“数字图像处理”理论与实践相结合的教材建设

摘要：针对“数字图像处理”技术课程理论与实践密切相关的要求，“数字图像处理”课程需要加强实践的教学环节。在课堂教学上，教师应提供实践模仿环节，因此这对教材提出了新的要求。本文探讨了“数字图像处理”课程理论与实践相结合的教材建设思路，为进一步改善课程效果，提高学生的实践能力奠定坚实的基础。

关键词：图像处理；教学方法；网络教学

中图分类号：G642

文献标识码：B

1 “数字图像处理”课程教材改革的分析

“数字图像处理”是一门讲授如何用计算机对图像进行处理的学科，本课程主要讲解数字图像处理和分析的基本原理和方法，并且强调编程实践和建立图像处理应用系统的方法。教学的基本要求是：了解数字图像处理的基本概念；了解图像处理技术相关科学和领域的情况及图像处理和分析的组成系统和模块；掌握利用计算机语言进行图像处理的基本编程方法。

“数字图像处理”课程起点高、难度大，理论性很强。学生在学习时，普遍感到概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。为了让学生既能够掌握基本理论，又能锻炼其动手能力，我们亟需拥有理论与实践紧密结合的“数字图像处理”教材。20世纪90年代，“数字图像处理”应用教材以理论介绍为主，高校大多采用翻译的国外教材进行纯理论教学。随着计算机技术和图像处理技术的发展，翻译教材内容苦涩难懂，理论与实际相脱节，与图像处理技术快速发展的矛盾更加突出，因而“数字图像处理技术”课程的教材处于不断完善与发展的阶段，虽然该课程内容的教学用书已越来越多，但总体形式上还存在以下二个缺点：

一是大部分教材偏于理论，少于实践方法的介绍。能做到理论与实践相结合的图书很少，学习者往往会被苦涩难懂的理论迷惑，不利于建立对图像处理整个概念的认识。

二是适合课堂系统教学的教材少，能贴近课堂教学，结合学生专业特色及图像处理技巧的图书偏少。一些比较好的教学用书价格偏贵，限制了教师的选择。

从目前来看，国内出版业已经认识到此类课程的课堂教学和实践的联系与区别，例如2006年初提出的国家“十一五”高等院校应用型规划教材的建设，即是针对一些理论与实践相结合的专业课程进行的专项教材改革。而对教师来讲，应该把握课程教学的实际需要，发挥熟悉实际教学过程的优势，成为课程优质教材建设的主导者和推动者。

2 “数字图像处理”课程教材建设的思路

“数字图像处理”理论性和实践性都很强，学生要通过理论学习，掌握图像处理必要的方法，再进一步通过实践编程操作，通过眼、手、脑、心并用发现问题、解决问题，从而培养出自身的实践动手能力。这就要求我们应加强实践的教学环节。实践环节可以分为：课堂模仿、综合实验、设计实验三个层次。课堂模仿是对基本编程方法的掌握，它是实践环节的基础，模仿阶段需要教师提供编程框架，编程思路，基本的处理方法，提供样例；综合实验是对一个教学环节的小结性练习；设计实验是整个学期结束前进行的内容，它是包含整门课程的基础知识和编程技巧的一个大作业，其中有很大一部分空间是让学生自我发挥的，这是对学生综合运用所学知识解决问题能力的一个考查。教师将根据学生完成作业的复杂程度来评定成绩。

“数字图像处理”课程教学不能脱离计算机，仅仅纸上谈兵是不够的。课堂上不能只介绍理论，使学生理论与实际相脱离，课下或在实践中无从下手。同时，课堂上也不能花大量的时间讲解复杂程序框架下的实现代码。这就要求教师在课堂上既要阐述理论的来由和作用，又要提供基于理论的处理方法，即提供模仿案例，熏陶学生处理的思路和编程的技巧。

2.1注重理论与实践相结合

在“数学图像处理”课程的教学过程中，需要将图像处理算法产生的作用、过程进行阐述，更需要对算法的作用进行验证，加强学生对理论的认识和科学思维能力。从而将理论与实践紧密结合起来，使学生认识更加具体、生动，印象深刻，牢固掌握所学知识。

为力戒“教师满堂灌，学生记笔记”的教学模式，使学生抛弃“上课记笔记，考试考笔记，考完扔笔记”的学习习惯，遵循有利于发挥“学生是教育主体”、有利于学生“学会学习”、有利于学生创新能力和素质的培养、有利于实现教学目标和促进学生个性的发展、有利于师生彼此促进共同进步的原则，针对数字图像处理学科的特点，我们在教材编写上采取了以下改革措施：

