程中發(fā)現(xiàn)學生普遍對先修課程知識掌握不夠扎實。

（2）課程知識點多而雜，教學上注重圖像處理的數(shù)學依據(jù)、數(shù)學推導等，在教學的過程中忽視理論與實際應用之間的聯(lián)系，課堂教學與工程實際脫軌，學生對前沿研究熱點了解少[4-5]。

（3）不注重編程語言的運用，學生只會調(diào)用MATLAB語言自帶函數(shù)，不利于編程能力培養(yǎng)，缺乏圖像處理技術的綜合應用能力。

因此，針對教學過程中存在的問題，對“數(shù)字圖像處理及應用”課程進行教學改革迫在眉睫。

2 教學改革

（1）教學團隊開展教學活動

由長期從事圖像處理算法開發(fā)的主講教師和實驗教師組建教學團隊，其中教授2人，副教授3人，集體研究課程目標、教學內(nèi)容、教學方法、學生的知識儲備、國內(nèi)外相關學術研究熱點，科學制訂教學方案，課程教學網(wǎng)站建設方案，保證各項教學活動的有序開展。

（2）使用國家級優(yōu)秀教材

我校電子信息工程專業(yè)采用的教材是章毓晉教授主編的第4版《圖像工程——上冊：圖像處理》，包括4個單元。第1單元圖像增強，第2單元圖像恢復，第3單元圖像編碼，第4單元圖像拓展，內(nèi)容包括圖像處理的基本概念、基本原理、典型方法、實用技術以及國際上有關研究的新成果。

（3）利用網(wǎng)絡平臺輔助教學

利用超星學習通網(wǎng)絡平臺輔助教學，學生通過學習通App完成各項任務。先修課程的相關知識點學習資料、課堂教學PPT課件、題庫習題、實驗指導書、作業(yè)、考試試卷樣例均發(fā)布到學習通平臺，便于學生課前預習，課后復習。從近五年學術期刊中挑選數(shù)字圖像處理及應用相關的前沿科技論文，發(fā)布到學習通平臺上，使學生們涉獵一定的工程實踐，達到了解圖像工程研究熱點的目的。課堂上學生通過學習通App簽到、教師提問利用“選人”功能隨機點名回答問題，驅使學生認真聽課。

（4）多種教學方法相結合開展課堂教學

課堂主要采用任務驅動、案例、對比、研討等教學方法相結合的方式授課。例如在講解圖像平滑濾波時，首先顯示幾幅帶有噪聲的圖像，然后提出怎樣去除或衰減噪聲，改善圖像質(zhì)量？帶著任務展開講解。首先顯示幾幅鄰域平均法處理后的圖像，再講基本原理，然后對比不同尺寸模板的鄰域平均效果，討論得出鄰域平均法去噪的優(yōu)缺點。接著引入幾個改進的方法，如：超限鄰域平均、加權平均、有選擇保邊緣平均法，先對比圖像處理結果，再講基本原理，分析得出結論。最后結合車牌識別等幾個工程實例講解鄰域平均法的實際應用。

（5） 加強實驗教學提高理論聯(lián)系實際

實驗教學是該課程的重要組成部分，目的是鞏固課堂內(nèi)容，理論聯(lián)系實際，熟練掌握MATLAB語言的數(shù)字圖像處理編程，逐步培養(yǎng)學生解決數(shù)字圖像處理類復雜工程問題的能力。該課程設置了空域增強、頻域增強、圖像恢復和數(shù)字水印4個實驗，涉及數(shù)字圖像處理的關鍵知識點，實驗內(nèi)容如表1所示。

為提高MATLAB編程語言程序設計能力，部分實驗內(nèi)容要求先調(diào)用MATLAB自帶函數(shù)實現(xiàn)，然后不調(diào)用函數(shù)自行編程實現(xiàn)，對比調(diào)用函數(shù)和自行編程的實驗結果。例如：在直方圖均衡化實驗中，先調(diào)用imhist（ ）函數(shù)顯示幾幅圖像的直方圖，調(diào)用histeq（ ）函數(shù)進行直方圖均衡化，然后通過自行編程的方式統(tǒng)計每幅圖的灰度級，并繪制灰度級分布圖，根據(jù)課堂講解的直方圖均衡化步驟編程實現(xiàn)圖像的直方圖均衡化處理，對比兩種編程方式的實驗結果。

