“數(shù)字圖像處理”理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式

楊淑瑩 張 樺

摘要:“數(shù)字圖像處理”是一門理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的課程,在課堂教學(xué)上需要增加理論實(shí)現(xiàn)技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié)。本文提出一種面向理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式,將教學(xué)模式從理論灌輸教育轉(zhuǎn)向更為務(wù)實(shí)的專業(yè)素質(zhì)教育,進(jìn)一步闡述提高課程教學(xué)質(zhì)量的若干思路與舉措,為提高學(xué)生的實(shí)踐能力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:圖像處理;教學(xué)模式;傅立葉變換

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革的必要性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)算法的發(fā)展,數(shù)字圖像處理在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、雷達(dá)信號(hào)處理等領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用?！皵?shù)字圖像處理”課程是信息類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課,主要學(xué)習(xí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理的基本理論、方法。要求學(xué)生在掌握有關(guān)圖像處理和圖像分析的基本概念、基礎(chǔ)理論、典型方法的基礎(chǔ)上,掌握一定的編程實(shí)踐技能,能夠利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)圖像信息的各種處理,如圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像分析、圖像編碼等。培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維,提高實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別等課程奠定基礎(chǔ)。

“數(shù)字圖像處理”課程起點(diǎn)高、難度大,理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)。傳統(tǒng)教學(xué)以理論介紹為主,強(qiáng)調(diào)理論的體系和概念,忽視理論的實(shí)現(xiàn)步驟,基本的編程代碼,造成學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí),普遍感到理論的概念抽象,對(duì)理論的理解僅限于表面認(rèn)識(shí),很難看到理論的實(shí)際應(yīng)用效果。面臨實(shí)際問(wèn)題時(shí),學(xué)生往往不知所措,不知從何下手,更談不上創(chuàng)新應(yīng)用。面對(duì)這樣一門理論與實(shí)踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合的課程,學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)中往往會(huì)碰到很多困難,既為數(shù)字圖像處理廣泛的應(yīng)用前景所吸引,也常常困擾于課程的理論性,在一些繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)面前望而卻步,從而逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣。這種局面的形成與長(zhǎng)期以來(lái)的應(yīng)試教育模式不無(wú)關(guān)系。

如今,我們大力提倡專業(yè)素質(zhì)教育,注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力,強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和應(yīng)用能力,力求把握本學(xué)科的基本思想方法,避免學(xué)生出現(xiàn)“只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林”的現(xiàn)象。改革“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)理念,提高其教學(xué)質(zhì)量,將教育模式從應(yīng)試教育轉(zhuǎn)向更為務(wù)實(shí)靈活的專業(yè)素質(zhì)教育,這是擺在我們面前的一個(gè)迫切需要解決的課題。并以計(jì)算機(jī)類的“數(shù)字圖像處理”課程為例,闡述進(jìn)一步提高課程教學(xué)質(zhì)量的若干思路與舉措。

2注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式

要想激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,就要在如何將枯燥的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為立竿見(jiàn)影的實(shí)際操作上下功夫。一方面需要在課堂教學(xué)中引入適當(dāng)?shù)膱D例分析和編程處理實(shí)例,將復(fù)雜的算法以最直觀的方式展現(xiàn)在同學(xué)面前,將圖像處理前后的效果比較,通過(guò)演示算法來(lái)提高學(xué)生對(duì)理論的直覺(jué)感受,使原本很抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)具體。同時(shí),另一方面也需要滿足學(xué)生課后實(shí)踐的要求,針對(duì)一些典型的處理方法開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn),給學(xué)生提供邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐的機(jī)會(huì),應(yīng)用平時(shí)所學(xué)的知識(shí),通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn),觀察處理之后的效果。不但可以鞏固所學(xué)知識(shí),還可提高學(xué)生的動(dòng)手能力。為了讓學(xué)生既能夠掌握基本理論,又能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。課堂教學(xué)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。本文提出教師在課堂教學(xué)上應(yīng)提供“理論分析→作用演示→實(shí)現(xiàn)步驟→編程代碼→小結(jié)”的五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1理論分析環(huán)節(jié)

