基于Halcon软件的《数字图像处理》课程教学探索

摘  要：针对高职专科院校《数字图像处理》课程的教学现状，提出了基于Halcon软件的数字图像处理教学方案。以线性变换为例，介绍了Halcon软件在教学方案中的作用（让理论性强、内容抽象、算法较多的数字图像处理知识深入浅出，通俗易懂）。教学实践表明，通过Halcon软件教学平台的应用有效提高高职学生的综合实践和创新能力，保证高职学生在新形势下的就业竞争力。

关键词：数字图像  Halcon  高职  教学  实践能力

中图分类号：TP39           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（b）-0014-04

Teaching Exploration of Digital Image Processing Based on Halcon Software

HOU Liling

（Electronic Engineering Department of Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou， Fujian Province， 363000 China）

Abstract： In view of the current teaching situation of digital image processing course in higher vocational colleges， the teaching scheme of digital image processing based on Halcon software is proposed. Taking linear transformation as an example， those show that Halcon software makes the digital image processing knowledge easier to understand. Teaching practice shows that the application of Halcon software teaching platform can effectively improve students' comprehensive practical and innovation ability， and ensure students' employment competitiveness.

Key Words： Digital image; Halcon; Higher vocationaL; Teaching; Practice ability

随着5G时代到来，没有一家企业可以脱离人工智能去赢得市场。数字图像处理技术在这万物互联的智能社会里被广泛地应用在機器视觉、军事公安、医学影像、交通运输、地理信息分析等领域，是人工智能研究的一大热点。

1  《数字图像处理》课程特点及存在问题

近年来，不同层次的学历教育，从博士研究生到高职生，越来越多的专业开设“数字图像处理”这门课程，该课程是一门涉及多学科的交叉课程，主要讲述数字图像的基本原理、理论和方法，包括了图像增强、变换、恢复、识别、重建、分割等重要知识，是一门理论结合实践，原理与应用并重的课程[1-2]。但在高职专科院校中，普遍存在着难以开展《数字图像处理》课程教学的问题，其原因主要如下几点：（1）高职专业课程内容要突出应用性和实践性，使得理论课时数减少。而《数字图像处理》课程知识点多且杂，同时随着新技术的出现，知识点也不断增加。由于教学课时的紧凑，使得教师在传授知识点的过程中往往忽略知识点的相互联系，无法使学生建立完整的认识体系[3-4];（2）目前高职高专学生普遍存在理论知识薄弱，尤其是对数学知识的掌握，严重影响了高职学生在校掌握专业性强的科目知识的能力。其中《数字图像处理》就是一门典型科目，由于数学知识的受限性，学生往往无法形成有效的逻辑思维对算法进行推理，造成对该门课程的畏惧感，最终产生厌学情绪[5];（3）在传统高职院校的图像处理的教学过程中，由于缺乏与社会企业专家的交流沟通，容易造成两极分化，一种是过分强调理论知识，忽略实践，导致理论与实践脱节，造成学生的实际问题编程能力欠缺;另一种则是过分强调技能，把数字图像处理技术等同于讲授应用软件的使用，使学生难以深入学习图像处理知识，影响对该课程的掌握，不利于培养学生的创新能力。

2  基于Halcon软件的《数字图像处理》课程教学实施

2.1 课程教学实施软件的选择

针对不同生源、不同专业，课程中软件的选择对于数字图像处理课程教学的教学效果有着密切的关系。Halcon软件属于开放性的架构，由一千多个独立的函数，以及底层的数据管理核心构成，包含了各类滤波、色彩以及几何、数学转换、形态学计算分析、校正、分类辨识、形状搜寻等基本的几何以及影像计算功能，应用范围涵盖医学、遥感探测、监控及工业上的各类自动化检测[6]。

高职生理论知识薄弱，在校学习时间较短，但毕业后重在实践工程应用，工作岗位多样化，所对应的设备种类繁多，选择Halcon软件作为数字图像处理课程的教学软件，可以满足高职生在理论算法知识不足的情况下，借助Halcon软件平台超2000个算子的超大处理能力，在交互式的程序设计界面HDevelop下直接撰写、修改程序代码，执行程序，从而快速、有效地掌握一定的图像处理技术。同时学生可以进行图像处理软件的二次开发[6]，掌握如何选择、应用各种图像处理方法及应用工具正确地获取各种信息，真正将理论与实际紧密结合起来，从而解决工程、生产及科研中遇到的各种具体图像信息交流问题，提高高职学生在不同岗位的应用创新能力，保证高职学生在新形势下的就业竞争力。

2.2 Halcon软件的教学实施

2.2.1 课程教学设计理念

目前图像处理技术的方法、应用日新月异，图像处理应用人才供不应求。如何在有限的教学时间内培养符合市场技术需求的人才是我们不断进行教学创新与改革的目标。高职院校的学生数学基础及自主学习能动性相对薄弱，过于强调理论算法的讲解容易使学生产生厌学情绪，不利于开展课程教学。该课程采用以“学生为主，教师为辅”师生互动的“项目式”教学，在Halcon软件的支持下根据实际应用情况及时更新图像处理的新技术、新方法，以精简空洞示例和晦涩数学公式推导的讲解，重点使学生掌握选择和运用算子类别的能力为教学准则，以常用的图像处理技术为主线，在基础性验证型项目和综合应用实践型项目的层层递推下[7]，学生通过分组形式，从软件输出的图像处理效果，从算子的接口参数进行分析推导，最后分析得出图像处理的数学模型及其适用场合。此方法有效地帮助学生理解复杂的数学公式理论背后的物理意义及实践价值，掌握数字图像处理的基本原理和掌握实际算子具体选择及应用方法，保证了高职学生在数学理论基础薄弱的情况下能依然有效地将理论与实践相结合，掌握图像处理的实际应用技能，同时通过分组实施项目大大提高了学生的自主学习积极性及协作能力。

