基于新工科的數(shù)字圖像處理教學(xué)案例庫建設(shè)

陳國(guó)軍 程 琰

（[1]中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東·青島 255580；[2]中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 河北·廊坊 065201）

教育部發(fā)布《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》以來，各地高校開展了“新工科”的研究實(shí)踐活動(dòng)，從而進(jìn)一步深化工程教育改革，推進(jìn)“新工科”的建設(shè)與發(fā)展。與老工科相比，“新工科”更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重信息通訊、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。

在“新工科”背景下，多所高校對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行了教學(xué)目標(biāo)、方法、實(shí)驗(yàn)等方面的改革，特別是案例庫建設(shè)，從單一的原理算法應(yīng)用向更具實(shí)用性、學(xué)科交叉性及先進(jìn)性的應(yīng)用發(fā)展。如國(guó)防科大、電子科大、南航等高校從數(shù)字圖像處理課程案例庫的規(guī)范定義、素材來源、實(shí)施過程質(zhì)量控制等方面進(jìn)行改革。[1-3]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在眾多領(lǐng)域起著重要的作用，為此，一些行業(yè)特色的院校在圖像處理課程建設(shè)中增加了具有行業(yè)特色的案例，如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的礦井圖像的增強(qiáng)與復(fù)原、[4]景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)的陶瓷生產(chǎn)線檢測(cè)、[5]武警工程大學(xué)的紅外圖像目標(biāo)識(shí)別與定位[6]等，培養(yǎng)學(xué)生在行業(yè)特色背景下圖像工程的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

隨著傳統(tǒng)石油石化行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和機(jī)械智能化的發(fā)展，迫切需要既懂計(jì)算機(jī)知識(shí)又懂石油石化專業(yè)理論的復(fù)合型人才的加入，為傳統(tǒng)的石油石化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造奉獻(xiàn)自己的一份力量。為了引導(dǎo)學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，也能將數(shù)字圖像處理與石油石化行業(yè)相結(jié)合，本文提出建設(shè)一套由基礎(chǔ)案例、專題案例、綜合案例構(gòu)成的數(shù)字圖像處理教學(xué)案例庫，同時(shí)，案例庫的內(nèi)容結(jié)合新工科理念及石油行業(yè)特色，由淺至深引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)及石油類行業(yè)知識(shí)，使學(xué)生加深對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)的理解，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合多種數(shù)字圖像處理技術(shù)輔助解決石油勘探開發(fā)的問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

1 教學(xué)案例庫的設(shè)計(jì)

我校計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)與軟件工程專業(yè)開設(shè)計(jì)算機(jī)圖像處理課程以來，課程內(nèi)容不斷更新發(fā)展。在初期以理論為主的課堂教學(xué)活動(dòng)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏對(duì)工科行業(yè)及圖像處理的融合理解，無法將數(shù)字圖像處理技術(shù)與工科行業(yè)相結(jié)合，在課后的編程過程中僅固守于教師課堂中所講述的內(nèi)容。此外，數(shù)字圖像處理作為一門公共專業(yè)選修課程，除了圖形圖像研究方向的研究生修讀本課程外，石油工程、機(jī)械自動(dòng)化等專業(yè)的學(xué)生選課人數(shù)也在逐年增加。

為了使不同領(lǐng)域?qū)W生能夠系統(tǒng)性學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程，作者加強(qiáng)案例教學(xué)，貫徹“工學(xué)結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向”的課程教學(xué)模式，融合石油行業(yè)特色，并結(jié)合現(xiàn)有的新技術(shù)和科研項(xiàng)目，總結(jié)出應(yīng)用性較強(qiáng)的綜合案例，以提升學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理的理解，滿足不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)W生的課程需求，拓展各領(lǐng)域?qū)W生的專業(yè)視野及創(chuàng)新能力。

