《数字图像处理》课程教学改革与实践

摘要：《数字图像处理》是信息类专业的公选课程，根据该课程实践性强的特点，介绍教学过程中实施的一些改革措施。在教学内容方面，对教材内容进行适当的整合、删减与扩充，将基础理论与学科前沿相结合，开阔学生的视野，培养学生的创新意识；在教学过程中，从项目需求的角度出发，使学生能够理论联系实际，提高分析問题与解决問题的能力；在试验课中，提供一些“学期项目”供给学生选择，然后在这些项目的开发过程中，来达到培养学生的团队意识与合作精神。实践证明，这些改革措施能明显提高学生的学习兴趣与工程实践能力。

关键词：数字图像处理；教学改革；试验教学

0 引言

《数字图像处理》是一门汇聚光电探测、电子学、数学和计算机等众多领域技术的综合叉学科，通过对原始图像的加工，可以使图像具备更好的视觉效果，同时满足某些应用的特定需要。《数字图像处理》是一门偏重于应用的工程学科，经过半个多世纪的发展，目前已广泛应用于工业检测、医疗保健、航空航天、军事等各个领域，其巨大成就表现在航空航天遥感和医学图像的处理方面。在航天领域，为太空探测成功处理了数万张照片在生物医学领域，为开辟了无损诊断的先河，体现出其远大的发展前景。数字图像处理是模式识别、计算机视觉、图像通信、多媒体技术等学科的基础，已经成为高等院校电子信息工程、通信工程、信号与信息处理、计算机应用与软件等学科的一门重要专业课程。

对于工科类应用型高校，主要是培养具有创新意识和竞争力、符合市场需求的实用型人才，强调学生的应用动手能力。在《数字图像处理》课程的教学过程中，我们主要从授课内容、授课方式、试验课设计以及考核方式进行了改革，培养学生学习兴趣，掌握图像处理最基本的流程和基础知识，通过主动查阅文献资料与团队协作培养学生分析問题与解决問题的能力。近几年，我们对课程教学内容体系、教学方法与手段以及教师队伍等方面的进一步建设，不断进行科技创新，将工程与项目的开发与设计理念引入课堂与试验，取得了较明显的效果，最为显著的是学生在大四毕业设计中，具备扎实的图像处理相关基础知识，能很好地完成与图像处理相关的毕业设计课题。

1 授课内容改革

随着科学技术的发展以及信息时代的到来，图像处理的新理论和新方法层出不穷，并逐步应用于实践。《数字图像处理》课程教学的侧重点和教学内容也必须发生相应变化以适应时代对应用型人才培养的需求。

1.1优化整合教学内容

在众多的《数字图像处理》类教材中，选择了西安电子科技大学许录平编写的《数字图像处理》教材为主。主要考虑到该教材内容全面、知识新颖，在内容阐述上重点突出，实践性强，有较多的实例来帮助学生理解图像处理的理论和算法。同时以清华大学章毓晋编写的《图像工程（上册）图像处理和分析》与冈萨雷斯的《数字图像处理》作为我们的辅助教材。

该教材共分八章三大部分，第一部分是数字图像处理基础，包括绪论、图像处理基础和图象变换共三章。第二部分介绍图像处理基本方法和技术，包括图象增强、图像恢复和重建、图像压缩编码共三章。第三部分讲述数字图像分析的基本原理和技术，包括图象分割和图像描述共二章。对于应用型本科教学，我们对教材内容进行适当增删、重组。并划分成如下内容模块：图像基础知识（图像采集、量化与人眼视觉系统）、图像变换、图像增强、图像恢复、压缩编码、图像分割、图像描述与图像分类识别。课程教学的主要任务是系统地讲授各个模块的基本概念、基本原理与典型方法。目的是让学生掌握图像处理的基本理论和技术，建立一个比较完整的图像处理和分析的理论体系，并了解和掌握常用的图像处理和分析技术。

