［摘 要］ 圖像頻譜蘊含豐富的辯證唯物主義基本原理，為課程思政與專業(yè)知識的深度融合提供平臺。近年來，基于結(jié)構(gòu)光照明的單像素成像技術發(fā)展迅猛，該技術為逐個提取圖像頻譜分量提供了途徑。針對圖像頻譜分析和處理，提出基于結(jié)構(gòu)光照明的教學方案。此方案通過結(jié)構(gòu)光圖案空域和頻域的聯(lián)系，闡述圖像信息空域頻域這兩種表現(xiàn)形式的對立統(tǒng)一。依據(jù)結(jié)構(gòu)光照明逐步獲取圖像頻譜的具體步驟，此方案進一步深入闡述圖像信息空域和頻域所對應的事物普遍聯(lián)系和對立統(tǒng)一的辯證唯物主義基本原理，實現(xiàn)專業(yè)知識和思想政治教育的雙重目標。最后，通過分析不同頻譜分量在表達圖像信息中的地位，聯(lián)系辯證唯物主義抓住主要矛盾、兼顧次要矛盾的方法論，闡明圖像頻域處理的指導思想。此方案將圖像頻譜分析處理與辯證唯物主義原理相結(jié)合，將專業(yè)知識學習與政治素養(yǎng)培育相結(jié)合，以辯證唯物主義指導圖像分析和圖像處理，從科學世界觀和方法論的角度審視圖像頻譜分析和處理，有助于引導學生將思想政治學習與專業(yè)學習有機融合，成為具有馬克思主義世界觀的綜合型人才。

［關鍵詞］ 結(jié)構(gòu)光照明；圖像頻譜；對立統(tǒng)一；辯證唯物主義

［基金項目］ 2021—2024年國家自然科學基金項目“基于時空調(diào)制技術的生物組織光聲顯微成像研究”（12074191）；2022年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“光電專業(yè)創(chuàng)新實驗課程規(guī)劃及校內(nèi)實踐基地建設”（221003584104912）

［作者簡介］ 姚 潔（1977—），女，江蘇無錫人，博士，南京師范大學物理科學與技術學院副教授，碩士生導師，主要從事光聲信息處理研究；朱 婕（1999—），女，江蘇南通人，南京師范大學物理科學與技術學院2021級光學工程專業(yè)碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)光照明光聲顯微成像；張昕?。?002—），男，江蘇泰州人，南京師范大學物理科學與技術學院2020級光電信息科學與技術專業(yè)本科生，研究方向為結(jié)構(gòu)光照明單像素成像。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）36-0109-05 ［收稿日期］ 2023-07-30

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)，做好高校思想政治工作，要因事而化、因時而進、因勢而新［1］。2020年5月，教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量［2］。在專業(yè)課程中融入思政教育，是高校實現(xiàn)德育與智育相融合、協(xié)同育人的有效途徑。課程思政改革緊跟科技發(fā)展前沿，融入新研究成果，也是高等教育發(fā)展的根本要求。

頻譜是信號所攜帶信息的另一種表現(xiàn)形式，它與時域（一維信號）或空域（二維信號）所展現(xiàn)的強度分布截然不同，充分體現(xiàn)矛盾對立統(tǒng)一這一辯證唯物主義核心規(guī)律?！靶盘柵c系統(tǒng)分析”“數(shù)字信號處理”和“數(shù)字圖像處理”等課程是涉及信號頻譜最多的專業(yè)課程，也是當前實施課程思政教學改革比較活躍的領域［3-7］。目前，相關課程思政的研究尚未涉及信號頻域的辯證唯物主義內(nèi)涵，頻域蘊含的豐富的馬克思主義基本原理有待進一步挖掘。近十年，基于結(jié)構(gòu)光照明的單像素成像技術以其廣泛的適用性和優(yōu)異的靈活性得到圖像研究領域的廣泛關注［8-9］。不同于常用的傅里葉變換，基于傅里葉條紋的結(jié)構(gòu)光照明，能夠獨立提取圖像的頻譜分量，便于學生體會空域、頻域的相互關系，從而理解圖像信息空域與頻域的對立統(tǒng)一。因此，采用結(jié)構(gòu)光照明分析圖像頻譜，有助于構(gòu)建橋梁，連接圖像頻譜專業(yè)知識與辯證唯物主義矛盾論，在專業(yè)課程中塑造科學世界觀。

