数字图像处理课程教学方法探讨

秦华锋　王兴琼　康秋红

摘要：针对《数字图像处理》这门课程具有学科跨度大、理论性强、实用性广的特点，并结合学生的实际情况，对课程的教学模式进行了探讨。首先，根据选用教材内章节之间的联系，把各章的知识点结合在一起，实现对教学内容的有效整合。其次，针对教材理论性强的特点，在讲授时通过与实际的案例进行结合，激发学生的学习兴趣。最后，通过实践加深对理论知识的理解， 同时也培养了学生的独立思考能力和创新能力。

关键词：数字图像处理；教学内容；教学模式；教学效果

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）13-3060-04

Discussion on Teaching Method for Digital Image Processing

QIN Hua-feng1， WANG Xing-qiong2， KANG Qiu-hong1

（1.School of Computer Science and Information Engineering， Chongqing Technology and Business University， Chongqing 400067， China； 2.Chongqing Banan Middle School， Chongqing 400054， China）

Abstract： As the digital image processing has the large discipline span， strong theory， wide application， this paper discusses the teaching method based on the actual situation of students. Firstly， the knowledge is combining based on the relation among different chapters， which can integrate the teaching contents effectively. Then the students interest is aroused in the teaching process using actual case. Finally， the student can understand the theory clearly. At the same time， theirs independent thinking and innovation ability can be improved.

Key words： Digital image processing； Teaching content； Teaching mode； Teaching effect

1 概述

数字图像处理诞生于20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。直到20世纪60年代初期数字图像处理才发展成为一门学科。美国喷气推进实验室首次将数字图像处理实际成功应用到对几千张月球照片的处理，并利用计算机对处理后的图像进行分析，成功地绘制出月球表面地图。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。当前图像处理技术在工业自动化、工业检测、医学、遥感探测等各个方面都发挥着十分重要的作用[1]。

《数字图像处理》[2，3]是集成计算机科学、电子学、信息论、光学、数学等学科的一门综合性学科。本课程是空间信息工程系、摄影测量与遥感系开设的必修的专业基础课之一。它的起点高、难度大， 理论性很强。学生在学习时， 普遍感到数字图像处理的概念抽象， 对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。如何提高学生对数字图像处理技术的学习兴趣， 以及学生的图像处理技术的应用能力， 是数字图像处理课程建设、课程改革的重要内容。现就接合自身在数字图像处理领域多年的研究经历以及教学经验， 并根据学生的反馈信息， 对该课程的教学模式进行了探索， 希望有助于提高教学效果和教学水平；

2 知识点的整合

数字图像处理涉及到的知识点繁琐，但是通过有效的整合可以使得教学体系前后连贯，教学内容较为紧凑，同时使得学生理解起来更为容易，思路更加清晰。如以清华大学出版社的出版的《数值图像处理和分析》为例，全书一共11章。根据教材内容的前后联系和学生的知识背景，对教学内容进行了整合，如表1所示。前面的第一、二章是介绍数值图像处理的概念，这部分可以引导学生自学。原书第三、五、六章主要利用各种变换来图像质量的改善。第四章是图像的编码与压缩，主要是实现对图像的存储和传输。七、八、九章的内容主要是图像的特征的提取和分类。最后两章是数值图像处理在数字水印和车牌识别方面的应用，可以利用两个专题讲座的形式来进行授课。经过整合，把所有的内容分成了三个教学模块，使得教学更加紧凑，条理清晰，学生理解起来也更容易。

