基于工程项目的图像处理实验教学实践

吴昌东， 陈永强， 江 桦

(1. 西华大学 电气与电子信息学院， 成都 610039；2. 西南交通大学(峨眉校区) 计算机与通信工程系， 四川 峨眉 614202)

0 引 言

为了培养创新型人才，国家教育事业发展“十三五”规划及教育部2017年工作要点中明确指出，将推进高等学校创新能力提升计划，深化高校创新创业教育改革，践行知行合一，强化学生动手实践能力，将实践教学作为深化教学改革的关键环节，培养学生创新精神和实践能力。

实验教学是培养学生创新精神及实践能力的重要方法和手段，是学生进行工程实践的必由之路。通过实验，学生不仅可以理解、巩固所学理论知识，还能培养学生的实践能力及工程开发能力。数字图像处理是电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术等专业的重要专业课程，其目的是使学生了解和掌握数字图像处理的基本内容和方法[1]。该课程应用前景广阔、更新发展快、理论性及实践性较强[2]。教学时，不仅要做好理论知识的传授，还要重视实践力的培养。

1 基于工程项目的实验教学

1.1 传统实验教学存在的问题

图像处理技术内容丰富，发展迅速，现已广泛应用于工业、农业、医学、军事、航空航天等领域[3]。该课程要求学生掌握图像处理的基本概念、基本原理和分析方法，掌握一定的编程实践技能。传统的图像处理实验侧重于理论验证，规模较小[4]，实践平台单一[5]，实验内容简单枯燥[1]，缺少设计性、创新性实验。很多实验未考虑知识的应用性，只为得到一个验证性的答案。所处理的图像多为实验标准测试图像，网上就能找到对应程序，学生照搬照抄，不能深层次理解理论内容和程序原理及算法，难以调动学生学习积极性及主动性，实践能力及创新能力无法得到有效的提高[6]。此外，实验教学中缺少新内容、新方法和新手段，无法开阔学生视野。实验缺少工程项目应用背景，学生无法将理论与实际工程项目建立起联系，不知道如何将所学知识运用到实践中，造成理论与实践脱节，从而无法满足现代工程发展的需要，不利于培养理论与实践相结合的实用型人才。因此，实验教学应紧跟时代步伐，根据项目实际需要，改变实验教学设计，重视学生的工程意识、工程素质和工程实践能力的培养[7]。

1.2 基于工程项目实验教学的优点

随着国家对创新型人才培养的重视，很多用人单位要求学生具备一定的动手实践能力。因此，必须以就业为导向，立足学生的专业背景，以工程实际项目为基础，以培养学生工程意识、创新意识、实践能力、理论联系实际能力、分析问题和解决问题等创新能力为目标[8]。针对实际项目需要，保留必要的经典验证性实验前提下注重结合工程实际，以项目应用为导向，设计教学实验。

基于项目的实验教学是对传统实验教学的补充和深化[9]。该方法强调理论与实践相结合，以学生专业特色为基础，以典型工程应用为背景，以学生为主体，选择工程实际问题作为实验内容，让学生了解项目背景及实际工程意义，将理论知识向工程实际应用拓宽，加强学生工程素质、工程意识和实践能力的培养。由于实验具有工程背景、技术前沿动态及发展趋势[1]，因此可实现基础与前沿、经典与现代的结合。通过对传统经典实验的继承、发展与创新，不断提高实验项目的科学性、先进性，从而全方位、多层次激发学生学习动力。通过实验，不仅很好地掌握理论知识，还能通过对实验结果进行对比分析，了解理论知识与实际应用的差别，提升学生基础知识和实际工程相结合的能力[10]。通过将实验能力，工程意识、创新能力的培养纳入实验教学，逐步培养学生利用理论知识解决工程实际问题的思维和方法[11]。

图像处理包含图像去噪、增强、分割、压缩、编码、特征提取、分类及图像识别等方法和技术，这些技术与工程项目应用息息相关。比如电力系统中的接触网状态监测项目，该项目运用图像处理技术检测接触网工作状态，以便提前发现设备故障，避免发生事故。项目中，首先采集接触网图像，然后对图像进行去噪、增强等预处理，再对图像进行分割，并对分割后图像进行特征提取，通过对接触网中的零部件进行分类，识别，判断接触网的工作状态。其工作流程如图1所示。

图1 接触网状态监测流程

该图是图像处理技术在实际项目中的应用。实验内容涉及图像处理方面的知识较为广泛，所用方法除了传统经典方法之外，还要针对采集的实际图像进行实验，并对实验结果进行对比分析。本文以项目中的图像增强实验为例，分别处理国际标准测试图像与实际采集的接触网图像。根据实验结果，分析理论与实际之间的异同，并引导学生改进实验方法，进一步培养学生创新实践等综合能力。

