主题式数字图像处理教学与学生创新能力培养的探寻论文

主题式数字图像处理教学与学生创新能力培养的探寻论文

　　1 引言

　　数字图像处理技术发展迅速，且应用范围极其广泛，在军事航天、遥感医学、通讯工业等等领域都有极其深远的影响。数字图像处理课程的开设，目的是使电子、通信、计算机专业等理工科的学生能够掌握数字图像的基本概念、理论及处理方法，能切实将生活中的数字图像处理问题进行抽象建模并动手编程解决，为其今后的科研、研发工作铺好坚实的基础。但也正因为该课的应用范围广，其涉及的基础理论知识、算法众多，属于一门典型的交叉的学科，因此在教学中存在着需要教授的内容章节多、难度跨度大(本科、硕士、博士均有数字图像处理课)、理论算法抽象且复杂等难点，学生不容易找着重点，或者很容易出现畏难情绪，对知识的掌握吸收不利，更谈不上进一步的创新。以电子、通信专业大三学生为授课主体，笔者针对以上问题，提出了以主题方式开展数字图像课程教学，通过形象感官地处理实例深入浅出解析课程中的理论算法，并进一步结合一系列不同性质的实验，让学生从知道应该怎么做，到为什么这样做，最终到我要怎么做，培养起学生的学习兴趣和创新能力。通过几个学期的实践证明，这种方法在教学中具有明显的预期效果，很好地弥补了传统的数字图像处理教学方法的不足。

　　2 数字图像处理教学难点与分析

　　数字图像处理课程属于信息类专业必修课，在大学开设多年，传统的数字图像处理教学以教为主，学生学习起来枯燥、知识掌握困难。随着该门课程越来越广泛的应用，其地位与日俱增，各个高校都予以了高度重视，对实践也逐渐重视，提出了实践教学改革、实例教学等尝试，取得了一系列的教学成果[2-3]，通过实践也使学生更易掌握重要知识点，加强动手能力。但是该门课程仍存在两个较难克服的教学难点。第一，数字图像处理涵盖的章节内容非常多，学生容易混淆，学习易产生疲劳情绪，而在本科有限的学时数中也难以兼顾。内容包括图像采集、图像变换、图像增强、图像复原、图像压缩编码、图像分割、图像描述、图像识别、数学形态学处理、彩色图像处理等等，跨度很大，这与该课的应用领域广泛是息息相关的。第二，课程牵涉的需要前期先修的基础知识多，比如需要先修复变函数与积分变换、线性代数、信号与系统、数字信号处理、数字电路、专业英语等等。涉及的数学知识内容多，理论公式推导多，导致学生听课热情降低。如在图像的频域变换一章中涉及了离散余弦变换、K—L变换、离散沃尔什一哈达玛变换、小波变换等。如果只是片面依靠讲授理论公式的推导，把大量的`教学课时用在理论性较深的章节中，而忽略了这些理论知识与实际应用的紧密结合，会导致学生兴趣低落，不利于学生应用能力的培养。以上两个难点的克服以及其克服程度，是关乎“数字图像处理”课程能否为学生们接受，取得较好的教学效果，并调动学生学习积极性、创新性的关键。本文提出了主题式教学方法，结合实例演示、实验验证、启发的方法克服以上难点。

　　3 主题式教学模式探索主题式

　　教学模式，是指按教学内容相关性和难易程度，对图像处理教学内容进行分类，并采用主题式教学方法开展课堂教学。每个主题可以各成一个相对独立的体系，但又具有一定的前后相关性和相辅相成性。这部分工作将数字图像处理教学内容分为本科、研究生两种难度。本科的教学内容相对基础、容易理解，而研究生阶段的教学主要是高层次的图像理解。两者划分还要考虑到前后关联性，内容相对独立完整性，以及教学时数的限教改教法72制等因素。对本校 36 学时的本科教学，作者选取了图像处理的基础入门内容———数字图像的基本处理方法进行主题分割。将总体教学内容分成绪论、图像及其数字化、图像变换、图像增强、图像分割、图像编码与压缩六个主题，并循序渐进。绪论对数字图像处理技术的由来、当今的广泛应用以及未来的发展趋势进行介绍，用过去、现在、未来这样清晰的时间发展线索，用讲故事的方式，让学生迅速了解该技术的历史、重点、重要性，激发学生的学习兴趣。图像及其数字化涵括像素、数字图像的概念，图像的数字化方法，以及整个数字图像处理系统的组成。