筆者提出運用結(jié)構(gòu)光照明單像素成像技術來闡釋圖像信息空域、頻域的對立統(tǒng)一，引導學生運用事物普遍聯(lián)系、對立統(tǒng)一這一基本原理去理解圖像頻譜的意義和地位。在此基礎上，通過分析不同頻譜分量對圖像信息的貢獻不同，展現(xiàn)矛盾的普遍性和特殊性，進而引導學生運用抓住主要矛盾、兼顧次要矛盾的科學方法論指導圖像分析和處理。本教學方案嘗試將圖像信息處理的專業(yè)知識與馬克思主義基本原理相結(jié)合，切實踐行高等教育立德樹人根本任務。

基于結(jié)構(gòu)光照明的圖像頻譜教學實踐

實現(xiàn)圖像頻譜處理與辯證唯物主義的教學融合，需要對現(xiàn)有的圖像頻譜的教學方式進行調(diào)整。首先，我們采用結(jié)構(gòu)光照明獲得圖像頻譜分量，闡明圖像空域與頻譜信息的聯(lián)系。其次，我們由結(jié)構(gòu)光照明獲取的圖像頻譜反向重構(gòu)圖像，通過對比原圖和重構(gòu)圖，進一步深化學生對圖像空域和頻域聯(lián)系的認識，引導學生認識到兩種表現(xiàn)形式的對立統(tǒng)一。再次，我們采用圖像頻譜的不同部分重構(gòu)圖像，幫助學生認識到不同頻譜分量對圖像的貢獻，進而引出主要矛盾和次要矛盾，引導學生以馬克思主義方法論指導圖像處理。最后，根據(jù)課后作業(yè)，我們從專業(yè)知識和思想政治兩個角度對學生進行綜合評價，并作為過程性考核的一個組成部分。

（一）圖像空域與頻域的對立統(tǒng)一

結(jié)構(gòu)光照明單像素成像是將照明光調(diào)制成特定的圖案，照射到成像對象上，通過單個換能器接收包含目標空間分布的信號，經(jīng)信號處理獲取目標圖像的成像手段。傅里葉條紋是常用的結(jié)構(gòu)光照明圖樣，表現(xiàn)明暗相間的條紋圖，條紋沿橫向變化的周期個數(shù)對應空間頻率分量kx，同樣，縱向變化的周期個數(shù)對應縱向分量ky。圖1分別給出空間頻率（kx，ky）分別為（3，0）、（0，3）和（3，3），在這三種情況下空域的光強分布和頻域的頻譜分布。由圖可見，空域的條紋在頻域中對應兩個亮點，每對亮點關于中心對稱，表示一個頻率分量。

傅里葉條紋充分體現(xiàn)了圖像信息空域和頻域的對立統(tǒng)一。首先，空域的光強分布和頻域的頻譜分布都表征了相同的圖像信息。數(shù)學上，它們可以通過二維傅里葉變換相互轉(zhuǎn)換，且一一對應，這是二者的統(tǒng)一。其次，圖像的空域和頻域是截然不同的表現(xiàn)形式，其變化規(guī)律也相互對立?？沼虺錆M整個圖像的明暗條紋在頻域僅僅對應一對亮點，形貌大相徑庭，充分體現(xiàn)二者的對立。傅里葉條紋空域形式和頻域形式這一對矛盾有助于理解傅里葉條紋的正交性。不同的傅里葉條紋（kx，ky）不同，對應頻域不同的亮點。因此，從頻域角度看，不同的傅里葉條紋相乘為零，從而能夠?qū)⑺鼈兯鶖y帶的信息完全區(qū)分，這也是結(jié)構(gòu)光照明單像素成像的基礎。

正交的傅里葉條紋結(jié)構(gòu)光為獲取圖像任意頻率分量提供的方法。例如，空間頻率為kx=ky=3的傅里葉條紋結(jié)構(gòu)光具有四個不同的初相位——0，π/2，π和3π/2，如圖2第一行所示。將這四種結(jié)構(gòu)光照射到圖像上（Matlab圖像“照相者”），得到結(jié)果如圖2第二行所示，對應所有像素光強求和即為探測器獲得四個測量值D0，D1，D2和D3。根據(jù)D0～D3，采用下式，可以獲得相應圖像頻譜系數(shù)F（kx，ky）。

