数字图像处理课程的多视图模型

潘翔　赵小敏

摘 要： 工科教学的一个难题是激发学生兴趣，提高其独立学习和设计能力。以数字图像处理这一课程为实施对象，提出了以理论模型为主线、以编程模型和图像处理效果可视化模型为副线的多视图教学模型，以解决该课程原有教学模式方法单一、过程枯燥等问题。采用该模型取得了较好的教学效果，实现数学理论模型和编程技术的一体化建模：学生不仅能够理解如何采用数字图像处理的基本理论进行工程应用，而且能够掌握图像处理基本编程能力。

关键词： 多视图模型； 数字图像处理； 教学模式； 工程应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：B 文章编号：1006-8228（2014）01-72-02

0 引言

当前，教育部正在启动 “卓越工程师”计划，其目标是使大学生具有优秀的工程研发能力[1]。因此，需要在高校教学中进一步深入课程改革，在教学过程中引入工程化培养思想，提高大学生的工程开发能力和分析、解决问题的能力。

随着数字化技术和计算机软硬件的发展，数字图像已经成为一种重要的信息载体。以数字图像为研究对象的数字图像处理课程逐渐成为软件工程、信息、机电、计算机和生物医学等专业一门非常重要的专业课[3]。在实际教学过程中，由于数字图像处理内容的理论性较强，很多学生认为这门课程很难学，而且學了之后又很难应用所学的知识去解决实际问题，因而失去了继续学习的信心。另外一方面，部分学生能够在考试中取得较好的成绩，但是面对实际问题却无从下手，形成典型的“高分低能”。显然，这种教学模式难以培养出适应卓越工程师系列人才。因此本次课程实践改革以“数字图像处理”课程为改革试点，贯彻卓越工程师理念，培养学生分析解决问题能力和工程实施能力[4-5]。

本项目针对当前数字图像处理课程教学中存在的问题，以卓越工程师为培养目标，根据数字图像处理流程具有不同表达方式这一显著特性，提出以数字图像处理理论模型为主线、以编程模型和图像处理效果可视化模型为副线，结合数字图像工程案例，面向数字图像处理课程建立多视图立体教学模型。项目实施解决了数字图像处理已有教学方法存在模式单一、教学过程枯燥等问题。在教学效果上，学生不仅能够理解如何采用数字图像处理的基本理论解决工程实际问题，而且能够掌握图像处理基本编程能力，实现数学理论模型和编程技术的一体化建模，大大提高了学生的工程能力。

1 启发式的多视图教学模型

目前，图像处理教学过程存在的主要问题是数学描述过于抽象，学生不易理解。如果单纯采用这种理论模型，由于理论过程的抽象性，容易导致学生失去学习兴趣。如何把数学模型应用于工程问题也是工科学生的一个薄弱环节。学生虽然知道直线方程、最小二乘、偏导等基础理论，但是普遍缺乏针对工程问题的快速联想，缺少理论联系实际的经验和能力。本项目采用启发式教学，引导学生用数学理论基本知识解决数字图像处理问题，能够有效提高学生数学分析能力。因此，本文在强调数字图像处理理论模型基础上，针对数字图像处理信息表达方式的多样性这一特点，提出结合编程模型、可视化模型形成丰富的多视图立体教学方案，以激发学生学习兴趣，帮助学生提高解决问题的能力。

面向数字图像处理课程的多视图教学模型的整体方案如图1所示。整个模型在传统的数学模型基础上，引入了可视化模型和编程模型。采用可视化模型可以有效地和启发式教学方法相结合，通过图像处理效果可视化模型引导学生进行问题思考，形成图像处理效果的逆向分析模型。采用这种编程模型主要是考虑图像处理课程作为一门学科专业课，大部分学生已经有了较好的编程基础，这种编程模型可以让学生进一步消化前面程序类课程的教学内容，并掌握数字图像处理基本编程技术。通过数字图像处理工程案例，提高学生的图像处理技术综合建模能力。