本文教學(xué)案例庫的設(shè)計(jì)主要由案例素材選取和案例內(nèi)容編寫兩個(gè)階段構(gòu)成。

1.1 案例素材選取

章毓晉根據(jù)抽象程度和研究方法等方面的不同，將圖像工程從低到高劃分為圖像處理、圖像分析、圖像理解3 個(gè)層次。[7]本文依據(jù)圖像工程3 個(gè)層次所涉及的圖像技術(shù)確定每個(gè)案例的主題方向，從基礎(chǔ)的圖像處理技術(shù)出發(fā)，針對(duì)圖像增強(qiáng)技術(shù)、圖像變換技術(shù)、圖像分割技術(shù)、特征提取技術(shù)及其綜合的高級(jí)圖像技術(shù)建立教學(xué)案例庫，以達(dá)到提高專業(yè)學(xué)位研究生課程教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

通過分析石油行業(yè)特色，融合互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能為核心的新工科理念，并結(jié)合現(xiàn)有的新技術(shù)和科研項(xiàng)目，根據(jù)圖像處理的3 個(gè)層次對(duì)數(shù)字圖像處理課程的每類案例素材進(jìn)行選取。

1.2 案例內(nèi)容編寫

每個(gè)案例編寫的基本內(nèi)容主要包括：相關(guān)圖像處理技術(shù)的重難點(diǎn)，案例的名稱和內(nèi)容，案例的分析過程，教學(xué)方式，思考和討論內(nèi)容等。除了這些基本內(nèi)容外，每個(gè)案例還制定了供測(cè)試用的數(shù)據(jù)、算法理論、引例程序。其中，算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)合軟件平臺(tái)（如Visual Studio、MATLAB、OpenCV、Shader）、新技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)）和新硬件技術(shù)（如GPU）。

在案例庫設(shè)計(jì)方面，結(jié)合國(guó)內(nèi)外經(jīng)典案例、工業(yè)應(yīng)用案例及科研課題，建立1 套由基礎(chǔ)案例、專題案例、綜合案例構(gòu)成的數(shù)字圖像處理教學(xué)案例庫，提高學(xué)生的工程應(yīng)用及創(chuàng)新實(shí)踐能力。本課程案例庫的建設(shè)涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)相關(guān)的12 個(gè)案例，案例素材選自國(guó)內(nèi)外經(jīng)典案例、工業(yè)應(yīng)用案例及科研課題。案例庫的具體分布如表1 所示。

表1 案例庫

2 教學(xué)方式設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)方式調(diào)整

除教學(xué)案例進(jìn)行加強(qiáng)外，課程教學(xué)方式也進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)整，加入課外案例學(xué)習(xí)、課內(nèi)專題案例討論及案例的編程實(shí)現(xiàn)，通過豐富的課堂教學(xué)內(nèi)容，拓展不同專業(yè)領(lǐng)域?qū)W生的軟件開發(fā)思路，將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用至其他專業(yè)領(lǐng)域。課程教學(xué)方式進(jìn)行的相關(guān)調(diào)整如下：

2.1.1 調(diào)整課程內(nèi)容

在初期的課堂教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏圖像處理技術(shù)的興趣，對(duì)其可應(yīng)用領(lǐng)域缺乏認(rèn)知，可拓展性差。針對(duì)如上問題，在課程內(nèi)容方面進(jìn)行調(diào)整：一方面，精簡(jiǎn)技術(shù)相對(duì)成熟的知識(shí)點(diǎn)，如圖像壓縮和圖像恢復(fù)不再作為單獨(dú)章節(jié)介紹，而作為圖像變換和圖像增強(qiáng)里的案例進(jìn)行說明；另一方面，開展案例庫的教學(xué)，案例庫的設(shè)計(jì)融合石油領(lǐng)域行業(yè)特色，并與人工智能技術(shù)、軟硬件新技術(shù)及多學(xué)科的交叉結(jié)合，根據(jù)前沿的圖像處理技術(shù)進(jìn)行更新變換。通過具有行業(yè)特色核心和新技術(shù)的案例庫教學(xué)，提升學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)的興趣。

