数字图像处理课程实践教学方法探索

宁纪锋胡秋霞杨蜀秦

1.西北农林科技大学信息工程学院 陕西杨凌 712100

2.西北农林科技大学机械与电子工程学院 陕西杨凌 712100

数字图像处理课程实践教学方法探索

宁纪锋1胡秋霞1杨蜀秦2

1.西北农林科技大学信息工程学院 陕西杨凌 712100

2.西北农林科技大学机械与电子工程学院 陕西杨凌 712100

为了提高数字图像处理课程的实践效果，从实验内容、实验教材编写和综合性实验项目设计三方面进行改革探索。实践改革效果表明，学生掌握了数字图像处理的基本内容，学习积极性和主动性明显提高，创新意识和创新能力进一步增强，取得了较好的改革成果。

数字图像处理；实践教学；综合性实验

随着数字成像设备的广泛使用和图像处理编程门槛的降低，面向图像与视频处理的应用越来越广泛，使得数字图像处理成为许多院校工科类专业的一门专业必修课。作为一门涉及多领域的交叉学科，内容与高等数学、概率论、线性代数和模式识别等多门数学类课程相关联，具有较强的理论性。同时，由于数字图像处理在许多行业应用广泛，因此培养学生较强的实践能力，对学好该课程也显得至关重要。为了提高实践教学效果，针对学生专业特点，从实验内容、实验教材编写和综合性实验项目设置三方面进行改革探索，以提高学生编程能力，增强学生创新素养，适应信息技术人才培养的要求。

1 实践教学改革方法

1.1 针对专业特点设置不同实验内容

我院承担了计算机科学与技术、软件工程和信息与计算科学三个专业的数字图像处理教学任务。其中，计算机科学与技术和软件工程专业为工科专业，要求具有较强的编程能力，而信息与计算科学属于理科专业，编程基础相对薄弱。因此，传统实验教学中，对这两类专业提出同样的实践教学期望值是不符合因材施教规律的。难度较浅的内容，工科专业学生会觉得“吃不饱”，而难度较深的内容，理科专业学生则会感觉“没法吃”。

结合每个专业的学科基础，针对不同专业，设置了与其知识结构相吻合的实验内容。例如，对理科专业，第一个实验内容安排为对编程环境和基本操作的练习，其次为图像处理的基本实验内容；而对工科专业，实验内容则直接从具体的图像处理任务开始。除了基本内容之外，还根据专业特点设置不同侧重点的图像理解、图像去雾和视频跟踪等综合程度较高、编程量较大的实验任务。

1.2 针对编程环境编写不同实验教材

数字图像处理课程的课堂上偏重于理解和学习各种图像处理算法的思想，而如何应用编程实现这些算法就成为实验课的重心。在实践环节，选用了数字图像处理领域两种主流的编程环境OpenCV和MATLAB完成图像处理任务，前者运行速度快，常用于工程实践，后者函数指令丰富，容易上手，常用于算法的仿真验证。

为了使学生全面掌握编程环境，分别基于OpenCV和MATLAB编写了两套实践教材。而为了方便学生对比学习，两套教材在实验内容上基本相同，并提供了较为详细的注释，供学生学习。然而课后习题却有所区别，在理解示例程序的基础上，有的需要修改参数或指令，对比观察不同的处理效果；有的需要采用类似的方法实现相同的结果，有的还需要分析程序，提出自己的见解。可以说，它们的目的都是从全方位、多角度提高学生对编程环境、编程思想和课程知识的掌握。

基于MATLAB的实验指导书分为三部分内容，第一部分为MATLAB基本内容，包括MATLAB环境和基本操作、MATLAB矩阵的建立和基本运算与MATLAB图像文件的基本操作；第二部分是数字图像处理实验内容，包括点处理、区处理、图像分割、几何变换、频域处理、数学形态学和特征提取与分析；第三部分是MATLAB的矩阵操作及图像处理的常用函数。基于OpenCV的实验指导书也可分为三部分内容，第一部分为Visual C++ 2008下安装OpenCV2.3，第二部分为数字图像处理的实验内容，包括点处理、图像分割、频域变换、数学形态学和图像处理综合应用项目，第三部分为OpenCV的基本数据结构和常用图像处理函数。