表1 教学内容的整合

[整合前内容＼&整合后内容

章节的调整 整合＼&绪论＼&绪论＼&引导学生自学＼&数字图像的表述与处理＼&数字图像的表述与处理＼&图像增强＼&图像增强＼&图像质量的改善

＼&

数字图像处理的方法＼&图像的编码与压缩＼&图像复原＼&图像复原＼&图像重建＼&图像重建＼&图像的编码与压缩＼&图像的存储和传输。＼&图像分割技术＼&图像分割技术＼&图像特征的提取与分类＼&图像的特征提取与分析＼&图像的特征提取与分析＼&图像的匹配与识别＼&图像的匹配与识别＼&基于MATLAB数字水印系统设计＼&基于MATLAB数字水印系统设计＼&专题讲座＼&车辆牌照识别系统设计＼&车辆牌照识别系统设计＼&]endprint

3 基础理论知识

3.1 案例教学

案例教学是通过一个具体教育方式来实现场景的重现，引导学生对这些特殊情景进行讨论和分析，加深学生对知识点的理解，培养学生积极学习兴趣和创新力的一种教学方法[3]。数值图像处理涉及到微积分、偏微分、小波分析、矩阵论、信息论预编码等数学知识。因此，需要学生有一定的数学基础，然而工科的学生的数学基础普遍较差，单从理论方面来进行讲解学生很难理解和掌握。幸运的是，虽然这门课程设计的数学知识面广，但是这些知识都具有较强的应用背景，如果在授课的过程中能够结合实际的例子来进行分析能，就可以使得复杂的数学知识变得简单易懂，学生掌握起来也更加轻松。例如，信号可以按它的频率分为高频信号和低频信号。那么什么是信号的频率以及怎么判断高频信号和低频信号，在授课过程中应给以详细的解释，最后举一个例子如给出如下一幅雷娜图像。图中的帽子上纹理灰度值变化较快，所以就是高频部分[4]。而脸部灰度值比较平滑（变化较慢），所以是低频部分。

图1 雷娜图像

3.2 内容的适度延伸

在当今的世界，知识的更新是很快的。目前大部分知识的载体是书籍、报刊、杂志。在这几种重要载体中书籍的知识更新度是最慢的，然而现在上课用的课本基本上都是以书籍的呈现形式。因此如何把书本上经典而滞后的知识和该领域最新的研究成果联系起来是非常关键的。一方面，可以使得知识具有连贯性，使得学生更容易系统的掌握；另一方面，以拓宽知识面和提高学习的积极性。所以尝试性的要求学生查阅相关资料，了解本领域的研究进展是有必要的。

在教学过程中，除了常规的讲解书本上的理论知识外，将其中部分内容适当整理后，以课堂讲座形式开展，并对相关知识作适当的补充和延伸[5]，使知识更系统化，立体化。例如，在讲授图像质量的改善方法的内容时，会经常用到各种图像变换的方法，如傅立叶变换[6]、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理[7]。其优点在于不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。当学生掌握了各种基本变换方法后，可以引入小波变换方法，并介绍小波变换原理以及与经典变换方法的相似性。然后，给出小波变换的优势即在时域和频域中都具有良好的局部化特性。如果学生有兴趣的话，可以介绍在小波变换的基础上进一步发展得到的脊波变换，并通过一些图像例子来加深理解，如图2、图3和图4所示。这样的讲授不仅可以让学生更系统的理解各种变换理论而且通过研究整个理论体系的发展可以激发学生的兴趣和创造性。

4 实践教学

实践教学是教学课程的重要组成部分，它是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、培养学生的独立思考和创新能力的重要平台[8]。相对于理论教学而言，实践教学是教学过程中最薄弱的环节。为了有效提高实践教学，根据学生的实际情况对相关的实验内容的选取进行了相应的改革。

4.1实验准备

考虑到电子信息专业的同学不同于计算机专业，没有开设VC 课程，但开设了MATLAB 课程，已经掌握了MATLAB 的一些基本编程能力，另外，MATLAB 软件为数字图像处理提供了功能丰富的图像处理工具箱。它集成了一系列支持图像处理操作的函数。涵盖了图像处理的几乎所有的技术方法，是学习和研究图像处理的人员的宝贵资料和加工工具。因此，选取计算能力强的MATLAB软件作为教学软件是必要的。此外，还需要准备实验所需的图像。