F（kx，ky）=（D2-D0）+i（D3-D1）

通過四次結(jié)構(gòu)光照明，可以得到圖像的一個頻率分量，即圖像頻譜中的一個點。對于由256×256個像素構(gòu)成的圖像“照相者”［圖3（a）］，其頻譜大小也是256×256。依據(jù)頻譜的共軛對稱性，測量一半的頻譜分量即可獲得完整的圖像頻譜，一共需要進行4×128×256次結(jié)構(gòu)光照明。在這一過程中，教師可以選擇在任一環(huán)節(jié)將圖像頻譜通過傅里葉反變換觀察重構(gòu)圖，體會圖像空域與頻域的聯(lián)系。

當所有頻譜分量均獲取后，圖像的原圖、頻譜圖和重構(gòu)圖分別如圖3（a）、（b）和（c）所示。對比原圖和重構(gòu)圖可見，從人物到背景，從天空到海水，原圖與由頻譜重構(gòu)的圖像處處吻合。這表明，由單獨獲取的頻譜分量組合的圖像信息是完備的，它與圖像空域所表達的信息一致。對比圖像及其頻譜，結(jié)合頻譜的獲取過程，有助于深化對圖像空域和頻域這一對矛盾的理解。首先，頻域分布與空域分布不存在簡單的對應關系。由結(jié)構(gòu)光照明獲取傅里葉系數(shù)可知，對于頻域中每一個頻譜分量，我們必須采用整幅圖像與傅里葉結(jié)構(gòu)光相乘，才能得到對應的系數(shù)?？沼蛑械拿恳粋€點對每個頻譜分量都有貢獻，二者存在緊密聯(lián)系。其次，頻域和空域遵循的規(guī)律不同。頻域存在對稱性，經(jīng)一半頻譜分量，即可獲得整個圖像信息。圖像空域不存在任何對稱性，256×256個像素元少任何一個，圖像都是不完整的?？沼蚝皖l域沒有任何相似之處，充分展現(xiàn)了二者的區(qū)別。最后，原圖、頻譜和重構(gòu)圖這三者有力證實頻域和空域的統(tǒng)一，充分反映事物是普遍聯(lián)系的這一辯證唯物主義原理。圖像空域和頻域相互區(qū)別、相互對立，是圖像信息的不同表達方式，二者本質(zhì)上是一致的。

（二）圖像處理與辯證唯物主義基本原理相結(jié)合

頻域圖像處理需要以辯證唯物主義作為指導思想。不同頻譜分量在表達圖像信息中占據(jù)不同的地位，具有不同的影響。以圖像“照相者”所表達的信息為例，低頻分量占據(jù)圖像信息的主體，為主要矛盾，高頻信息為次要矛盾。將經(jīng)結(jié)構(gòu)光照明獲取的圖像頻譜分量一分為二，一部分為25％的低頻分量，另一部分為剩余75％的高頻分量，如圖4第一行所示。對應圖像頻譜經(jīng)傅里葉反變換獲得的重構(gòu)圖，如圖4第二行所示。

由25％低頻分量重構(gòu)的圖像中，照相者、相機、三腳架、遠處的建筑物，以及照相者的面部細節(jié)、海水波紋均清晰可辨，重構(gòu)圖保留了原圖的大部分信息。由75％高頻分量生成的重構(gòu)圖中，海水、遠處建筑物毫無蹤跡，模模糊糊似乎能夠看到有人在用相機照相，但是只能看到輪廓，具體情況無法辨別。以辯證唯物主義的視角來看，25％的低頻分量為圖像信息的主體，處理好少量低頻分量，即抓住了圖像處理這一問題的主要矛盾。75％高頻分量是圖像信息的次要矛盾，圖像處理中集中精力處理主要矛盾的同時兼顧次要矛盾，即可滿足應用需求。以唯物辯證法抓主要矛盾、兼顧次要矛盾的方法論來指導圖像頻譜處理，有望得到事半功倍的效果?？梢?，辯證唯物主義作為基本的世界觀和方法論，是專業(yè)實踐的重要指導思想。