本文提出的启发式的多视图立体教学模型分为：问题引入、学生分析思考、视觉模型理论化、程序模型重现视觉结果等四个步骤。

⑴ 问题引入。在问题引入上，结合逆向思维方法，通过数字图像处理工程案例的可视化结果，引导学生思考分析，说明课程知识点的目标和工程应用，激发学生兴趣。

⑵ 学生思考与讨论。让学生对视觉效果进行分析讨论，从视觉感知中形成基本思路，形成算法的最终目的。

⑶ 视觉模型理论化。在上述讨论分析后，教师对视觉模型进行启发式引导，肯定学生的思维结果，并逐步给出理论模型，从而把视觉模型上升到理论模型。

⑷ 程序模型重现视觉结果。为了进一步巩固上述教学过程效果，也是让学生学会自我设计和验证的能力。给出程序部分代码，并重现出视觉效果，完成整个教学过程。

2 教学案例设计

为了进一步介绍多视图立体教学模型，本节针对图像处理课程中的“腐蚀”知识点进行案例设计和分析。腐蚀是数学形态学中一个非常重要的概念，而且在工程应用领域也使用较为频繁。在视觉感知上，腐蚀就是把两个具有粘连的区域分开。因此，我们以视觉感知为起点，以编程设计为终点，设计教学过程，从而使学生从不同角度去理解腐蚀的定义，实现课堂教学和工程应用的统一。

⑴ 引导学生分析观察

在教学切入点上，我们首先给出一个细胞计数的图像。采用图像处理方法进行医学分析已经是当前的趋势。通过视觉可吸引学生的注意力。然后给出细胞计数的问题所在：由于存在过多的粘连，导致统计出来的细胞个数不准确，如何消除这些粘连。

⑵ 学生讨论分析

对这个问题，让学生观察、讨论和分析，充分发挥学生的主动性。有学生已经发现这些粘连具有一个非常明显的特征，就是粘连部分都很细。如果能使这些区域一层层的减小，那么这些粘连部分首先被去除，而其他区域只是减少了面积。讨论到这一步，已经基本上了揭示出了腐蚀的基本原理，此时可以考虑进行下一步数学理论分析。

⑶ 给出数学模型，从视觉分析上升到理论模型

在上述讨论、分析的基础上，首先肯定学生的分析成果，说明腐蚀的原理，然后给出腐蚀的数学定义：

通过上述对图像的视觉观察和讨论分析，学生已经把腐蚀的概念和应用原理基本消化，对于腐蚀概念和相应的数学定义，已不会产生抵触情绪，进而接受了原本枯燥的数学公式，实现了从感知到理论的提升，加强了学生的理论分析能力。

为了进一步巩固上课效果，让学生在理论模型和程序中建立关联。最后，给出部分实现代码，让学生明白，只要理解了原理，模型很容易设计与实现。

3 教学效果分析

为了验证启发式的多视图立体教学模型多视图教学效果分析，我们从课程考试和学生校外科技立项等方面进行了跟踪分析。在课程考试方面，进行了考试改革，要求每个学生独立完成一个图像处理相关的工程案例，要求提交算法分析报告、程序结构、源代码。还要求进行现场演示，老师任意抽取其中一段代码，要求学生回答设计思想以及功能。这种考核方法，能够把教学效果实实在在地体现出来。也能够充分发挥学生的主动性。部分学生完成的成果是：覆盖了人脸检测、车牌检测、图像风格化处理等各个领域。部分学生作品如圖3所示。

为了进一步验证教学方式所产生的效益，我们对学生课外竞赛情况进行了跟踪分析。有相当比例的学生在课程教学结束后，以图像处理相关技术设计课外科技作品，参与校运河杯比赛，得到了校二等奖、三等奖的好成绩。

4 结束语

启发式的多视图立体教学模型充分发挥信息表达的多样性和丰富性，并融入讨论式教学方法，激发学生学习和设计的兴趣，提高学生独立设计的能力。这种教学模型，将抽象的理论知识通过可视化模型表达出来，非常适合图像处理等视觉特征非常明显的课程教学。通过该教学方法，启发学生思维，逐步培养学生分析问题和解决问题的能力，取得了好的效果。此外，这种模型从实际工程项目中提取出来，能够使学生掌握项目开发的技能，培养学生的实际项目开发能力。在下一步研究中，我们将考虑进一步深化图像分析工程案例，并结合课外科技竞赛探讨实践教学，进一步提高学生的分析和设计能力。

参考文献：

[1] 李静云.论卓越计划工程应用型人才的培养模式[J].黑龙江高教研

究，2011.204（4）：110-112

[2] 李茂国.中国工程教育全球战略研究[J].高等工程教育研究，2008.6：

l-4

[3] 黄朝兵，杨杰.图像处理课程教学体系的探索与实践[J].电气电子教

学学报，2012.34（2）：17-19

[4] 贾永红.“数字图像处理”课程的建设与教学改革[J].高等理科教育，

2007.71（1）：95-99

[5] 杨青，徐艳，王少华.互动式教学在数字图像处理课程中的应用[J].中

国科教创新导刊，2013.22.