針對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程所授內(nèi)容離不開(kāi)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn),僅僅紙上談兵是不夠的。課堂上不能只介紹理論,使學(xué)生理論與實(shí)際相脫離,在實(shí)踐中無(wú)從下手。同時(shí),課堂上也不能花大量的時(shí)間講解復(fù)雜的程序框架下的實(shí)現(xiàn)代碼。這就要求教師在課堂上既要闡述理論的分析、推理和作用,又要提供基于理論的處理方法,編程代碼,及實(shí)例應(yīng)用分析,熏陶學(xué)生處理的思路和編程的技巧。

在這一環(huán)節(jié)上,教師需要循循善誘講解理論的推理和理論的作用。由于增加了其它的環(huán)節(jié),在這一環(huán)節(jié)上較以前的講解應(yīng)該更需簡(jiǎn)練。在課程內(nèi)容上堅(jiān)決貫徹“少而精”原則,大力壓縮多年形成的過(guò)窄、過(guò)深和過(guò)繁的教學(xué)內(nèi)容,為實(shí)踐性的教學(xué)環(huán)節(jié),以及學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)爭(zhēng)取到了必要的時(shí)間和空間,這樣使學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),有利于他們的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2理論作用演示環(huán)節(jié)

課堂上通過(guò)運(yùn)行代碼,用來(lái)演示各種算法,學(xué)生可以見(jiàn)到理論應(yīng)用到實(shí)際的效果,增加對(duì)理論的認(rèn)識(shí),掌握理論付諸于實(shí)踐的技術(shù),同時(shí)提供各種算法的源代碼供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。

2.3實(shí)現(xiàn)步驟環(huán)節(jié)

這一環(huán)節(jié)的目的是使學(xué)生能夠從整體上了解理論實(shí)現(xiàn)的步驟,為理解理論實(shí)現(xiàn)的軟件編程代碼打下基礎(chǔ)。講解實(shí)現(xiàn)步驟要啟發(fā)引導(dǎo),簡(jiǎn)明扼要。

2.4編程代碼環(huán)節(jié)

講解編程代碼的目的是讓學(xué)生掌握理論實(shí)現(xiàn)的具體方法和技巧,提供學(xué)生模仿手段,縮短學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際所需的探索時(shí)間,提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。

2.5小結(jié)環(huán)節(jié)

目的是進(jìn)一步對(duì)技術(shù)原理、作用和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié),將難點(diǎn)、重點(diǎn)小結(jié),同時(shí)提出新的思考問(wèn)題,讓學(xué)生思考和練習(xí)。

2.6新的教學(xué)模式應(yīng)用

按照本文提出的五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),筆者以圖像頻域變換處理課堂講解方式為例,介紹這五個(gè)步驟的執(zhí)行過(guò)程。

(1) 先介紹傅立葉頻域變換、理想低通濾波,理想高通濾波等基本理論。

(2) 教師利用教學(xué)輔助軟件,運(yùn)行實(shí)例,進(jìn)行理論驗(yàn)證,見(jiàn)到理論作用,如圖1所示。(a)所示代表原圖,圖(b)、(c)、(d)分別顯示快速傅立葉變換、理想低通濾波和理想高通濾波的效果,從(c)、(d)幅圖非常容易理解理論的作用和效果。

(3) 介紹傅立葉頻域變換的實(shí)現(xiàn)步驟,具體為以下7個(gè)步驟:

① 獲取原圖像的數(shù)據(jù)區(qū)首地址、圖像的高度和圖像的寬度。

② 計(jì)算進(jìn)行傅里葉變換的寬度和高度,這兩個(gè)值必須是2的整數(shù)次方。計(jì)算變換時(shí)所用的迭代次數(shù),包括水平方向和垂直方向。

③ 行列順序依次讀取數(shù)據(jù)區(qū)的值,存儲(chǔ)到開(kāi)辟的復(fù)數(shù)存儲(chǔ)區(qū)。

④ 調(diào)用一維快速傅里葉變換函數(shù)進(jìn)行垂直方向的變換。

⑤ 轉(zhuǎn)換變換結(jié)果,將垂直方向的變換結(jié)果轉(zhuǎn)存回時(shí)域存儲(chǔ)區(qū)。

⑥ 調(diào)用一維傅里葉變換函數(shù),在水平方向上進(jìn)行快速傅里葉變換(步驟同上①—④)。

⑦ 將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成可顯示圖像,并將坐標(biāo)原點(diǎn)移至圖像中心位置,使得圖像可以顯示整個(gè)周期頻譜。

(4) 筆者課堂教學(xué)軟件采用Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā),介紹傅立葉頻域變換軟件核心代碼。