4.2 实验内容

实验内容的选取也是相当关键的。根据学生掌握知识的能力以及知识的前后衔接关系，选择图像变换、增强、分割、特征提取和识别等作为实验内容。然后根据知识点的难易程度分为基本实验、开放型实验和演示实验。 这样具有一定的层次感，使得学生接受起来较为容易。例如，对于傅里叶变换的实验，首先要求学生能够对图像进行傅里叶变换，并分析变换后的图像以及其逆变换后重构图像；当在这个试验中掌握了傅里叶变换后，再安排图像频域增强等实验。

4.3 实验内容拓展

通过理论知识的讲解以及基本实验的实施，学生能够较好的理解所学的知识，且能够将所学的知识应用于处理一幅具体图像。为了进一步培养学生独立思考和创新的能力，需要为一些有兴趣的学生提供一些参与教师科研项目的机会。例如通过课程设计的形式来为他们积累一些实践经验以及培养他们的创新能力。通过学生的积极参与，一方面， 加深了对所学专业知识的理解，另一方面培养学生的学习兴趣和创新能力。

5 结论

本文针对计算机、影像各专业对图像处理的要求和数字图像处理本身的特点， 充分结合我校学生的实际情况，对《数字图像处理》课程的教学进行的尝试性的改革和探索。通过对教学内容的整合，使得教学内容更紧凑和调理更清楚。在理论知识的传授方面，结合了案例教学法和教学内容延伸法来进一步提高学生的学习兴趣和能力。最后，利用教学实践来巩固所学知识，增强学生的创造力。随着时代的发展以及知识的快速更新，对教学提出了新的要求。作为教学主体的教师，需要不断的地学习新的知识，总结教学经验，不断地探索和尝试新的教学方法才能与时俱进。

参考文献：

[1] 冈萨雷斯.（阮秋琦，阮宇智等）数字图像处理（第二版）[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

[2] 章毓章.图象处理和分析[M].清华大学出版社，2002.

[3] 黄果，秦红英，许黎，等. 浅谈数字图像处理课程教学改革[J]. 计算机光盘软件与应用，2013，3（7）：280-281.

[4] 王旭初， 潘银松.《数字图像处理》实验的课题驱动式教学探索[J].电脑知识与技术，2010，34（6）：9810-9811，9818.

[5] 王雪.图像处理教学中如何培养学生的行业素质[J].长春教育学院学报，2013，29（1）：145，157

[6] 朱明轩.数字图像压缩中的域变换技术[J].电脑知识与技术，2008，4（7）：1745-1746.

[7] 潘振赣，龚声蓉. 浅谈数字图像处理技术的基本原理[J].电脑知识与技术，2010，6（6）：1452-1453，1460.

[8] 刘二林. 医学图像处理课程教学模式探索[J].计算机光盘软件与应用， 2012，21（2）：19-21.

3 基础理论知识

3.1 案例教学

案例教学是通过一个具体教育方式来实现场景的重现，引导学生对这些特殊情景进行讨论和分析，加深学生对知识点的理解，培养学生积极学习兴趣和创新力的一种教学方法[3]。数值图像处理涉及到微积分、偏微分、小波分析、矩阵论、信息论预编码等数学知识。因此，需要学生有一定的数学基础，然而工科的学生的数学基础普遍较差，单从理论方面来进行讲解学生很难理解和掌握。幸运的是，虽然这门课程设计的数学知识面广，但是这些知识都具有较强的应用背景，如果在授课的过程中能够结合实际的例子来进行分析能，就可以使得复杂的数学知识变得简单易懂，学生掌握起来也更加轻松。例如，信号可以按它的频率分为高频信号和低频信号。那么什么是信号的频率以及怎么判断高频信号和低频信号，在授课过程中应给以详细的解释，最后举一个例子如给出如下一幅雷娜图像。图中的帽子上纹理灰度值变化较快，所以就是高频部分[4]。而脸部灰度值比较平滑（变化较慢），所以是低频部分。