2 图像增强的实验教学设计

由于图像采集设备或天气环境等因素的影响，有些图像视觉效果不好，需要进行增强处理。图像增强的目的就是突出图像中的重要信息而抑制无用信息，提高图像质量，改善图像视觉效果，使得处理后的图像更符合人眼视觉需要或用计算机对其作进一步的处理。本实验以图像增强方法为例，由浅入深地介绍了图像增强技术的具体应用。在增强标准测试图像基础上，将理论知识应用于实际，通过对实际采集接触网图像进行增强处理，并对不同增强方法效果进行对比分析，从而加深学生对图像处理课程及其工程应用的理解，提高学生学习积极性及主动性，增强学生的工程意识及实践能力[12]。

2.1 标准图像增强技术

图像增强可分成频率域法和空间域法两大类[13]。频率域法直接对图像灰度级做运算，空间域法在图像的某种变换域内对图像的变换系数值进行操作。针对图像特点，可以采用不同的方法对图像进行增强处理。

分别采用全域线性变换、直方图均衡化、中值滤波、小波变换等方法增强国际标准测试图像，其实验结果如图2所示。视觉效果方面，全域线性变换有一定的图像增强效果，但效果并不突出；直方图均衡化增强效果最明显，对比度得到有效地提高；中值滤波方法增强后的图像较平滑；小波变换增强后的图像细节保存较好。此时，让学生观察实验结果，并结合每种增强方法的特点分析为何得到不同的实验结果，逐步提高学生分析问题的能力。

图2 标准图像增强效果

根据图2实验结果，绝大部分同学觉得直方图均衡化增强效果最明显，于是得出直方图均衡化增强方法最好。此时，老师应趁热打铁，及时提出问题：对于实际图像，是否也是直方图均衡化增强效果最好呢？由此引入实际应用，提高学生兴趣，吸引学生对实际采集图像进行增强处理。

2.2 实际图像增强技术

图像增强技术应用广泛，比如交通视频监控系统、机械零部件的分类与识别、图像去雾、电力设备的故障监测等场合[14-16]。接触网作为电力系统的关键部件，它的工作状态直接影响电力系统的正常运行，若其出现故障，将造成巨大的经济损失。现场采集的部分接触网图像具有低灰度值、低对比度，模糊的轮廓和边缘、大噪声等特点，需要对其进行增强处理。本实验首先采用图2中的增强方法对其进行增强处理，处理结果见图3。并分析实验结果，然后针对实验中出现的问题提出改进方案，从而进一步提高学生创新能力。

图3中，从视觉效果考虑，采用直方图均衡化增强方法，虽然接触网零部件得到了增强，但增强后的图像含有大量噪声，效果很差，这与图2实验结果是矛盾的。大部分同学觉得不可思议，就会主动思考为什么会出现这样的结果。整个思考过程对学生尤为重要，有助于他们更深刻的理解理论知识及培养分析实际问题的能力。此时，老师引导学生思考问题产生的可能原因，建议学生从实际采集图像的特点进行分析，鼓励学生参与讨论。并提出当理论与实际结果不一致时，该怎么样去分析实验结果？如果增强效果不好，该如何改进传统方法，提高增强效果？这一连串的提问，会提高学生求知欲，促使他们进一步实验。

学生发现直方图均衡化方法对标准测试图像增强效果好，对实际采集的接触网图像增强效果不好，就会进一步观察它们的直方图。标准测试图像和实际图像的直方图如图4所示。

标准测试图像直方图均衡化后，图像灰度值分布均匀，增强效果好；而实际图像的直方图均衡化后，图像灰度值仍较为集中，增强效果不理想。这是由于实际图像灰度值太低，同时含有噪声所致。此时，老师可做适当引导，让学生思考如何改进方法，优化程序，并关注一些图像处理的前沿技术，比如提升小波、超小波等图像处理方法，拓宽学生知识面，提高求知欲。通过实验，学生学会了如何处理实际工程项目问题，分析问题及解决问题的能力也得到相应提高。实践表明，基于工程项目的实验教学法不仅锻炼了学生的算法分析、程序编写、优化及调试能力，学生对项目背景及意义也有了更深刻的认识与理解，真正意义上实现了学以致用。目前，该方法已经取得了一定的效果。我校电气与电子信息学院的同学积极加入创新实验室，积极参加全国大学生电子竞赛并多次获奖，连续多年有学生成功申请到全国大学生创新创业训练计划项目、四川省大学生创新创业训练计划项目及学校的“西华杯”项目，也有部分学生申请国家专利多项，在国家级期刊发表论文多篇，效果较为显著。同时，将项目内容运用于实验中，有利于教师改进教学方法，提高教学水平，这对培养创新型人才具有重要意义。

图3 实际图像增强效果

图4 标准图像及实际图像增强效果及其直方图

3 结 语

基于工程项目的实验教学在传统实验教学基础上，通过引入实际工程项目，将理论应用于实际，学以致用，极大地丰富了传统实验教学模式。基于工程实践的项目紧跟学科和专业发展，具有更为明确的工程背景及意义。通过对实验标准测试图像及实际图像的处理与分析，极大地提高了学生学习兴趣，拓宽了学生知识面，有利于培养学生运用理论知识解决工程项目的能力，有利于培养创新型及综合型人才。通过基于工程项目的实验教学，让学生关注所用技术的现状、热点、新领域，运用新思维、新方法来解决实际问题，并可将该方法进行推广，运用到更多学科的实验教学中。