(5) 總結(jié)。對(duì)傅立葉變換的原理、作用和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié),強(qiáng)調(diào)難點(diǎn)、重點(diǎn),同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué),讓學(xué)生思考理想低通濾波、理想高通濾波的實(shí)現(xiàn)步驟及軟件核心代碼的變化。

“作用演示”可以安排在“理論分析”之前,也可以放在“編程代碼”之后,或隨著講解的需要,隨時(shí)進(jìn)行多次演示?！白饔醚菔尽狈旁凇袄碚摲治觥敝?能夠讓學(xué)生事先了解本次教學(xué)的內(nèi)容,了解技術(shù)原理的作用,做到有的放矢,心中有數(shù);“作用演示”放在“編程代碼”之后,可以進(jìn)一步對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

3新教學(xué)模式對(duì)教師的要求

本文提出課堂教學(xué)分五個(gè)步驟,即“理論分析→作用演示→實(shí)現(xiàn)步驟→編程代碼→小結(jié)”,筆者認(rèn)為這五個(gè)步驟相輔相成,缺一不可。教師在講解某種基本理論之后,采用啟發(fā)式教學(xué)講解實(shí)現(xiàn)步驟,讓學(xué)生了解算法的實(shí)現(xiàn)思路和方法,再進(jìn)行軟件演示,進(jìn)一步讓學(xué)生體會(huì)短小精悍的核心代碼編程語(yǔ)句,通過(guò)運(yùn)行代碼,學(xué)生可以見(jiàn)到理論應(yīng)用到實(shí)際的效果,增加對(duì)理論的認(rèn)識(shí),掌握理論付諸于實(shí)踐的技術(shù)。

“作用演示”需要教師課前對(duì)教學(xué)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)或深入解讀源代碼,需要教師具備編程能力,及將理論與編程代碼相結(jié)合的解釋能力,客觀上對(duì)教師的要求更高。

4結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)“數(shù)字圖像處理”課程的具體特點(diǎn),結(jié)合教學(xué)實(shí)踐,提出“理論分析→作用演示→實(shí)現(xiàn)步驟→編程代碼→小結(jié)”一系列改善教學(xué)效果的思路和舉措。這種教學(xué)方式將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái),學(xué)生可以從理論和實(shí)用的編程技巧兩方面掌握?qǐng)D像處理技術(shù),提高動(dòng)手實(shí)踐能力,使學(xué)生認(rèn)識(shí)更加具體、生動(dòng),牢固掌握所學(xué)知識(shí),達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。我們?cè)诮虒W(xué)中強(qiáng)調(diào)理論算法與編程的有機(jī)結(jié)合,經(jīng)過(guò)這種方式培養(yǎng)的學(xué)生能夠解決基本的圖像處理問(wèn)題,同時(shí)可以按照教師提供的軟件平臺(tái)框架進(jìn)行綜合處理,添加相應(yīng)的代碼,創(chuàng)新出新的變換效果。課堂上學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高,興趣濃厚;課下學(xué)生通過(guò)查資料、選擇設(shè)計(jì)方案、程序編寫與調(diào)試等一系列的工作解決新的實(shí)際問(wèn)題,很大程度地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)新能力。學(xué)生在設(shè)計(jì)思想、開(kāi)拓意識(shí)、創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)和動(dòng)手能力等方面得到了培養(yǎng)和鍛煉,感受到成功的喜悅和自我價(jià)值的實(shí)現(xiàn),樹(shù)立了科技創(chuàng)新的信心。

教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù),改革傳統(tǒng)重理論輕實(shí)踐的教學(xué)理念,將教學(xué)模式從理論灌輸教育轉(zhuǎn)向更為務(wù)實(shí)的專業(yè)素質(zhì)教育,還需要持續(xù)深入的研究、探討和實(shí)踐。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡孝忠. 應(yīng)用教育技術(shù)優(yōu)化課堂教學(xué)[J]. 兵工自動(dòng)化,2004(4):63-63.

[2] 張大良,呂浩雪. 打造精品課程,提升教學(xué)質(zhì)量[J]. 中國(guó)高等教育,2003(9):6-7.

[3] 楊淑瑩. VC++圖像處理程序設(shè)計(jì)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[4] 楊淑瑩.“數(shù)字圖像處理”理論與實(shí)踐相結(jié)合的教材建設(shè)[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2009(6):7-9.