图1 雷娜图像

3.2 内容的适度延伸

在当今的世界，知识的更新是很快的。目前大部分知识的载体是书籍、报刊、杂志。在这几种重要载体中书籍的知识更新度是最慢的，然而现在上课用的课本基本上都是以书籍的呈现形式。因此如何把书本上经典而滞后的知识和该领域最新的研究成果联系起来是非常关键的。一方面，可以使得知识具有连贯性，使得学生更容易系统的掌握；另一方面，以拓宽知识面和提高学习的积极性。所以尝试性的要求学生查阅相关资料，了解本领域的研究进展是有必要的。

在教学过程中，除了常规的讲解书本上的理论知识外，将其中部分内容适当整理后，以课堂讲座形式开展，并对相关知识作适当的补充和延伸[5]，使知识更系统化，立体化。例如，在讲授图像质量的改善方法的内容时，会经常用到各种图像变换的方法，如傅立叶变换[6]、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理[7]。其优点在于不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。当学生掌握了各种基本变换方法后，可以引入小波变换方法，并介绍小波变换原理以及与经典变换方法的相似性。然后，给出小波变换的优势即在时域和频域中都具有良好的局部化特性。如果学生有兴趣的话，可以介绍在小波变换的基础上进一步发展得到的脊波变换，并通过一些图像例子来加深理解，如图2、图3和图4所示。这样的讲授不仅可以让学生更系统的理解各种变换理论而且通过研究整个理论体系的发展可以激发学生的兴趣和创造性。

4 实践教学

实践教学是教学课程的重要组成部分，它是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、培养学生的独立思考和创新能力的重要平台[8]。相对于理论教学而言，实践教学是教学过程中最薄弱的环节。为了有效提高实践教学，根据学生的实际情况对相关的实验内容的选取进行了相应的改革。

4.1实验准备

考虑到电子信息专业的同学不同于计算机专业，没有开设VC 课程，但开设了MATLAB 课程，已经掌握了MATLAB 的一些基本编程能力，另外，MATLAB 软件为数字图像处理提供了功能丰富的图像处理工具箱。它集成了一系列支持图像处理操作的函数。涵盖了图像处理的几乎所有的技术方法，是学习和研究图像处理的人员的宝贵资料和加工工具。因此，选取计算能力强的MATLAB软件作为教学软件是必要的。此外，还需要准备实验所需的图像。

4.2 实验内容

实验内容的选取也是相当关键的。根据学生掌握知识的能力以及知识的前后衔接关系，选择图像变换、增强、分割、特征提取和识别等作为实验内容。然后根据知识点的难易程度分为基本实验、开放型实验和演示实验。 这样具有一定的层次感，使得学生接受起来较为容易。例如，对于傅里叶变换的实验，首先要求学生能够对图像进行傅里叶变换，并分析变换后的图像以及其逆变换后重构图像；当在这个试验中掌握了傅里叶变换后，再安排图像频域增强等实验。

4.3 实验内容拓展

通过理论知识的讲解以及基本实验的实施，学生能够较好的理解所学的知识，且能够将所学的知识应用于处理一幅具体图像。为了进一步培养学生独立思考和创新的能力，需要为一些有兴趣的学生提供一些参与教师科研项目的机会。例如通过课程设计的形式来为他们积累一些实践经验以及培养他们的创新能力。通过学生的积极参与，一方面， 加深了对所学专业知识的理解，另一方面培养学生的学习兴趣和创新能力。

5 结论

本文针对计算机、影像各专业对图像处理的要求和数字图像处理本身的特点， 充分结合我校学生的实际情况，对《数字图像处理》课程的教学进行的尝试性的改革和探索。通过对教学内容的整合，使得教学内容更紧凑和调理更清楚。在理论知识的传授方面，结合了案例教学法和教学内容延伸法来进一步提高学生的学习兴趣和能力。最后，利用教学实践来巩固所学知识，增强学生的创造力。随着时代的发展以及知识的快速更新，对教学提出了新的要求。作为教学主体的教师，需要不断的地学习新的知识，总结教学经验，不断地探索和尝试新的教学方法才能与时俱进。

参考文献：

[1] 冈萨雷斯.（阮秋琦，阮宇智等）数字图像处理（第二版）[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

[2] 章毓章.图象处理和分析[M].清华大学出版社，2002.