第一，加强基础理论教学，贯彻“少而精”原则。数字图像处理内容丰富，应用广，我们一方面注重基础理论教学，另一方面注意精选讲授内容，贯彻“少而精”原则，突出重点，使学生在有限的学时内有最大的收获。我们将各章由浅入深，由表及里，逐渐加深教学内容。

第二，在教材编写上突出理论与实践相结合的特点，对于每一个理论介绍，力求先讲授内容，再介绍理论实现的方法和步骤，进一步介绍理论实现的代码，精心选取具有说服力的图像，或自己动手制作图品。通过运行代码，立即可见讲授内容的效果，使学生既学习了基本理论，又见到理论的实现方法和实现效果，加深学生对理论的理解，激发学生的兴趣，而且在理论素养和方法应用方面都有收获和体会。

如图像的边缘检测讲述中，需要先介绍一阶微分，二阶微分，双向微分理论分析及其作用，同时采用可以说明的实例进行验证，如图1所示。图(a)代表原图，图(b)、(c)、(d)分别显示纵向一次微分、横向一次微分和双向微分的效果，从这四幅图非常容易理解算法的作用和效果。

第三，围绕图像处理课程学时少，理论难度大，综合性强，实现复杂等特点，笔者精心开发了一套有利于教学的图像处理理论与实践软件，配合教材讲解。在实现代码上先介绍理论的实现步骤，如图2所示；再介绍核心代码，如图3所示，代码按照理论的步骤编写，力求短小精悍，全书变量统一。

第四，注重实践教学效果的检验。为了看到理论实践的效果，开发软件时，在程序框架上开发左右两个视窗，左视窗显示原图，右视窗显示处理后的效果图，通过左右对比，学生会立刻看到处理的效果，加强对理论的理解，如图4所示。

2.2注重学生实践能力的培养

在教学过程中，注重学生实践能力的培养是十分重要的。图像处理在实践中最常用的开发工具是Visual C++6.0，通过该工具开发图像处理程序，必须掌握图像数据的文件存储格式，图像数据的一般处理方法，内存的开辟和释放，指针的操作，图像的显示等编程技巧。因此，课堂上教师有必要阐述基本理论、基本概念，还需要十分注重理论的实现方法，通过实践反过来验证理论的可行性和效果。

在教材上Visual C++6.0，给出每一个理论的实现步骤和源代码，学生在学习了C++语言或Visual C++6.0基础之上，进一步学习图像处理的编程实现方法，能够进一步提高学生的编程能力、实践能力、综合应用能力。本书的程序都是由VC++编程实现，基本上采用了每章或一个相关内容一个编程实例，使读者能够快速地查到相应图像处理技术的编程代码，很快掌握图像处理编程的方法，为本领域的研究打下坚实的基础，提高独立承担科研项目开发的能力。

2.3重视教学的可扩充性

在新的教材建设中，通过笔者开发的VC++图像处理程序这一软件来进行图像处理的具体表现，因此教材以VC++图像处理程序软件为主要介绍对象，以图像处理的背景知识为基础，以软件的功能应用为索引，使整个图像处理的学习内容，尽量融入到具体实践中去。针对各章开发一个项目，将不同的内容软件分别开发，不会造成变量过多，代码庞大，学生学习起来目标明确，减少干扰。在此基础上，教师可以启发学生进一步开发新的处理算法，或指导学生综合应用开发。

3合理利用教材的有效空间

教材中的内容一般都是比较成熟的、学科中公认的知识，因此，编写好的教材关键是作者的用心。教材是教师教学活动的沉淀与积累，教材建设的重点是要在学科知识的基础上，以学生的实际情况和需要为根本。在这个基础上，教材的创新更体现在教师对教学内容的编排与形式的创新上。

教材建设必须要体现一定的社会效益和经济效益，一本好的教材要考虑到出版社和读者双方面的感受。作为计算机类的教材，一般来说专业软件课程，目前的价格主要保持在40元以下，400页以内。这对教材作者是一个潜在的篇幅限制，在教材的规划中要加以衡量，否则是不便于推广的。在我们的教材规划中，同样受到这样一个限制，如果只是理想地追求理论与实践相结合，那么教材的厚度将大大增加，从而带来下一个计算机图书的普遍毛病，就是理论与实践相结合的书有的是，但价格偏贵，只适合于作为课后参考或工具书，而不便于教学使用，不能担任教材的角色。

在图像处理的软件开发上支持两种常用的文件格式，它们分别是8位位图和24位真彩色位图，学生可以同时看到两种位图的不同处理方法，为了节省篇幅，教材上只介绍短小的8位位图的处理程序代码。这大大提高了书本空间的实际利用率，从而解决了教材建设中成本与效益的矛盾，也能很快为出版社所接受。

