数字图像处理课程教学模式改革研究

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　　摘 要 由于图像处理的研究内容和领域处于不断发展之中，社会对计算机专业毕业生的图像处理工程能力的要求越来越高，现行的相关课程的教学模式已难以满足需求。本文从教学内容选择、实践教学安排等方面分析了数字图像处理的教学过程，使用学生真正掌握图像处理的关键技术和关键方法，能能够在实践中加以应用。总而言之，本文提出了一种理论与实践相结合的教学模式。
　　关键词 课程改革 数字图像处理 教学方法创新
　　中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.02.052
　　Abstract Because the field of research and image processing is constantly evolving， community image processing computer graduates have become increasingly demanding engineering capabilities， the current mode of teaching related courses has been difficult to meet the demand. From the aspect of teaching content herein， practice teaching arrangements analyzed the teaching process of digital image processing， image processing using students to truly master the key technology and key method that can be able to be applied in practice. In summary， this paper proposes a teaching model of combining theory and practice.
　　Key words course reform； digital image processing； teaching methods innovation
　　1 数字图像处理课程教学改革的意义
　　良好的产业背景和巨大的应用需求，促使我国产生了对数字图像处理、机器视觉方面大量人才的培养要求。经过近年来的发展，我国图像处理课程教育与实践已经取得了十分丰硕的成果，但有些基本的问题仍未解决。最主要的是当前我国图像处理课程教育与社会对图像处理方面的人才要求之间存在较大的不匹配，而导致这一偏差存在的最直接原因是教学模式陈旧，根本原因是课程结构不合理，问题主要表现在：
　　（1）图像处理方面人才培养模式没有突破学科教育体系。我国现行的数字图像处理课程的主要内容还是停留在较为陈旧的课程体系中，有的课程体系中缺少对图像处理课程支撑的前续课程；在教学方法上也较为陈旧，主要是通过教师对主要知识点的讲解来进行，而缺少对学生实践环节的重视。
　　（2）缺少与数字图像处理方向相关岗位要求相匹配的实验教材。国内缺少适强化工程能力训练、以项目和案例驱动的实验教材，导致培养计划实施效果不尽如人意。国外在上世纪70年代就在高校中开展了图像处理方面的课程，比较经典的教材包括冈萨雷斯和温茨编著的数字图像处理，将重点放在了基础和应用上，并已被许多国内外高校所采用。我国早在上世纪80年代就开始采用翻译的国外图像处理方面的教材，但是由于条件的限制，大部分只能进行纯理论教学。例如武汉大学组织编写了计算机图像处理与分析教材。但是总的来说，目前数字图像处理相关教材的发展与社会对相关领域人才要求的日益提高并不适应。数字图像处理（MATLAB版）虽然已经有中文版面市，但该教材偏重于基本图像处理方法的实现，缺少适合于图像处理工程训练方面的实验课教材。现行的图像处理课程和实际工程要求之间的不匹配。现有的数字图像处理的主要教学内容与该领域就业岗位的实践要求相关度低。这就需要对数字图像处理课程的教学内容进行按照创新培养方案进行仔细梳理，使得学生满足相关岗位的要求。
　　（3）考核方式单一，目前大多数高校的图像处理相关课程的考核方式仍以笔试为主，无法全面客观地评价学生的真实学习水平，特别是实践能力水平。
　　2 数字图像处理课程改革的目标
　　针对图像处理相关课程中的以上问题，本文提出的创新教学模式从教学内容选择、实践教学安排、教学学时分配等方面分析了数字图像处理课程教学的关键环节，提出了一种理论与实践相结合的教学模式，本文的研究的目标和解决的主要问题包括：
　　（1）对数字图像处理相关岗位的工作流行进行梳理，从而对数字图像处理课程的主要教学内容进行重新确定。从宏观上，通过调研来发掘图像处理相关的岗位的工作流行包括哪些方面。从微观入手，确定哪些是已有的课程体系中涵盖的，哪些没有包含在其中，如何科学地对数字图像处理课程的教学和培养目标进行合理的修改和优化。
　　（2）对数字图像处理课程的教学模式进行创新。根据优化后的数字图像处理课程的教学内容和培养目标，对该课程的教学方法和模式进行创新。总体思路是围绕基本概念和基本方法，结合具体应用实例，加深学生对概念和方法的掌握，以及提升学生的应用实践能力。这就需要老师在备课环节，不止从课本入手，而且要花费大量精力用于准备丰富的实例。