1.3 实践教学反映课程的基础理论和学科发展前沿成果。

图像处理学科发展迅速，已广泛应用于机器视觉、人脸识别、物体识别、运动跟踪、人机互动等领域。为了达到“厚基础、宽口径”的培养目标，利用实验课堂、课程设计、大学生创新多种实践教学环节增强学生对理论知识的理解能力、实践能力和创新能力。在夯实基础理论的同时，引入学科发展的前沿成果激发学生的学习兴趣，为实践教学注入活力。

例如，目标跟踪是在一段视频序列中寻找与被跟踪对象最相似区域的过程，它是视频感兴趣目标分析中目标检测、目标跟踪和行为分析中，一个非常重要的步骤。目前来自各个领域的监控视频数据非常多，基于视频跟踪的应用需求非常多。因此，研究鲁棒的目标跟踪算法非常重要。同时，该算法包含目标表示，目标匹配及Mean Shift迭代公式等多个过程，需综合运用图像处理课程多个章节的知识。因此我们增加了综合性实验内容“基于核的目标跟踪算法”。其应用背景是对一个视频序列中感兴趣的目标进行跟踪。通过完成该项目，学生将真正体会到如何对一个应用问题进行数学建模，并利用所学的数学理论进行推导，求出计算机可以高效执行的算法，编程实现跟踪算法，从而真正地掌握目标跟踪，加深对该门课程的认识和理解。

此外，还增加了综合性实验内容“基于暗通道先验的图像去雾算法”。其应用背景是如果天气有雾，则拍摄的照片不够清晰，需对图像进行去雾，改善图像质量。该项目应用性非常强，如果在智能手机或数码成像设备开发相应功能，将会极大地增加产品的吸引力，有潜在的经济效益。另外，如果电视直播一场重要的露天比赛时，有雾将会影响观赏效果，因此，如果能对视频图像进行去雾，将会极大地增强节目视觉效果，提高收视率。极强的应用背景能够激发学生的学习兴趣，从而推动他们认真地完成实验。该算法涉及图像处理中的多个章节知识，例如，图像的成像原理，自然图像的统计特征，图像插值等内容，加深对图像处理各个章节的综合理解。最后，该项目作为近年来图像去雾研究的一个代表作，具有极强的创新性，但是思想又非常简单。通过完成该项目，使学生切实理解到什么是创新，只要对问题有认真的研究和独特的分析，创新性成果离自己并不遥远。

2 结束语

通过分析数字图像处理课程理论性和实践性强的特点，从三个方面开展实践教学改革。两年的实践教学效果表明，学生对数字图像处理基本内容的理解进一步加深，综合性实践项目全方位培养学生对所学知识的综合理解，并通过多个实际问题的建模和编程实现，增强了学生的创新意识。根据学生专业特点设置不同的实验环境，做到因材施教，提高了教学效果和学生的学习兴趣和主动性。实践教学改革措施为适应新世纪对IT人才的培养起到了较好地促进作用。

[1] 姜珊,双凯.“数字图像处理”课程的实践教学改革[J].实验室研究与探索,2006,25(5):644-646.

[2] 郭建林.应用型本科数字图像处理教学改革与实践[J].安阳工学院学报,2010,9(4):124-126.

[3] 杨青,徐艳,王少华. Matlab在“数字图像处理”辅助教学中的应用[J].中国电力教育,2013(7):115-116.

[4] D. Comaniciu, V. Ramesh, P. Meer. Kernel-Based Object Tracking[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2003, 25 (2): 564-577.

[5] He Kaiming, Sun Jian, Tang Xiaoou. Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior [C], Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Miami, USA, 2009, 1956 – 1963.

Experimental Teaching Exploration on Course of Digital Image Processing

Ning Jifeng, Hu Qiuxia, Yang Shuqin
Northwest A&F University, Yangling, 712100, China

In order to improve the effect of the experimental teaching of the digital image processing, we do the teaching reforming and research for this course from the experiment content, experimental instructions and comprehensive experiment project designing. The effects of experimental reform show that students better understand its basic content and their learning enthusiasm and consciousness are further improved and then the creation idea and ability are also enhanced.

digital image processing; experimental teaching; comprehensive experiments

2013-10-27

宁纪锋，博士，副教授。

西北农林科技大学教学改革研究项目(编号：JY1102077，JY1102066)；西北农林科技大学本科优质课程建设项目。