自動(dòng)化專業(yè)圖像處理課程建設(shè)與改革

尹海濤（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院210023）

自動(dòng)化專業(yè)圖像處理課程建設(shè)與改革

尹海濤（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院210023）

本文結(jié)合圖像處理課程特點(diǎn)以及自動(dòng)化專業(yè)特色，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及考核評(píng)價(jià)體系等方面對(duì)圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革。該方法注重教學(xué)內(nèi)容的整合與更新，并采用具有自動(dòng)化工程背景的實(shí)驗(yàn)教學(xué)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖像處理教學(xué)改革實(shí)踐創(chuàng)新

一、引言

圖像是人類獲取信息并進(jìn)行交流的一項(xiàng)重要手段，相比于聲音和文本信息，圖像信息更具有直觀性。圖像處理是指借助計(jì)算機(jī)來處理圖像，主要包括兩部分內(nèi)容：1.改善圖像信息便于后續(xù)分析；2.計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)理解。隨著計(jì)算機(jī)以及信息技術(shù)不斷地發(fā)展，人類對(duì)圖像處理技術(shù)需求也飛速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線、醫(yī)療、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全監(jiān)控以及衛(wèi)星遙感等諸多領(lǐng)域。可以說，圖像處理技術(shù)已經(jīng)完全融入人們社會(huì)生產(chǎn)和生活當(dāng)中。

圖像處理課程具有理論性較強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多且分散、多學(xué)科交叉等特點(diǎn)，而且學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理需要較強(qiáng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如線性代數(shù)、矩陣計(jì)算以及概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等。此外，圖像處理具有較強(qiáng)的工程背景，不同工程背景形成不同類型的圖像處理，如醫(yī)學(xué)圖像處理[1]、遙感圖像處理[2]等。南京郵電大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)具有濃厚信息技術(shù)特色，在建設(shè)圖像處理課程時(shí)應(yīng)突出自身優(yōu)勢(shì)，形成一門具有信息背景的特色課程。此外，近些年，企業(yè)和用人單位對(duì)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的圖像處理人才的需求日益增加。因此，亟待對(duì)當(dāng)前圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革，以滿足社會(huì)人才需求。結(jié)合南京郵電大學(xué)的信息特色，以當(dāng)前社會(huì)對(duì)圖像處理人才需求為導(dǎo)向，筆者將圖像處理課程教學(xué)進(jìn)行探索與改革。

二、課程教學(xué)改革具體內(nèi)容

圖像處理課程的教學(xué)目的是讓學(xué)生了解和掌握?qǐng)D像處理的基本內(nèi)容和方法，并具備一定的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。圖像處理課程一般面向高年級(jí)學(xué)生開設(shè)，學(xué)生普遍反應(yīng)興趣不高、知識(shí)點(diǎn)多且不宜掌握、實(shí)踐動(dòng)手能力差。針對(duì)這些問題，我針對(duì)圖像處理課程進(jìn)行了初步探索與改革。

（一）教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式

對(duì)于教材的選擇，我們采用岡薩雷斯等編寫的《數(shù)字圖像處理》[3]。該書是公認(rèn)的經(jīng)典數(shù)字圖像處理教材，包含了圖像處理大部分內(nèi)容。如果按照教材章節(jié)次序進(jìn)行授課，忽略各章節(jié)之間聯(lián)系，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不具有連貫性，效果較差。此外，隨著工業(yè)信息化不斷進(jìn)步，圖像處理也得到了快速發(fā)展，一大批優(yōu)秀成果被提出。如果僅講授教材內(nèi)容，勢(shì)必導(dǎo)致授課內(nèi)容跟不上學(xué)科發(fā)展，不利于學(xué)生掌握新知識(shí)、新方法。因此，我對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，采用專題教學(xué)并建立授課內(nèi)容更新機(jī)制。