（三）引導學生挖掘圖像處理蘊含的辯證唯物主義基本原理

圖像頻譜和圖像處理包含豐富的內(nèi)容，辯證唯物主義同樣博大精深。在結(jié)構(gòu)光照明和圖像重構(gòu)的教學基礎上，教師通過小組作業(yè)，引導學生主動學習更多的圖像處理知識和技能，并挖掘其中所蘊含的豐富的辯證唯物主義基本原理。這些研究可以是一些目前知識的延展。比如，同樣的處理，不同的圖像效果不同，這對應辯證唯物主義具體問題具體分析的要求。又比如，量變、質(zhì)變的原理可以通過圖像重構(gòu)體現(xiàn)出來。圖5給出了“照相者”在不同采樣率情況下的頻譜分布和相應的重構(gòu)圖。由圖5可見，通過結(jié)構(gòu)光照明采集的頻譜分量越多，重構(gòu)圖的恢復質(zhì)量越好。當保留的頻譜分量占比50％時，重構(gòu)圖與原圖相似度為0.75左右。隨著采樣率的下降，重構(gòu)圖質(zhì)量不斷退化。當頻域保留的頻譜分量僅為1％時，重構(gòu)圖中背景和人體面部糊化嚴重，與原圖的結(jié)構(gòu)相似度下降為0.58，圖像信息缺失嚴重。這一轉(zhuǎn)變充分體現(xiàn)量變引起質(zhì)變這一辯證唯物主義基本原理。

專業(yè)知識與政治教育的融合，需要進一步在評價方式上體現(xiàn)。教師根據(jù)學生情況，對學生提交的研究作業(yè)從專業(yè)和政治思想兩個角度進行合理評價，此部分內(nèi)容應作為過程性考核的一個環(huán)節(jié)。通過作業(yè)，學生在實踐圖像處理專業(yè)知識和技能的同時，能夠主動從辯證唯物主義的角度審視這些知識和技能，將專業(yè)知識與思想政治理論相結(jié)合。這有助于青年學生形成科學的世界觀和方法論，成長為國家需要的新型人才。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)光照明為逐個提取圖像頻譜分量提供了強有力的工具。采用結(jié)構(gòu)光照明的方式獲取圖像頻譜，能夠更為形象地展現(xiàn)圖像信息二者表現(xiàn)形式的對立統(tǒng)一，體現(xiàn)辯證唯物主義基本原理。以馬克思主義世界觀和方法論指導圖像頻譜分析和處理，能夠從圖像信息表達到圖像信息處理的教學全過程踐行教育部對高等教育提出的發(fā)揮好每門課程育人作用的要求。

參考文獻

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Teaching Practice of Dialectical Materialism in Image Spectrum

YAO Jie， ZHU Jie， ZHANG Xin-jian

（School of Physics and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing，

Jiangsu 210023， China）

Abstract： The image spectrum contains rich basic principles of dialectical materialism， providing a platform for the deep integration of ideological and professional knowledge. In recent years， single pixel imaging technology based on structured light illumination has developed rapidly， providing a way to extract image spectral components one by one. This article proposes a teaching plan based on structured light illumination for image spectrum analysis and processing. This scheme explains the unity of opposites between the spatial and frequency domains of image information through the connection between spatial and frequency domains of structured light patterns. Based on specific steps of obtaining image spectra through structured light illumination， this scheme further elaborates on the basic principles of dialectical materialism that correspond to the universal connection and opposition unity of things， achieving the dual goals of professional knowledge and ideological and political education. Finally， by analyzing the role of different spectral components， and connecting with the methodology of dialectical materialism to grasp the main contradiction， the guiding ideology of image frequency domain processing is elucidated. This plan combines image spectrum analysis and processing with the principles of dialectical materialism， combines professional knowledge learning with political literacy cultivation， guides image analysis and processing with Marxist dialectical materialism， and examines image spectrum analysis and processing from the perspective of scientific worldview and methodology. It helps guide students to organically integrate ideological and political learning with professional learning， and become comprehensive talents with a Marxist worldview.

Key words： structured light illumination; image spectrum; unity of opposites; dialectical materialism