[3] 黄果，秦红英，许黎，等. 浅谈数字图像处理课程教学改革[J]. 计算机光盘软件与应用，2013，3（7）：280-281.

[4] 王旭初， 潘银松.《数字图像处理》实验的课题驱动式教学探索[J].电脑知识与技术，2010，34（6）：9810-9811，9818.

[5] 王雪.图像处理教学中如何培养学生的行业素质[J].长春教育学院学报，2013，29（1）：145，157

[6] 朱明轩.数字图像压缩中的域变换技术[J].电脑知识与技术，2008，4（7）：1745-1746.

[7] 潘振赣，龚声蓉. 浅谈数字图像处理技术的基本原理[J].电脑知识与技术，2010，6（6）：1452-1453，1460.

[8] 刘二林. 医学图像处理课程教学模式探索[J].计算机光盘软件与应用， 2012，21（2）：19-21.

3 基础理论知识

3.1 案例教学

案例教学是通过一个具体教育方式来实现场景的重现，引导学生对这些特殊情景进行讨论和分析，加深学生对知识点的理解，培养学生积极学习兴趣和创新力的一种教学方法[3]。数值图像处理涉及到微积分、偏微分、小波分析、矩阵论、信息论预编码等数学知识。因此，需要学生有一定的数学基础，然而工科的学生的数学基础普遍较差，单从理论方面来进行讲解学生很难理解和掌握。幸运的是，虽然这门课程设计的数学知识面广，但是这些知识都具有较强的应用背景，如果在授课的过程中能够结合实际的例子来进行分析能，就可以使得复杂的数学知识变得简单易懂，学生掌握起来也更加轻松。例如，信号可以按它的频率分为高频信号和低频信号。那么什么是信号的频率以及怎么判断高频信号和低频信号，在授课过程中应给以详细的解释，最后举一个例子如给出如下一幅雷娜图像。图中的帽子上纹理灰度值变化较快，所以就是高频部分[4]。而脸部灰度值比较平滑（变化较慢），所以是低频部分。

图1 雷娜图像

3.2 内容的适度延伸

在当今的世界，知识的更新是很快的。目前大部分知识的载体是书籍、报刊、杂志。在这几种重要载体中书籍的知识更新度是最慢的，然而现在上课用的课本基本上都是以书籍的呈现形式。因此如何把书本上经典而滞后的知识和该领域最新的研究成果联系起来是非常关键的。一方面，可以使得知识具有连贯性，使得学生更容易系统的掌握；另一方面，以拓宽知识面和提高学习的积极性。所以尝试性的要求学生查阅相关资料，了解本领域的研究进展是有必要的。

在教学过程中，除了常规的讲解书本上的理论知识外，将其中部分内容适当整理后，以课堂讲座形式开展，并对相关知识作适当的补充和延伸[5]，使知识更系统化，立体化。例如，在讲授图像质量的改善方法的内容时，会经常用到各种图像变换的方法，如傅立叶变换[6]、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理[7]。其优点在于不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。当学生掌握了各种基本变换方法后，可以引入小波变换方法，并介绍小波变换原理以及与经典变换方法的相似性。然后，给出小波变换的优势即在时域和频域中都具有良好的局部化特性。如果学生有兴趣的话，可以介绍在小波变换的基础上进一步发展得到的脊波变换，并通过一些图像例子来加深理解，如图2、图3和图4所示。这样的讲授不仅可以让学生更系统的理解各种变换理论而且通过研究整个理论体系的发展可以激发学生的兴趣和创造性。