2.2.2 课程教学设计实施

该课程以工业生产应用及实际生活实践中具有较强的代表性和实用性的项目为教学内容，从专业岗位实际需要出发设计了图像滤波、变换、分割、点运算4个基础项目以及尺寸测量、物品检测、颜色识别这3个综合型项目。该文以点运算中的线性变换为例，点运算的实质就是图像增强处理，主要包括直方图处理、线性变换、对数变换、指数变换和幂运算。因课时有限，课前通过任务目标布置事先安排学生查阅资料进行预习，课中重点讲解一两种，其他由学生分组进行自学验证。

教学过程中，第一步，通过Halcon教学软件演示经过线性变换处理前后的对比图像效果，引入课程教学知识点;第二步，讲解图像线性变换的原理及算子中参数的意义和使用方法。在曝光不足或过度的情况下，图像将会模糊不清，这时可通过一个线性单值函数，对图像内的每一个像素做线性扩展，暨将图像中所有点的灰度按照变换函数进行变换，达到改善图像效果的目的。在Halcon软件中，我们可采用scale_image（Image：ImageScaled：Mult，Add：）算子，其中Image表示输入原图，ImageScaled表示输出变换后的结果图像，Mult表示系数，Add表示偏移量。令变换公式y=ax+b，a为系数Mult，b为偏移量Add，则通过改变参数a、b，可改变图像的对比度和亮度值从而实现图像线性灰度值变换，得到不同的图像效果图，如图1至图4所示。第三步，通过Halcon软件源程序逐步讲解，使学生直观观察Halcon软件中不同算子的具体应用效果，如图5至图7所示，从而对不同算子的应用加深与巩固，同样不同层次的学生还可自行添加项目实施难度来丰富图像处理效果。

以上，整個教学过程借用Halcon软件的教学平台，通过项目式教学法，可将算法的理论知识与具体应用紧密结合，强调了学生的主导性、能动性，激发学生的学习兴趣，培养了学生的学习积极性，有效提高教学质量[7]。

2.2.3 课程考核标准

为适应高职高专院校工学结合的培养模式，本门课程采用项目式过程考核与期末作品相结合的多元化考核模式，该课程的算法算子种类多，解题思路多样化，在项目过程考核中鼓励学生通过多种渠道解决问题，学生可自行选择实验的难易程度来完成该课程的考核。比如直接采用软件现有的算子来完成较为简单的基础性验证型项目;也可将若干个知识点串联自行设计综合性实验，提高项目实施难度，从而提高自身项目分值;另外，学生也可通过采用课外更新、更前沿的算法来提高自身分数。由于考核过程不再以单次成绩作为审核依据，而是贯穿整个学期的学习过程，增强了学生的学习信心，提升了学生对该课程的学习兴趣。

该课程最终成绩由项目总评成绩、平时表现情况（含考勤、作业等）以及期末设计成绩组成，三者按一定比例构成，满分100分。另外，附加20分用于学生在完成校外合作企业的项目、竞赛获奖等分数的折算，但课程总成绩以满分100封顶。在完成期末设计的过程中，不仅培养了学生将文献转换为实际工程实现的能力，也进一步加深理解所涉及算法的的理论知识，提高学生工程实践能力和创新能力，为毕业就业培养专业素养，提供技术准备[7]。

3  结语

随着社会智慧化技术的不断发展与成熟，数字图像处理技术的应用亦将更加多样化、智能化，我们将持续关注探索，不断提高教学质量使高职毕业生可不需进行长时间培训就能够直接上岗参加企业的正常生产，使高职教育紧贴企业符合的需要和社会发展的需求，真正凸显出高职教育的重要性。

参考文献

[1] 胡彬.面向实践创新能力培养的数字图像处理教学[J].中国教育技术装备，2016（4）：118-119.

[2] 孟祥超，符冉迪，邵枫，等.《数字图像处理》立体式教学方法改革与实践[J].高教学刊，2019（23）：136-138.

[3] 田学军，赵娟.数字图像处理实验教学改革与实践[J].科技资讯，2016，14（30）：108-109.

[4] 陈超文.计算机应用课程教学改革的研究与实践探索[J].中外企业家，2020（10）：180.

[5] 陆玲，李丽华.以应用实例为主线、以程序设计为主导的数字图像处理课程教学方法改革[J].大学教育，2016（9）：166-167.

[6] 张芝化，徐丽萍，李美莲.“数字图像处理”课程实践教学改革探讨[J].教改教法，2018（9）：68-69.

[7] 侯丽玲.“传感器技术与应用”课程教学改革探讨[J].漳州职业技术学院学报，2017（3）：85-88.