2.1.2 加強(qiáng)案例教學(xué)

為使學(xué)生系統(tǒng)性學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理課程，作者摒棄初期的單一案例教學(xué)方式，將案例教學(xué)進(jìn)行加強(qiáng)，貫徹“工學(xué)結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向”的課程教學(xué)模式，融合石油行業(yè)特色，并結(jié)合現(xiàn)有的新技術(shù)和科研項(xiàng)目，總結(jié)出應(yīng)用性較強(qiáng)的綜合案例，如：基于OpenPose 的人體姿態(tài)監(jiān)控、數(shù)字巖心三維重建、基于圖像的鋼材腐蝕檢測(cè)等綜合案例。

以數(shù)字巖心三維重建為例，該綜合案例基于OpenCV對(duì)采集的致密油藏儲(chǔ)層巖心CT 圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理、優(yōu)選切片組、對(duì)骨架孔隙進(jìn)行分割，并基于OSG 重建低分辨率的3D 數(shù)字巖心。該案例利用數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)解決石油勘探開發(fā)中所遇到的實(shí)際問題，通過生產(chǎn)實(shí)際案例，加深學(xué)生對(duì)石油領(lǐng)域以及多領(lǐng)域融合應(yīng)用案例的理解。

案例庫的教學(xué)，由淺至深引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)，加強(qiáng)各案例之間的關(guān)聯(lián)度，開拓學(xué)生的思路，使學(xué)生更加系統(tǒng)地掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)，并能夠自主地將各個(gè)案例進(jìn)行串接，進(jìn)行與專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的圖像處理開發(fā)，解決自身專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的圖像處理問題。

2.2 案例教學(xué)實(shí)施

為了更好地培養(yǎng)研究生的自學(xué)能力、獨(dú)立分析問題和解決工程實(shí)際問題的能力，除課程教學(xué)方式進(jìn)行相關(guān)調(diào)整外，實(shí)施案例教學(xué)的方式方法也需要進(jìn)行調(diào)整，教師應(yīng)以課程相關(guān)案例進(jìn)行教學(xué)任務(wù)，研究生則應(yīng)圍繞案例進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐，以提升自身的綜合實(shí)踐能力。在案例教學(xué)的實(shí)施方面，作者在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式兩個(gè)方面進(jìn)行如下調(diào)整：

2.2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

在案例教學(xué)中，引入實(shí)用性和前沿性的教學(xué)案例，并將案例貫穿于整個(gè)教學(xué)內(nèi)容之中，有利于學(xué)生系統(tǒng)地、深入地掌握數(shù)字圖像處理技術(shù)，如：在專題案例部分，引入機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)案例，并展示該方法在其他專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使學(xué)生加深對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的理解與應(yīng)用；在綜合案例部分，結(jié)合最新的科研課題，引入數(shù)字巖心三維重建、鋼材腐蝕檢測(cè)等內(nèi)容，實(shí)用、前沿的教學(xué)案例則有利于開闊學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.2.2 教學(xué)模式的調(diào)整

打破常規(guī)的教學(xué)模式，建立并實(shí)施開放型的案例教學(xué)模式，采取課外閱讀、集中授課、專題討論與編程相結(jié)合的教學(xué)方式。