4 实践教学

实践教学是教学课程的重要组成部分，它是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、培养学生的独立思考和创新能力的重要平台[8]。相对于理论教学而言，实践教学是教学过程中最薄弱的环节。为了有效提高实践教学，根据学生的实际情况对相关的实验内容的选取进行了相应的改革。

4.1实验准备

考虑到电子信息专业的同学不同于计算机专业，没有开设VC 课程，但开设了MATLAB 课程，已经掌握了MATLAB 的一些基本编程能力，另外，MATLAB 软件为数字图像处理提供了功能丰富的图像处理工具箱。它集成了一系列支持图像处理操作的函数。涵盖了图像处理的几乎所有的技术方法，是学习和研究图像处理的人员的宝贵资料和加工工具。因此，选取计算能力强的MATLAB软件作为教学软件是必要的。此外，还需要准备实验所需的图像。

4.2 实验内容

实验内容的选取也是相当关键的。根据学生掌握知识的能力以及知识的前后衔接关系，选择图像变换、增强、分割、特征提取和识别等作为实验内容。然后根据知识点的难易程度分为基本实验、开放型实验和演示实验。 这样具有一定的层次感，使得学生接受起来较为容易。例如，对于傅里叶变换的实验，首先要求学生能够对图像进行傅里叶变换，并分析变换后的图像以及其逆变换后重构图像；当在这个试验中掌握了傅里叶变换后，再安排图像频域增强等实验。

4.3 实验内容拓展

通过理论知识的讲解以及基本实验的实施，学生能够较好的理解所学的知识，且能够将所学的知识应用于处理一幅具体图像。为了进一步培养学生独立思考和创新的能力，需要为一些有兴趣的学生提供一些参与教师科研项目的机会。例如通过课程设计的形式来为他们积累一些实践经验以及培养他们的创新能力。通过学生的积极参与，一方面， 加深了对所学专业知识的理解，另一方面培养学生的学习兴趣和创新能力。

5 结论

本文针对计算机、影像各专业对图像处理的要求和数字图像处理本身的特点， 充分结合我校学生的实际情况，对《数字图像处理》课程的教学进行的尝试性的改革和探索。通过对教学内容的整合，使得教学内容更紧凑和调理更清楚。在理论知识的传授方面，结合了案例教学法和教学内容延伸法来进一步提高学生的学习兴趣和能力。最后，利用教学实践来巩固所学知识，增强学生的创造力。随着时代的发展以及知识的快速更新，对教学提出了新的要求。作为教学主体的教师，需要不断的地学习新的知识，总结教学经验，不断地探索和尝试新的教学方法才能与时俱进。

参考文献：

[1] 冈萨雷斯.（阮秋琦，阮宇智等）数字图像处理（第二版）[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

[2] 章毓章.图象处理和分析[M].清华大学出版社，2002.

[3] 黄果，秦红英，许黎，等. 浅谈数字图像处理课程教学改革[J]. 计算机光盘软件与应用，2013，3（7）：280-281.

[4] 王旭初， 潘银松.《数字图像处理》实验的课题驱动式教学探索[J].电脑知识与技术，2010，34（6）：9810-9811，9818.

[5] 王雪.图像处理教学中如何培养学生的行业素质[J].长春教育学院学报，2013，29（1）：145，157

[6] 朱明轩.数字图像压缩中的域变换技术[J].电脑知识与技术，2008，4（7）：1745-1746.

[7] 潘振赣，龚声蓉. 浅谈数字图像处理技术的基本原理[J].电脑知识与技术，2010，6（6）：1452-1453，1460.

[8] 刘二林. 医学图像处理课程教学模式探索[J].计算机光盘软件与应用， 2012，21（2）：19-21.