图像处理实践课竞赛式教学软件平台构建研究

2015-12-09佟喜峰袁满吕洪艳郭玲玲

教育教学论坛 2015年9期

佟喜峰袁满吕洪艳郭玲玲

摘要：相比一般的课堂教学而言，竞赛式教学更能激发学生主动思考并提高学生的学习兴趣。介绍了图像处理实践课竞赛式教学平台的设计与实现，包括图像库的建立、教学平台软件的编程实现等内容。该软件平台能够自动测试学生提交的可执行文件，非常客观地给出评测结果。

关键词：图像处理；字符识别；竞赛式教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）09-0254-02

一、引言

竞赛式教学模式是指在课堂上按照一定的比赛规则，借鉴体育比赛的方法，组织课堂教学的一种形式。目前已有许多专家、学者、一线教师开展过竞赛式教学的研究，国内已开展过电工电子综合设计、电机、数据结构等课程的竞赛式教学。但是图像处理方面的竞赛式教学目前尚未发现有人开展过。

数字图像处理实践课是作者所在单位的专业硕士的一门实践课。该课程以光学字符识别作为案例进行教学。如图1所示，字符在计算机中常见的形式有两种：图像形式（图1左侧的字符）和文本形式（图1右侧的字符）。图像字符是指用扫描仪、照相机等设备得到的图像中包含的字符，这些字符能够观看，但是很难编辑修改其内容。文本字符是指word、记事本、wps等编辑软件中可以编辑修改的字符。光学字符识别（Optical Character Recognition，简称OCR）是指从图像中识别出其中的字符类别并将其转换为文本字符的识别过程。

在图像处理领域，已经有很多国际性的竞赛，例如指纹识别国际竞赛（Fingerprint verification Competition）、人脸识别国际竞赛（Face Recognition Grand Challenge）等。这些竞赛都是对所有人开放的，通过制定统一的测试数据、统一的测试流程、统一的程序接口、统一的测试环境、统一的评分标准，公开、公平、公正地进行比赛。这些比赛在行业内知名度很高，竞赛成绩普遍受到认可。这些测试结果能够客观地比较各个参赛算法的优劣，已经成为检验算法的基准，促进了行业的技术进步。

综上所述，将竞赛引入到图像处理实践课，具有一定的必要性，也具有可行性。但是目前没有可以用于该课程的软件平台，在这种情况下，本文开发了用于测试、评价学生字符识别程序的软件平台。下文对该软件平台的构建进行比较详细的介绍。

二、教学平台软件的设计

（一）字符识别过程

字符识别一般可分为训练和识别两个过程。如图2所示，在训练过程中先获取一枚图像并预处理，然后对其特征提取，最后设计分类器，并且根据训练样本调整参数达到最佳。在识别过程中，先获取一枚图像并预处理，然后对其特征提取，最后用设计好的分类器对其分类，得到识别结果。

（二）字符图像库的建立

字符识别的难度随着字符总类的增加而增加。例如识别a-z这26个字母就比识别0-9这十个数字要困难得多。考虑到学生初学字符识别，难度不宜过大，故字符图像库中仅包含0-9这10个数字。目前已采集400枚图像，同一个数字的字符图像之间有一定的变化，而且每个数字都有几个比较难识别的图像样本。用这样的图像库能够客观地评测各个学生提交的程序，具有适当的难度和较好的区分度。

（三）编程接口规范

为了测试学生提交的程序，可以采用把学生的程序代码加入到测试系统中进行编译、运行、测试，也可以让学生自己编译自己的程序生成可执行文件，测试系统直接测试学生提交的可执行文件。从软件工程的角度，后一种方案耦合度更低。而前一种方案对编程语言的选择以及函数、变量等的命名都有很大限制。基于以上考虑，我们采用了让学生提交可执行文件的方案。学生需要编写控制台应用程序，以命令行的方式被调用。数据的输入和输出都是以文件的方式实现的。考虑到不同的图像库内的图像大小以及背景纹理等的差异，在学生编写程序时，允许根据不同的图像库设置不同的参数，例如，总共有四个图像库的时候，可以生成四个参数文件，与这四个图像库一一对应。最终确定文件调用的形式为：

“xxxx.exe a_file b_file c_file”

其中，xxxx.exe为学生根据自己的程序代码生成的可执行文件，a_file为待识别的图像文件的路径及文件名，b_file为参数文件的路径及文件名，c_file为输出文件的路径及文件名。a_file和b_file为硬盘中已经存在的文件，c_file为程序运行结束后要向硬盘写入的文件。该命令运行结束以后，软件平台读入c_file的内容作为测试结果，并将其保存到数据库中。

（四）参数测试与评价

学生提交的程序有多种参数，例如字符识别的准确率、时间消耗、存储空间占用等。我们开发的测试平台测试识别准确率和时间消耗这两项参数，并把识别准确率作为对识别程序进行排序的依据。

三、教学平台软件的编程实现

该教学平台软件包括“图像库管理”、“学生信息管理”、“测试”、“成绩与排序”、“使用帮助”等模块，能够满足一般的教学需要。下面对各个模块做简单介绍。

（一）图像库管理软件模块

该模块能够完成增加图像库、删除图像库、导入图像等功能，图3给出了该软件模块的界面。

（二）学生信息管理模块

该模块用于学生信息的管理，具有增加学生、删除学生、修改学生信息、提交程序等功能。其中“提交程序”按钮可以把学生提交的可执行文件保存到数据库中，用于后续的测试。该模块还可以选择查看未完成测试的学生和已完成测试的学生。

（三）成绩与排序模块

该模块能够对学生提交的程序进行测试，得到识别准确率、时间耗费等参数，并根据学生程序的识别准確率对学生排名，排名分为两种，一种是年级内排名，可以看到同一年级学生的排名情况，另一种是总排名，即对今年和往年所有提交程序的学生进行排名。该模块的界面如图4所示。

四、结束语

本文首先介绍了将竞赛式教学模式引入到图像处理实践课的意义，然后介绍了可以用于该实践课的教学软件平台的构建，包括建立字符图像库，软件的需求分析以及软件的编程实现等内容。