数字图像处理教学改革浅谈

丁建伟　唐云祁　田华伟

摘要：针对中国人民公安大学视频侦查专业的特点，结合数字图像处理教学中的经验，该文探讨了如何通过改革教学内容、丰富课堂教学方法和突出学生动手实践来改善数字图像处理课程的教学效果，进而培养学生的动手能力和解决实际问题的能力。

关键词：数字图像处理；视频侦查；教学方法；实践；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0121-02

Abstract： By observing the characteristics of video investigation major in People's Public Security University of China， and based on the teaching experiences in digital image processing classes， this paper studies to reform teaching content， enrich teaching methods and stress practice of students to improve teaching performances of digital image processing， and develop the hands-on abilities and abilities to solve practical problems of students.

Key words： digital image processing； video investigation； teaching method； practice； teaching reformation

1 引言

图像蕴含丰富的信息，是人们感知世界的重要来源。数字图像处理主要通过计算机对图像信息进行处理，包括分割、增强、复原、去噪、特征提取和分析理解等[1]。目前，数字图像处理技术在很多领域得到了广泛的应用，例如军事、工业生产、医学和公安等等。而这些应用需求的增长推动了数字图像处理技术的快速发展。由于数字图像处理技术的重要性，很多大学在计算机信息类专业开设了数字图像处理的课程。学生通过该课程的学习，应能掌握数字图像处理技术的基本概念、原理和经典算法，并能了解如何将其运用于实际生活。

数字图像处理技术是一门理论性较强的课程，需要较强的数学基础知识，例如线性代数和信号处理等，因此在教学中很容易出现枯燥的算法讲解和数学推导，学生也可能因为教学过于理论和抽象而失去兴趣，或因为感觉太难而产生畏惧心理。数字图像处理技术也是一门实践性较强的课程，很多典型算法是从应用需求逐渐发展来的，脱离应用只讲理论，学生会不知所云，不知道算法理论的具体用处和如何使用。为了改善课堂教学和提升学生动手能力，教师有必要从学生专业需求出发，针对课程特点，精心设计课程，探索如何将理论教学与实践教学完美结合，使学生最终既能掌握足够的基础知识，又能对实际应用有足够的了解。本文将结合实际教学经验和体会，探讨如何改善数字图像处理课程的教学过程，提升最终的教学效果。

2 数字图像处理课程改革的出发点

数字图像处理是一门综合性的技术，集成了计算机、光学、电子技术和信号处理等多学科的知识，涵盖的内容非常广，从底层的图像增强、复原和编码到中高层的特征提取、分割和图像理解，在有限的课时里教师不可能详细讲解所有内容。因此，教师在授课前就需要对授课对象的专业有所了解，从学生今后工作的需求出发，精心选择授课内容。笔者授课对象是我校新成立的视频图像侦查专业学生，该专业学生毕业后主要在公共安全部门从事视频图像侦查的相关工作，通过搜集整理分析大量的视频资料，缩小排查范围，锁定嫌疑人并找到相关证据，提升破案效率。在视频侦查过程中，对模糊图像的增强或复原是学生必备的技能。因此，笔者在授课时除了讲解重要的基础知识，将本门课程的侧重点放在图像的增强与复原上，而学生对这部分的内容也非常感兴趣，学习的主动性和热情都非常高，这样教师的授课效果也大大提高了。

3 理论授课内容与教学方式的改革

在理论授课内容上，结合我校专业特点做了精心的修订，即加强基础理论知识的讲解，突出专业特色与实用性，强调图像处理算法的具体应用和如何编程实现，注意结合实际案例进行讲解分析，做到理论和实际完美结合[2]。

我校数字图像处理处理课程为54课时，理论授课为45课时，主要讲解图像处理的基本原理与运算、图像的空间和频域增强、图像复原、图像压缩、图像分割和图像的表示与描述等。由于课时有限，因此在讲解图像分割、图像压缩和图像的表示与描述等内容时只是简单的介绍，而且图像视频侦查专业在后续课程安排上也有这些内容的更深入的讲解。我们在授课时主要把精力放在了对图像处理的基本原理与运算、图像的空间与频域增强和图像复原这些内容的讲解上。

为了满足我校专业特点和授课内容改革要求，我校自己编写了数字图像处理的教材，具有理论性、系统性和实用性等多个优点。另外，我们还选择了由田纳西大学的冈萨雷斯教授编写和北京交通大学阮秋琦翻译的数字图像处理中文教材作为补充，该书是一本非常经典的数字图像处理书籍，讲解非常详细，内容很全面，案例也非常多，还有配套的Matlab版本书籍，方便学生自学探索。