　　让学生对什么是数字图像，它是怎么构成的，怎么得到、处理数字图像有一个系统的了解。为后续的各章节做了一个很好的铺垫。在图像的变换主题中讲述为何要将图像从我们已了解的时域、空间域变换到别的域来对图像进行新的表示和处理，通过对 FFT、DCT、小波等基本变换的方法和应用的介绍，让学生充分了解变换到非时空域处理问题的好处与前提，如何做这种变换，以及这种变换的用途。有了前面几个主题的铺垫，图像增强主题自然引出，该主题内容较多，包括点运算中的灰度变换和直方图修正法，区域运算中的平滑和锐化。目的是让学生对空间域的图像增强处理的必要性、效果与处理的具体方法有感性的了解。图像分割主题紧跟图像增强主题中的锐化问题引出，既然边缘和轮廓已被增强，那检测边缘并将目标分割出来就成了顺理成章的事。该主题除了介绍分割的两类方法———区域分割和边界分割外，主要让学生理解分割的目的和要达到的效果。还介绍了最后一个主题———图像压缩，从压缩的重要性，压缩要达到的标准，以及压缩的具体方法三方面阐述，使学生不仅会压缩，而且知道什么样的才是一个好的压缩。为今后的相关工作打好坚实的基础。

　　4 学生的创新思维能力的培养

　　除了将教学内容以循序渐进主题模式进行合理划分，为每个主题定下明确的学生学习目标外，在每个主题的讲授中还要结合一些技巧，让学生在思路清晰、目标明确的前提下，进一步对知识的理解、运用了然于胸，并进一步激发学生的创新意识。这方面需要做的工作包括：针对教学中理论性较强、公式推导过多的内容，在讲解的过程中，尽量将理论知识与实验实践结合，使复杂的问题简单化，将理论化为容易理解接受的形象图像展示。通过验证实验、设计性实验、课程设计不同的实践方式让学生从逐渐理解、尝试运用，到能产生自己的创新想法并实现，逐步培养、激发学生的创新思维能力。针对复杂理论的讲解，一定要形象化。比如图像变换中对图像与其频域显示相关性的阐述。采用公式算法或抽象语言很难让学生理解与消化。可以采用简单图像的变换结果的比较形象的展示。如图1 中，通过对简单黑底中白条的旋转了解频率高低与原图的关系，通过细节稍有不同的两幅简单的十字图，了解细节对频谱的影响，从而可推断出“高频反应细节，低频反映轮廓”的结论。又比如在讲解图像增强中直方图均衡理论时，如果从直方图均衡化前后的对比效果图人手，让学生先直观地了解直方图均衡化的作用和应用，再来讲均衡化处理的原理和步骤，并且让学生思考直方图均衡化在实际生活中的应用，更能够带动学生的听课积极性。在学生创新思维培养方面，针对每个主题设计配套的验证性、设计型实验，在收到较好的效果时，进一步提出课程设计内容。让学生由简到难，从初步理解到懂得怎么做，再到我想怎么做，一步步把学生的创新能动性调动出来。比如，在讲图像分割专题时，首先请大家参考教材资料，用Roberts 算子、Sobel算子、Prewitt算子、LOG 算子进行图像分割的算法验证，了解不同算子进行图像分割的效果和原理。通过不同算子之间的比较更进一步了解分割效果与算子模板的关系。然后请大家设计一个对显微镜下细胞图像进行分割的实验，要求寻找或自己设计一个适合细胞图像的边缘检测算子。最后，对学有余力的同学可以让其完成一个完整的细胞统计系统的课程设计，从算法的编写、GUI界面的设计等方面发挥自己的主观能动性，设计一个体现自己鲜明个性与选择性功能的细胞统计系统，例如可选择是否进行图像文件的打开挑选、保存、退出，还是直接采用默认图像，手动或自动进行细胞分割等等。

　　这样，一方面，学生通过验证型实验可巩固每个主题的理论知识，并总结各个实验，进一步进行比较全面的实验设计，实现更综合的图像处理的功能;另一方面，学生通过代码的改写或调试，在已有知识的基础上能培养自己的创新思维，发挥自己的创新能力，达到将数字图像处理技术灵活应用的程度。5 总结本文提出了采用主题式教学和分层递进式实验设置改革数字图像处理的教学方式。详细阐述如何对主题进行划分，以及确定每个主题的内容、目标及重点。用频谱图的具体比对例子，对复杂理论讲解难点的解决方法进行说明。又采用图像分割主题中，不同难易程度及性质的实验安排对如何激化学生的学习热情与创新能力进行举例解释。清晰阐述了一个新的教改观点。实践结果也表明，本文所提的方法是切实可行的，在本校本科专业的学生教学中取得了良好的效果，对数字图像处理教学的进一步改进具有一定的参考意义。