《数字图像处理》课程教学研究

2022-09-11

数字图像处理是当今信息处理技术中发展很快且应用面很广的新兴学科, 已经渗透到计算机、通信、医学、生物学、军事等各个领域, 甚至与人们的生活也紧密相关。数字图像处理是理论性和实践性都很强的学科, 是许多高等学校信息类专业的重要专业课程, 其教学目的是使学生了解和掌握数字图像处理的主要方法与技术, 为今后的深入研究和开发工作打下良好的基础。然而, 由于数字图像处理技术涉及的知识面广, 理论较深奥, 同时其内容也在不断丰富之中, 如何保证和提高数字图像处理课程的教学质量是值得认真思考的实际问题。本文从教学、实践和考核等五方面详细分析了数字图像处理课程教学研究的关键环节。

1 教材建设

近几年来, 随着计算机多媒体技术、现代通信技术和生理仿真计算技术等的迅猛发展, 数字图像处理领域也不断涌现许多新的算法、新的技术, 比如小波变换、神经网络、遗传算法等新方法在早期的教材中都没有提到。更新教材势在必行, 而教材的选用应紧跟学科发展的脚步, 在把经典的理论和方法教给学生的同时, 使学生掌握数字图像技术最新的技术, 理解其发展趋势和发展前景。

在教材建设和选用上, 目前已形成以计算机图像系统、数字图像基础、图像增强处理、图像复原、彩色图像处理、图像压缩、形态学处理、图像分割和图像表示与描述为基本教学内容, 以广泛介绍新技术、新算法和数字图像处理新的应用为主的教学思路。教学过程中既要注重优秀教材和参考书的选取又不能拘泥于教材, 采用课堂教学、学生自学、上机实验多种教学方式, 并给学生适当地介绍学科发展的前沿知识。此外, 数字图像处理是一门实践性很强的学科, 针对上述课堂教学内容的基础和重点, 结合高校自身专业特点, 有针对性地自编课程实习指导材料, 以提高学生的实践能力。

2 教学内容建设

由于数字图像处理技术理论较深奥, 涉及的知识面广, 学习该门课程时要求的基础知识较多, 考虑到高校自身专业的特点, 其教学内容分为以下九讲:第一讲, 数字图像基础, 简要介绍人眼视觉感知特性、数字图像的获取、数字图像的取样和量化、数字图像处理技术的分类、数字图像处理的特点、主要方法及主要内容, 数字图像处理的硬件设备和发展动向。第二讲, 空间域图像增强, 介绍图像的空域增强技术, 包括灰度变换、直方图处理、算术/逻辑操作增强, 以及空间滤波器基础。第三讲, 频率域图像增强, 介绍图像的频率域增强技术, 包括Fourier变换和频域、频域滤波器技术及实现算法。第四讲, 图象恢复, 介绍数字图像的恢复技术, 包括图像的退化/恢复模型、噪声模型、周期噪声的频率域消除技术、退化函数的估计、逆滤波、最小均方误差滤波、几何滤波等。第五讲, 彩色图像处理, 介绍彩色图像的处理技术, 内容包括颜色模型、伪彩色处理、全彩色图像处理、彩色变换、彩色图像的平滑和锐化等。第六讲, 图像编码, 介绍数字图像的编码技术, 内容包括图像压缩的理论基础和编码压缩模型、有损压缩、无损压缩及国际图像压缩标准。第七讲, 形态学处理, 主要介绍数学形态学的图像处理方法, 包括图像的腐蚀和膨胀、开操作与闭操作、击中与击不中变换以及一些其它的基本形态学算法等。第八讲, 图像分割, 介绍图像分割技术, 包括间断检测、边缘连接和边界检测、门限处理、区域分割几种基本算法等。第九讲, 对象表示和描述, 介绍图像中分割对象的表示方法和描述技术, 如边界描述子, 区域描述子, 主分量描述方法, 以及关系描述等。

本门课程的教学分为课堂授课和上机实验课。本课程的基础知识部分主要通过课堂授课方式进行组织。授课过程中主要由教师重点讲解课程要点和难点, 介绍学科前沿领域及其最新研究进展, 介绍教科书中没有列出的背景知识, 穿插较多的课堂讨论, 提出供学生思考和讨论的问题。通过课堂授课, 使学生了解课程的主要内容, 掌握基本概念和课程要点。为了加强学生对理论知识的理解和提高学生实际的动手能力, 本课程还安排相应的六项实习内容:图像增强 (空域和频域) 、图像恢复、彩色图像处理、图像压缩、形态学处理实验、图像分割。通过实习课程, 一方面使学生加深对相关理论知识的理解, 另一方面也培养学生实际操作技能, 提高学生的实践动手操作能力。