根据几年的教学实践经验，图像描述与图像分类识别应该属于图像理解的范畴，作为图像工程的高一级别的内容，可以在本科阶段略讲：而图像基本概念、各种图像变换、灰度图像增强、图像平滑、图像锐化和彩色图像处理的应用性比较强，且在生活中经常会遇到此类的应用需求，应尽量详讲；频域增强、图像复原、图像编码和图像分割的地位比较特殊，这些部分的数学知识比较多，现实中具有很大应用价值，应该予以讲授。

1.2补充学课前沿知识

在每个模块的内容讲授安排上，在注重基础知识与经典算法讲授的前提下，按照由浅入深、由易到难的顺序逐渐展开，并适当补充本领域中的一些新技术、新方法、新成果。例如：在讲授图像变换模块时，其中的Fourier变换与离散余弦变换（DCT），学生在其他前期课程中有所接触，相对来说学生容易接受与理解。在这个模块我们要补充的前沿知识就是“小波变换”。小波分析是当前应用数学与工程学科中一个迅速发展的新领域，经过近十年的探索研究，重要的数学形式化体系已经建立。理论基础更加扎实。与Fourier变换、DCT变换相比，小波变换是时间（空间）频率的局部细化分析，它通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细化，低频处频率细化，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变通的困难問题，成为继Fouri-er变换以来在科学方法上的重大突破，有人把小波变换称为“数学显微镜”。小波变换联系了应用数学、物理学、计算机科学、信号与信息处理、图像处理、地震勘探等多个学科。它在信号分析、语音合成、图像识别、计算机视觉、数据压缩等方面的研究都取得了许多具有重大科学意义和应用价值的成果。再例如：在讲授图像平滑去噪模块时，除了讲解教材的均值滤波、中值滤波算法之外，还补充基于偏微分方程（PDE）的图像去噪方法。在图像处理与计算机视觉中采用PDE方法，是近些年以来图像处理领域中的一个重要分支，因为它在图像处理中具有更强的局部适应性（Local Adaptability）与高度的灵活性（Flexibility），并且日益成为相关领域研究者关注的一个热点，在图像去噪、边缘检测与图像分割方面积累了丰富成果。

通过在课堂上适当地补充学科前沿知识，不但可以开阔学生的视野，丰富学生的知识面，让学生明白更多、更新的方法在教材之外，要学会查阅相关文献，而不要局限于书本，从而激发学生的创新意识。同时，在各个模块内容的设计中要注重知识点之间、模块之间以及本课程与其他课程之间的内在联系，既体现知识的内涵，又关注知识产生的过程。既引导学生对当前所学内容举一反三，又能将新旧知识融会贯通。

2 教学过程的改革

2.1教学方式的选择

《数字图像处理》课程是一门既具有较强理论性又具有较强实践性的学科，其中不但有基本概念与理论。还有许多具体的算法与应用举例。所以，在教学过程中采用以“多媒体”为主，“粉笔+黑板”为辅的教学方式。多媒体教学手段的采用能使教学内容由平面到立体，由抽象到具体，由文字到声音图像，这一教学手段的运用极大地增强了课堂教学的直观性、互动性，调动了学生学习的主动性。而“粉笔+黑板”的板书可以用来进行公式的推导与演算，加强学生对公式的理解与记忆。

2.2项目式教学

为了有效地培养学生的应用能力，把基于项目式的教学策略引人课堂之中，以促进学生高级认知技能和問题解决策略的形成，将理论联系实际，培养学生分析問题与解决問题的能力。这一策略的主要方法就是：在讲授教材的知识点或具体算法时，先引入一个具体工程项目，通过对此项目的需求进行分析，让学生知道我们将要学习的知识在项目的哪个环节可以得到应用。这样既可以激发学生的求知欲，又能增强学生的学习兴趣，调动学习的主动性。例如：在讲授“图像增强”这个模块时，我们就以“视频监控”项目为背景，因为受光照条件、天气变化（雨雪、大雾）等因素影响，采集的视频图像往往不清晰，视觉效果很差，但是，通过我们将要学习的图像增强方法，可以大幅度地改善图像的视觉效果，提高图像的质量，如图1所示。

由于这一真实项目引领整个“图像增强”模块的学习过程，能够有效提高学生的学习积极性，也有利于学生掌握该知识点的具体应用价值，提高学生对理论知识的综合运用能力，从而提高学生分析与解决实际問题的能力。