為提高學生學習興趣，學生可以使用自己拍攝的圖像或電腦繪制的圖像。實驗要求學生從教師提供的多幅具有不同亮度、對比度、紋理特性的圖像以及自行拍攝或繪制的圖像中挑選圖像做實驗，對比實驗結果，總結哪些方法適合處理哪些圖像。例如：通過實驗總結直方圖均衡化適合處理偏暗、偏亮、對比度差的圖像;中值濾波比鄰域平均去除椒鹽噪聲效果好。

將由于實驗課堂學時有限，必須充分利用預習，要求學生課前閱讀實驗指導書，提出實驗內(nèi)容設計思路，畫出程序流程圖，至少MATLAB編程實現(xiàn)實驗內(nèi)容（1）并手寫在實驗報告中。

為提高數(shù)字圖像處理綜合應用能力，設定一個綜合性設計性實驗：數(shù)字水印。實驗要求在載體圖像的DCT（離散余弦變換）域嵌入一個有意義黑白二值水印，利用校園網(wǎng)查閱相關期刊文獻至少3篇，設計數(shù)字水印嵌入和提取算法，繪制程序流程圖，可以利用基于紋理、基于DCT系數(shù)關系等方法。水印的攻擊測試采用通用攻擊方法如：JPEG壓縮、低通濾波、高通濾波、尺寸縮放、圖像旋轉等至少5種處理。計算含水印圖像峰值信噪比PSNR，提取水印的位錯誤率BER。該實驗應用了數(shù)字圖像處理很多知識點，包括圖像幾何變換、離散余弦變換、頻率域圖像濾波、圖像壓縮、圖像間變換、函數(shù)映射、像素間關系等，培養(yǎng)學生綜合應用理論知識解決問題的能力，提高程序設計能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

（6）合理設定考核

為科學評價學生成績，實現(xiàn)過程監(jiān)控，課程考核由三部分組成：平時占20%、實驗占20%、期末考試占60%。平時包括利用MATLAB語言編程實現(xiàn)幾何變換、壓縮編碼的作業(yè);通過網(wǎng)絡查閱期刊文獻至少5篇調(diào)研數(shù)字圖像處理某個方向（人臉識別、數(shù)字簽名、手勢識別、車牌識別等）的研究熱點，撰寫調(diào)研報告。實驗課成績由預習、課堂表現(xiàn)和實驗報告組成，分別占實驗成績的15%、35%、50%。實驗課上，教師對每位學生單獨提問，教師根據(jù)回答問題，編程調(diào)試完成情況綜合給出課堂表現(xiàn)成績。

3 總結

“數(shù)字圖像處理及應用”課程教學在東北石油大學電子信息工程專業(yè)（4個班，110人）進行了研究探索，與往屆學生對比發(fā)現(xiàn)，學生的MATLAB語言編程、理論聯(lián)系實際解決實際問題能力均有大幅提高，增強了數(shù)字圖像處理綜合應用能力，為學生以后的科技活動、科學研究、工程實踐奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 潘祥，劉宏申，陶陶.數(shù)字圖像處理課程的研究性實踐教學探索[J].安徽工業(yè)大學學報（社會科學版），2016，33（3）：72-73.

[2] 郭永芳.課堂教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的研究與實踐——以數(shù)字圖像處理課程為例[J].學周刊，2017（10）：25-26.

[3] 胡學敏，白麗贇，李蕾，等.針對高校信息類專業(yè)課程《數(shù)字圖像處理》的教學研究[J].信息通信，2018，31（2）：19-21.

[4] 盧桂馥，王勇.面向應用的數(shù)字圖像處理課程的教學改革與實踐[J].銅仁學院學報，2016，18（4）：101-104.

[5] 羅兵，何周浩，殷政，等.結合工程應用的《數(shù)字圖像處理》教學改革[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（6）：44-46.

【通聯(lián)編輯：王力】