3 教学方法与手段的研究与改革

以有利于课程内容的学习和取得良好的教学效果为原则, 同时充分体现互动教学的特点, 注重教学方法研究与教学手段建设。

3.1 教学方法研究

在采用课件教学过程中, 注重现代化教学手段与传统教学的结合, 教学内容与教学方法的优化组合, 以启发式教学法为主, 贯彻“少而精”的原则, 结合具体应用实例, 提高学生学习兴趣, 激发学生自主探索与研究的积极性。再者, 这门课程的内容很多是大串的枯燥繁冗的公式推导, 因此在授课的过程中注意对公式原理的总结和归纳是重要的, 并且通过黑板板书进行简单实例计算演示 (如模版运算、傅立叶变换计算) , 使得学生易于理解和掌握。

3.2 教案电子化和网络化

按照教学大纲要求认真撰写教案, 所有教案均制成电子教案演示, 教学内容达到图、文、声并茂, 并全部在网上共享。在教学中不断的更新和完善, 使教学内容尽可能的为最新成果, 使课程教学具有现代性;根据上课对象和授课学时, 制定教学日历, 更新电子教案, 并实现教案网络化。

3.3 更新教学手段, 采用现代化手段教学

根据数字图像处理课程理论知识比较深奥, 实践性强、应用领域广的特点以及现有教学设备、环境的改善, 采用Power Point技术制作教学课件。这样能缩短学时, 提高教学效果;促进教改, 优化教学过程;提高学生自学和动手能力, 增强信息素养;大大提高实验效果和学生的兴趣, 获得优良的教学效果。课程的教学大纲、授课教案、教学课件、习题、实验指导、参考文献目录等均上网, 从而为实现教学资源共享、开展多种形式的教学奠定基础。

4 实践教学

为加深学生对数字图像技术的理解, 掌握主要数字图像处理的基本方法和过程, 教学实习已成为本课程不可缺少的重要教学环节。实践教学建设与改革的重点体现在:

4.1 实习教学的体系和内容

为充分体现该课程基础理论、技术方法和应用的三大特征, 使理论教学与实践教学并重, 大力改革实习教学的体系和内容。将该课程实习分为课间实习与集中实习两部分:课间实习内容主要为基础性操作 (如图像增强、图像分割、彩色变换等) 和验证性实习项目 (形态学处理、边缘检测等) ;集中实习内容主要是具有探索性、创新性与应用性的实习项目, 具体任务由教师指定数个备选题目 (如图像压缩编码、图像信息提取和识别等) , 学生从中选择自己感兴趣的任务题目, 或者由学生根据自己的兴趣爱好自定综合实习题目, 比如有的学生就选择了自己比较感兴趣的连续视频图像的文字提取作为自己的综合实习题目。学生在理论学习基础上, 经过实习与应用的实践过程, 开拓了视野, 促进了创新思维, 提高了实际动手能力和创新能力, 对数字图像处理这门课程和技术也更有兴趣。

4.2 实习教学手段

“数字图像处理”实习内容包括图像处理软件操作 (Matlab软件操作) 、图像处理算法设计和综合应用等。以往的实习, 指导教师在实习前花较多时间讲解实习目的、实习内容、实习要求和实习步骤等, 结果导致学生自己动手实习的时间不够用。现在指导老师采用实习教学课件教学, 并编写配套实习指导书, 学生在实习课件和实习指导书辅助下, 不仅能完成实习, 而且能有更多时间探讨算法的优缺点, 深入分析实验结果, 进一步巩固和消化所学理论知识, 从而提高了学生理论联系实际和独立动手的能力。

5 考核方法

考试对于学生学习内容的掌握、实验技能的提高、求新创新能力的培养具有很大的促进作用。然而, 传统的课程考核手段主要考核学生对课堂教学的内容的理解和掌握, 而不是考核学生发现问题、分析问题和解决问题的能力, 不利于学生创造能力的培养;另外, 学生在学习过程中常常出现平时不努力, 考前突击的情况, 为了抓平时的学习, 加强能力培养, 考核方法体现了综合性, 将平时的听讲、回答问题、作业的情况列入平时成绩, 课程最终的考核成绩综合期末考试成绩 (占40%) 、实习成绩 (40%) 和平时成绩 (占20%) 得出。

6 结语

数字图像处理技术在不断发展, 其应用领域也在继续扩大, 相应地, 数字图像处理课程的教学改革和实践也应与时俱进, 不断吸收新知识, 丰富教学内容, 使学生真正学到既先进, 又实用的技术。因此, 数字图像处理教学就应以现代教育思想为指导, 根据现阶段图像处理技术的发展, 结合国内外科研和教学成果, 不断更新和补充教学内容;根据教学内容灵活运用各种教学方法, 充分运用现代教育技术和教学手段, 使学生在掌握数字图像处理基本理论和方法的基础上, 具有一定的实际操作的能力, 同时进一步提高教学质量和教学水平。

摘要：数字图像处理技术是一门发展很快且应用面很广的新兴学科。本文从教材建设、教学内容建设、教学方法与手段的研究与改革、实践教学和考核方法等方面入手, 探讨了数字图像处理课程建设和教学改革的关键环节。

关键词：数字图像处理,教学改革,实践教学