　　（3）对数字图像处理课程的考核方法进行创新。由于传统的笔试方法无法全面综合考核学生对数字图像处理基本方法的掌握和应用能力，拟采用课程设计的方法来对学生进行该课程的综合评价。课程设计的题目设计要紧扣教学和培养目标，应当包含主流算法的实现，又能够激发学生对解决具体课题创新能力。同时在设计不同的项目时，注重围绕不同的基本方法来设计题目。 　　本课程较全面、系统地介绍图像处理和计算机视觉的基本概念、方法以及一些典型应用。图像处理的主要内容有：颜色和光源、图像格式、图像的空间域处理（点处理、局域处理、代数处理、几何处理等）、图像的频率域处理（离散余旋变换DCT、离散Fourier变换DFT等）、 图像增强、图像分割、图像复原、图像形态学、图像压缩等。计算机视觉的重点是视觉概论、摄像机参数特征和成像模型、摄像机标定方法、双目视觉与立体观测、运动目标检测与跟踪、典型应用案例介绍等。通过学习本课程，可以使学生了解和掌握图像处理和计算机视觉的基本原理和技术，培养研究生解决实际工程问题的能力，为今后的研究和工作提供良好的经验和基础。
　　3 数字图像处理课程改革的内容与途径
　　由于计算机技术和数字图像处理技术都处于快速发展之中，如何将数字图像处理的各方面知识点进行有机的整合，将其梳理成一个体系，如何将该课程与专业内的其他课程之间的联系进行合理把握，在教学实践过程中对知识点的教学方式的把握上，本文进行了如下研究。
　　3.1 数字图像处理课程内容改革
　　“数字图像处理”课程是在原“数字图像处理”、“机器视觉”课程的基础上构建的一门新的课程，是在原课程上的扩展，致力于培养和提升学生对数字图像处理应用进行掌握和实践能力。拟在介绍基础图像处理方法的同时，重点突出目标分割，特征提取、运动目标检测等与实际工程密切相关的内容。授课过程中通过大量研究实例，使学生在学习处理工程问题方法的同时，认识所学知识的应用背景，开拓视野，提高兴趣。根据学生的兴趣和用人单位的岗位要求修改教学内容。例如针对大多数学生较为感兴趣的目标检测的实验内容进行扩充。以典型的数字图像处理案例入手，使得学生对重要概念和方法进行深入理解，做到理论与实践互相结合。
　　3.2 实现理论课与实践环节的合理分离与有机结合
　　对图像处理与机器视觉课程进行理论教学与实验教学的合理分离。 对“数字图像处理”课程单独设立实验，增加学生上机操作机会，以培养提高学生的动手能力和综合分析问题能力。例如让学生通过数字图像处理技术设计身份证号码识别系统，车牌号码识别系统，以及纸币号码识别系统等。通过这些课程设计的实施，学生能够加深对图像增强，图像分割，图像去噪，以及应用于图像数据的模式识别方法等的掌握，而且设计题目贴近生活，能够较好地调动学生的积极性。本文作者已在该方面有了一定的教学实践，受到了学生的欢迎和好评，取得了较好的教学效果。
　　配合“数字信号处理”、“Matlab原理及应用 ”等理论课，使得学生在掌握知识的同时注意实践，并且使得课程体系得到相应的支撑。
　　把“图像处理实验”、“机器视觉实验”与部分同学的毕业设计结合起来，使学生了解理想条件下和实际工程中图像处理方法的联系与区别，并在毕业论文环节中得到充分运用。
　　3.3 改革图像处理课程的教学手段
　　采用国内外公认的较为先进的教育理念和方法，以数字图像处理课程的具体实际情况进行分析，探索与本课程相适应的教学理念和方法。理论教学课时量一般只有32学时，在教学方法上，不追求内容能够大而全，面面俱到，而是从基本概念和方法入手，以实例为引线贯穿各个知识点。通过具体实例和应用让学生对方法的特点进行深入理解。调动学生积极性，适当开展“翻转课堂”教学。将一定的课程时间留给学生上台来讲，通过学生的讲述，学生可以加深掌握图像处理的根本原则和基本方法，同时教师可从学生的讲述中了解学生掌握的具体情况，共同研究解决图像处理中的实际问题，从而获得更深层次的理解。
　　在借鉴、吸收国内外教学质量管理思想的基础上，力图实现图像处理教学方面的突破与创新。对教学质量管理系统若干基础模型进行分析，在教学模式教学质量管理中引入全面质量管理。
　　4 总结与展望
　　本文针对数字图像处理课程进行课程教学计划和课程教学大纲设计，提出了一种对数字图像处理课程的教学模式的创新。与时俱进，重新确定图像处理课程的教学内容，培养学生普适的动手能力，为未来的图像处理实际应用奠定基础。重点解决图像处理方面人才培养的效果与市场需求之间的差异，使得学生毕业后能够尽快胜任大部分实际图像处理工程。将数字图像处理工程技术系统地应用到理论教学和技能教学中，并确定应用范围、技术路线选择以及学生学习评价原则。改革现有图像处理课程教学模式。在课堂教学中，以实例使学生能更快、更直接地掌握图像处理方法的基本原理，从而为缩短理论教学课时创造条件。改革现有实验教学模式，在对现有实验课程内容进行归类和分析的基础上，提出针对不同专业学生的图像处理实验调整方案。
　　基金项目：本文受到江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题（研究生模式分析与视觉处理课程群实践体系改革与实现），南京航空航天大学本科教学改革与建设项目（图像处理课程的研究与实践）， 中央高校基本科研业务费专项资金资助（Nos. NR2013033，NR2014041）的支持
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