在授課之前，要求學(xué)生通過課外閱讀，思考案例內(nèi)容，并自學(xué)一款數(shù)字圖像處理工具（如OpenCV、MATLAB 等），運(yùn)用自學(xué)的工具制作自擬的數(shù)字圖像作品，通過親身實(shí)踐體驗(yàn)數(shù)字圖像處理技術(shù)帶來的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理課程的興趣、自主學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力。在集中授課時(shí)，教師首先在課堂中采用動(dòng)畫課件、錄像教學(xué)、程序演示等多媒體教學(xué)方法，向?qū)W生展示圖像處理在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，如：車牌識(shí)別、數(shù)字巖心三維重建、鋼材腐蝕檢測(cè)、姿態(tài)分析等，以經(jīng)典案例說明圖像處理應(yīng)用的廣泛性，同時(shí)，教師對(duì)課程所涵蓋的案例進(jìn)行解析，編程展示不同算法下的圖像處理效果，并對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)比，使學(xué)生加深對(duì)各經(jīng)典圖像處理算法的印象，使其在自主編程過程中能夠選取合適的算法進(jìn)行圖像處理或創(chuàng)新。在專題討論時(shí)，學(xué)生可將課前實(shí)踐、課后思考時(shí)遇到的問題向教師進(jìn)行提問，與教師進(jìn)行專題討論，加深其對(duì)案例要點(diǎn)的理解與應(yīng)用。在編程實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過編程完成教學(xué)案例或自擬項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)。

在授課過程中引入教學(xué)案例庫資源，將各個(gè)案例進(jìn)行串接，貫穿于整個(gè)教學(xué)內(nèi)容之中，不僅能夠改變單一案例教學(xué)的古板、枯燥，也有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3 案例庫教學(xué)成效

通過數(shù)字圖像處理課程的學(xué)習(xí)與案例庫的實(shí)踐，師生雙方進(jìn)行互動(dòng)討論，學(xué)生通過分析并做出決策，從而更好地培養(yǎng)研究生的自學(xué)能力、獨(dú)立分析問題和解決工程實(shí)際問題的能力。通過在課堂中進(jìn)行多領(lǐng)域圖像處理技術(shù)的案例解析，學(xué)生結(jié)合自身的研究方向、項(xiàng)目實(shí)踐，進(jìn)行了數(shù)字圖像處理相關(guān)的研究與創(chuàng)新，如：在頭部姿態(tài)估計(jì)方面，將基于幾何的方法與基于學(xué)習(xí)的方法相結(jié)合，進(jìn)行實(shí)時(shí)頭部姿態(tài)估計(jì)；[8]在石油鉆采方面，融合了數(shù)字圖像處理技術(shù)提高鉆井效率，如基于隨鉆方位伽馬測(cè)井的地層傾角自動(dòng)識(shí)別。[9]

數(shù)字圖像處理作為一門專業(yè)選修課程，在加入案例庫的教學(xué)后，選課人數(shù)從2014 年的16 人增加至2018 年的41 人，占我院研1 年級(jí)學(xué)生人數(shù)的一半左右。此外，除圖形圖像研究方向的碩士生修讀本課程外，其他研究方向的學(xué)生選修本課程的人數(shù)也在逐年增加。

4 總結(jié)

通過反思課堂教學(xué)，以石油高校背景為依托，結(jié)合新工科理念及石油行業(yè)特色，提出建設(shè)一套由基礎(chǔ)案例、專題案例、綜合案例構(gòu)成的數(shù)字圖像處理教學(xué)案例庫。并將案例庫融入到課程實(shí)際教學(xué)之中，為學(xué)生搭建易實(shí)踐、易拓展的案例庫平臺(tái)。通過案例教學(xué)，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理課程的興趣，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合多種圖像處理技術(shù)處理工程問題，使得學(xué)生能在掌握課程理論的基礎(chǔ)之上，充分掌握?qǐng)D像處理的相關(guān)方法與技術(shù)，并能夠結(jié)合前沿技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)、GPU 技術(shù)）進(jìn)行圖像處理算法的創(chuàng)新研究，使圖像處理算法的執(zhí)行效果和性能得到提高。

同時(shí)，通過及時(shí)跟蹤數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展前沿，不斷更新和豐富本課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式，兼收并蓄，不斷探索，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面更符合企業(yè)人才需求，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)多領(lǐng)域融合的優(yōu)秀工程師打下了基礎(chǔ)。