在教学方式上，我们探索使用多种现代化的工具丰富课堂教学。传统的教学方式主要基于黑板和粉笔，比较单一，不利于展现图像处理的丰富细节，效果很难令人满意。数字图像处理课程主要讲解的是如何处理图像，即展现的是图像或图形[3]。为了保证课程的可视性效果，我们基于多媒体技术开发了丰富多彩的课件，通过PPT和投影仪给学生更形象生动的展示。为了提高学生上课的兴趣，我们采用了更多的互动式教学，转变只有老师在讲台上讲解的现状，通过引导式的提问，逐步引导学生理解问题、分析问题和解决问题，并积极鼓励学生上课提问和讨论。另外，由于数字图像处理的一些理论和算法比较抽象[4]，数学公式比较多，我们在上课前编写了一些小程序，在课堂上通过运行这些小程序演示效果，给学生更直观的感受，并且通过讲解程序的每一步的设计，让学生结合理论和算法分析，更深刻的理解理论和算法的内涵以及如何使用，大部分学生对这种直观演示也更感兴趣。

对于理论学习的考核，我们主要采用课堂教学提问、布置作业和最终闭卷考试等多种方式，平时成绩占20%，最终闭卷考试成绩占70%，另外10%是实验成绩。

4 实践教学的改革

传统的实验教学一般集中在固定的时间和使用固定的仪器设备。首先由老师讲解原理，然后现场演示如何操作，最后学生按照实验手册逐步进行试验[5]。这种方式比较单一，不利于调动学生的积极性，学生可能只是生搬硬套的做完试验，但是没有更深入的分析为什么这么做以及如何改进试验，做完试验可能很快也就忘了。另外，由于基于课堂的实验学时较少，我校数字图像处理实验课时仅有9课时，而实际上如果学生只在这9个课时里做实验的话，很显然是不够的，远远达不到强化实验教学、提高学生动手能力的目的[6]。因此，我们规定了5个学生必做的实验，主要是验证性的实验，一般在实验室课堂上完成。另外，我们还布置了3个开放性的实验题目，开放性的实验题目一般属于综合性的题目，需要学生综合运用学到的知识，发挥自己的想象力，独立编程调试，达到预期的实验效果，并且需要对实验数据进行分析，提出自己的见解。由于开放性的实验题目要求较高，难度较大，为了避免学生抄袭，使学生真正动手实现而不是走过场，学生交的实验报告需要附上自己编写的程序源代码、注释以及具体的实验步骤和分析内容。

在具体的开放性实验题目选择上，为了突出本专业的特点以及考虑学生毕业后的需求，我们主要选择了图像的增强和复原，例如夜晚图像的增强和复原、噪声污染图像的复原以及人脸车牌图像的增强与复原等。另外，我们设置的题目并没有固定实验内容，即学生可以自己选择具体的实验内容和实验数据。学生可以自己拍摄图像并对图像进行处理，这样可以进一步调动学生的积极性和探索问题的能力。

在实验编程软件的选择上，推荐学生使用Matlab软件[7]，因为Matlab集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体，功能强大、操作简单，是国际公认的优秀数学应用软件之一。但我们也鼓励学生尝试使用C或C++等编程软件，这样更能锻炼学生的编程能力。我们也给学生推荐了一些图像处理开源软件的库，帮助学生借鉴优秀的算法实现，但是需要避免学生直接抄袭。

对于实验教学的考核，主要通过学生实验室课堂表现、完成实验报告和开放实验题目情况综合判断，强调考核学生的动手能力和分析问题解决问题的能力。

总之，在实验教学的过程中，一切坚持以教师来引导、学生为动手主体、训练为中心、能力为最终目标[8]。

5 结语

本文结合我校视频图像侦查专业的特点，从学生工作需求出发，探讨了通过改革教学内容，通过对授课内容和教学方式的改革，丰富课堂教学方法和突出学生动手实践来改善数字图像处理课程的教学，帮助学生提高使用图像处理知识解决问题的能力，培养出社会真正需要的人才。当然，对于数字图像处理的教学改革与优化是一项长期的任务，还需要不断的探索和努力，只有这样才能满足社会对图像处理人才的需求。

参考文献：

[1] Rafael C. Gonzalez. 数字图像处理（第二版）[M]. 阮秋琦 译. 北京：电子工业出版社，2003. 1-24.

[2] 王丽杰，秦勇，周真. 测控专业“数字图像处理”课程体系优化研究[J]. 电气电子教学学报，2009， 31（3）：19-20.

[3] 曹玉东，王冬霞，周军. 数字图像处理课程教学改革与探索[J]. 辽宁工业大学学报（社会科学版），2013， 15（2）：129-131.

[4] 杨铁军，黄琳.数字图像处理经验探讨[J]. 中国现代教育装备， 2010（9）： 91-92.

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

[6] 范迪，孙农亮，曹茂永. 我校《数字图像处理》课程的实验设计[J]. 中国科技创新导刊，2009（2）：166-167.

[7] 秦襄培. Matlab图像处理与界面编程宝典[M]. 北京：电子工业出版社，2009.1-30.

[8] 吴道坚. 创新实践教学理念促进综合素质培养[J]. 实验室研究与探索，2005（9）：7-10.