3 试验教学的改革

在以住《数字图像处理》的试验课中，通常都是在MatLab环境中，对课本中的一些算法进行重复性验证，试验内容简单枯燥，无法引起学生学习的兴趣，更加不能使学生将所学的知识与实际生活中的应用需求相联系。

针对上述問题，我们进行了如下改革：

（1）设置具有应用性的“学期项目”让学生开发，激发他们的学习兴趣。俗话说“兴趣是最好的老师”，只要能够激发学生的学习兴趣，就能调动学生学习的主动性与积极性。为了调动学生的学习兴趣，我们选择兼具应用性与兴趣性的试验题目——例如“基于肤色特征的人脸分割”、“基于视觉相似性的图像快速检索”、“监控图像的增强与锐化”与“运动模糊图像的恢复”等，学生根据这些“学期项目”，分成多个小组，每个成员在组内具有明确的分工与任务，各负其责，共同完成“学期项目”软件开发。

（2）在“学期项目”软件开发时，鼓励学生多采用教材之外的新理论与新方法，培养开拓创新能力。要求学生在了解试验目的前提下，自己进行方案设计，选择适当的算法。近些年以来，各种类型的图像处理新理论与新方法层出不穷，在不同的应用场合，各自的优点与缺点互不相同。鼓励学生通过互联网与学校的图书馆，查阅最新文献，形成自己的特点，培养学生的科技创新能力。在试验成功后，不但要进行试验结果与算法性能分析，还要书写软件设计方案等文档。

（3）组建图像处理兴趣小组。因为受课程学时限制，仅仅只利用课内时间，则非常有限。我们就组建了图像处理兴趣小组，让他们参加到教师的科研与项目中来，使学生在真实的项目研发中锻炼自己的综合能力。

最后，在期末之前安排两周的时间对学生的“学期项目”进行集中检查，检查的内容主要包括：①系统演示；②功能方面是否正确完整；③算法的适应能力是否鲁棒；④算法的效率是否高效；⑤程序代码是否规范；⑥试验分析报告与PPT汇报。然后，根据这些方面的检查情况，对学生的学习情况与动手能力进行评分。这是基于项目试验教学改革的重要环节，不但可以督促“学期项目”完成的质量，还能提高学生分析問题与解决問题的能力。

4 评价机制的改革

对于公选课的《数字图像处理》课程，我们采用了“笔试+课堂表现+试验考核”的一种综合考核方式。其中笔试环节重点考察学生教材上的基本概念、基本算法等知识点记忆与掌握程度：课堂表现主要考察学生的学习态度，主要包括出勤率与读书心得等内容：试验考核主要是考察学生综合应用能力，其中包括所选“学期项目”的完成质量与试验分析报告与软件设计文档。

《数字图像处理》作为一门实践性、应用性都很强的课程，在考核时，要加大平时考查在最终成绩认定中的比重，要重点突出“学期项目”完成质量在学习中的重要性，从而激发学生实践学习的主动性，提高学生的实践能力、创新能力，最终达不到理想的教学效果。

此外，由于选修本门课程学生基础各异，专业背景相差较大，采取“分层评价”也是一种应该提倡的方法。“分层评价”也是教学过程中的一个重要环节，它是根据学生的知识水平和学习能力的差异，对不同专业的学生采取不同的评价标准以及对他们的期望值。

5 结语

紧跟科技前沿，以培养出具有实践动手能力的应用型人才为工科教学的目标。通过对《数字图像处理》课程上述环节教学改革，取得了良好的教学效果，此改革措施转变了以经典理论知识传授为主的传统教学观念，代之以强化实践应用能力和综合素质的培养。

每个学期在课程结束之后，我们随机抽取学生进行访谈，学生普遍反映通过这样的教学方式，不但能很好地掌握课程中的基本算法，还能够灵活地把它们运用到实际問题之中。通过“学期项目”的开发，不但在程序编写、代码规范、算法优化和程序调试等方面的能力得到显著提高，且而还培养了他们团队意识与合作精神，为学生毕业后走上工作岗位打下了坚实的基础。