4运用网络平台提供教学资源

随着网络普及的日益广泛，在教学手段上，建议使用网络进行“数字图像处理”辅助教学，这样可以极大提高教学效率。主要优势有：

(1) 资源共享，省时省力。网络最大的优势在于资源共享，管理方便。当前，随着教学改革的深化和现代信息技术在教学中的应用，越来越多的高等院校已把电子课件引人到教学中。目前，出版社为教师提供的免费电子课件受到教师的普遍欢迎，教师们已把提供配套电子课件作为教材选购的一项要求。在教材建设中应该对多媒体和电子教案的运用给予很大的重视，它们既能帮助学生直观地理解教学内容，也能节约教师大量的文稿组织时间，从而把更多精力投人到课程内涵中去。因此，在教材中配合书本知识课堂教学制作了详细的电子教案，这在方便教学过程、提高学生自学和巩固学习效果方面，起到了很好的促进作用。

(2) 共享教学课件，利于学生掌握操作知识。直观的教学课件能帮助学生理解复杂的操作步骤和抽象的概念。如果学生希望复习，在网络中能找到课件，那将对他的复习非常有益。

(3) 利于教学互动。学生可以将练习的图像作业放在网络一个固定的地方，这样就不但便于教师批改，而且便于与同学之间的交流。

网络是当前知识传播的重要途径，在新教材的建设中，引入并建设网络互动平台是当前立体化教材的重要特征。在对课程教材的改革中，也引入了网络平台的信息互动优点，与教材同步配套建设了学习的交流平台。现在，只要使用我们教材的学习者，都可以登陆天津理工大学计算机学院《数字图像处理》精品课网站和教材作者一同学习与交流。教师在以后的授课过程中，也可以充分运用网络手段，指导本校乃至外地的学习者一同学习和交流。有了网络平台的跨地域优势，教师还可以进一步组建专业学习的社区，整合本地和远程的教学资源，达到良好的课后交流与共同学习的目的。

5课程教材建设的实践效果

2000年天津理工大学计算机科学与技术学院开始针对“数字图像处理技术”课程进行教学改革的实践，力求对该课程的教学方法和教学形式进一步的尝试与创新。我们采取不断编写补充教材的措施配合这一发展与创新。在这一改革的过程中，教材作为教学的重要资源，成为课程建设的重点之一。笔者结合实际教学的情况，对该课程的教材进行了配套的编写，但由于补充教材油印质量差、出版难，给学生学习造成了不便。因此，我们结合专业特点自编了“数字图像处理”教材，自编教材经过多年试用和更新，能满足计算机专业教学的要求。在此基础上，2003年10月，我们公开出版了数字图像处理教材《VC++图像处理程序设计》。该教材一出版，就被多所大学选作本科生教材。通过近两年的教学实践，2005年又对该书进行了再版修订。

经过近五年来的教学尝试和积累，教材《VC++图像处理程序设计》的编写建设思路得到了市场的认可，目前我们编著的教材，已经在学生中使用了五届，从教学效果来看，教材对教学的促进效果相当明显，对学生而言，以

往学生对教材中或是偏实例或是偏理论的看法，已经完全消除。由于配备了全程配套的软件开发程序VC++源代码，学生可以进一步拓宽算法，又可以综合应用用。2008年1月本书被选为国家级十一五规划教材。

6总结

针对“数字图像处理技术”课程理论与实践密切相关的要求，我们需要加强实践的教学环节。在课堂教学上教师应提供实践模仿环节，因此相应教材应该提供三部分功能：每一种图像处理技术的理论基础，理论实现步骤和编程代码。在掌握了某种图像处理技术的基本理论之后，按照实现步骤的指导可以了解算法的实现思路和方法，再进一步让学生体会短小精悍的核心代码C语言编程语句，然后按照程序框架介绍的方法，添加相应的代码，很快就能产生出一幅经过处理的图像。只有这样，学生可以从理论和实用的编程技巧两方面掌握图像处理的技术，提高动手实践能力，达到理论与实践相结合的教学目标，为进一步改善课程效果，奠定坚实基础。

参考文献：

[1] 杨淑莹. VC++图像处理程序设计[M]. 清华大学出版社,2003.

[2] 胡孝忠. 应用教育技术优化课堂教学[J]. 兵工自动化,2004(4).

[3] 张大良,吕浩雪. 打造精品课程，提升教学质量[J]. 中国高等教育,2003(9):6-7.