專題教學(xué)按圖像處理工業(yè)應(yīng)用流程將授課內(nèi)容進(jìn)行劃分和整合，形成若干個(gè)專題，每個(gè)專題內(nèi)容形成一個(gè)完整、連續(xù)的模塊。此外，在岡薩雷斯等編寫的《數(shù)字圖像處理》基礎(chǔ)上，將目前一些具有代表性且具有很強(qiáng)應(yīng)用前景的研究成果納入到教學(xué)內(nèi)容中，并教材內(nèi)容進(jìn)行融合，形成如表1所示的5個(gè)教學(xué)專題。通過專題授課內(nèi)容，學(xué)生在理解圖像處理知識(shí)同時(shí)，也能掌握?qǐng)D像處理在工業(yè)應(yīng)用中的基本步驟，便于實(shí)際應(yīng)用開發(fā)與創(chuàng)新研究。

表1 圖像處理課程教學(xué)內(nèi)容專題分類表

在教學(xué)方式方面，傳統(tǒng)教學(xué)方式注重理論講解和公式的演算與推導(dǎo)，完全忽略了圖像處理這門課程對(duì)象的特點(diǎn)。相比大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生更傾向于圖像案例的演示。比如在講解圖像仿射變換時(shí)，得到仿射變換數(shù)學(xué)計(jì)算公式的同時(shí)給出具體的圖像變換例子，讓學(xué)生更加直觀地掌握仿射變換。通過圖像的顯示能一定程度上降低學(xué)生對(duì)理論公式的抵觸心理。此外，在講解具體算法時(shí)，利用Matlab或OpenCV等平臺(tái)對(duì)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)演示，通過演示分析算法每步對(duì)處理結(jié)果的影響，能極大地吸引學(xué)生的興趣，加深對(duì)算法的理解。選擇演示案例時(shí)注重自動(dòng)化工業(yè)背景，比如工業(yè)生產(chǎn)線檢測(cè)圖像、道路監(jiān)控圖像和電路圖像等。此外，在演示案例中增加討論環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在圖像處理課程中占有非常重要的地位，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)茌o助學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容理解與消化[4]。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要是一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新環(huán)節(jié)。為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)壓縮，增加具有自主研究開發(fā)的實(shí)驗(yàn)，盡可能在實(shí)驗(yàn)中能模擬實(shí)際工程中的圖像處理，讓學(xué)生在課內(nèi)了解工程應(yīng)用情況。結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)背景，針對(duì)專題內(nèi)容設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)，如表2所示。實(shí)驗(yàn)安排與上課進(jìn)度緊密結(jié)合，便于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)及時(shí)鞏固。

表2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排表

（三）考核評(píng)價(jià)體系

為了對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作和綜合知識(shí)運(yùn)用等方面有個(gè)全面客觀的評(píng)價(jià)，采用試卷考試(40%)、實(shí)驗(yàn)操作(20%)以及技術(shù)報(bào)告(30%)相結(jié)合的評(píng)價(jià)體系。技術(shù)報(bào)告主要是針對(duì)人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以3-5人為小組，設(shè)計(jì)從圖像預(yù)處理到識(shí)別的整體框架，并給出相應(yīng)測(cè)試結(jié)果，形成最終技術(shù)報(bào)告。此外，還增加過程考核對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)情況的監(jiān)測(cè)(10%)。多元評(píng)價(jià)體系能較客觀地反映學(xué)生對(duì)課程理解和運(yùn)用的綜合能力。

三、結(jié)束語

通過對(duì)現(xiàn)有圖像處理課程教學(xué)進(jìn)行分析，本文從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及考核評(píng)價(jià)體系等三個(gè)方面進(jìn)行改革，探討結(jié)合最新研究成果的專題教學(xué)、增加自主研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)、采用綜合評(píng)價(jià)體系。該教學(xué)方法能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力，為學(xué)生的就業(yè)以及繼續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]張國鵬，常小紅，劉洋，李寶娟，焦純，盧虹冰.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)學(xué)圖像處理》課程改革設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014(7)：147-149.

[2]胡德勇，鄧?yán)?，李家存，趙文吉.《遙感圖像處理》課程體系的建立與實(shí)踐[J].科技資訊，2013(14)：185-186.

[3]Gonzalez R C，Woods R E.阮秋琦，阮宇智（譯）.數(shù)字圖像處理(第三版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]李金萍，陸玲，劉自強(qiáng)，徐瑋.數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索-在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力[J].科技視界，2012(7)：23-24.

（責(zé)編 趙建榮）