数字图像处理论文范文

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二、教学改革成果与分析

2013年以信息与计算科学专业11-1班为对照班，2014年以信息与计算科学专业12-1班为实验班，2个班级学生的学时数一样，学生起步几乎也是一样，讲授的数字图像处理课程主要内容相同．在11-1班中采用的是传统教学模式，讲授理论上的图像处理原理和方法；在12-1班中采用项目教学法进行教学．为了验证在数字图像处理课程中应用项目教学法的效果，对2个班级分别进行了数字图像处理理论知识测试和编写一个图像边缘提取的程序．理论知识测试结果见表1（满分100分）．编程题是通过在线考试系统完成的，由计算机给出的成绩，编程题测试结果见表2（满分20分）．

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中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2013）05-216-02

一、引言

随着电子和信息技术的迅速发展，数字图像处理已成为当今信息处理技术中发展很快且应用面很广的新兴学科之一。“数字图像处理”课程也成为了高校本科计算机与信息类专业的一门专业核心课程。但由于数字图像处理学科所涉及的知识面广，理论复杂，对数学基础的要求高，实践环节动手能力要求强，其课程内容也在不断更新丰富。在以往传统教学过程中呈现出了以下弊端：（1）教材中大量理论和算法推导给学生的学习带来困难；（2）单一的单机版多媒体教学，无法满足学生对新知识、新技术、新应用的了解和深入学习；（3）没有完善系统的实验指导书，促使学生学习的积极性下降，导致实验效果不佳；（4）没有实际项目作为应用锻炼，造成理论与实践脱钩，无法激发学生的学习动力和兴趣等。

针对数字图像处理教学过程中出现的上述问题，国内很多教学专家和学者，结合自己的实际教学过程，各抒己见，陆续提出了很多宝贵的改革建议和方案，取得了相应的教学改革成果。如山东工商学院的魏广芬和王永强等于2009年针对“数字图像处理”课程和学生特点，介绍了教学过程中实施的一些改革措施，包括采用现代化教学手段，“设问-思考-引导-尝试-总结”的教学模式和学生分组的学习方式，加强实验和课程设计教学环节以及完善评分机制等方面。并对教学过程中发现的相关问题进行探讨。西北民族大学的李向群和王书文于2010年从教学内容建设、教学手段改革、实验环境建立、考核方式改革等方面入手进行了深入细致的探讨，并将这些方法应用到实际教学过程中，收到了较好的效果。中国传媒大学的吕朝辉也于2010年根据数字图像处理课程的特点，探讨了本门课程的教学改革和实践，经过五年来的教学实施，取得了良好的教学效果。南通大学的赵敏于2011年，针对该课程的特点，论述了在教学中引入案例教学法的可行性和具体实施方案。

通过对上述数字教学改革的学习和研究，结合我校“大德育，大工程，大实践”的办学理念和信息与计算科学专业“3+1”教育模式（本专业“3+1”教育模式是指3年在学校完成理论课学习，1年在软件实习公司等完成工程实训、生产实习、毕业实习和毕业设计等实践环节，以培养应用型人才为培养目标）及本科生的特点。对本专业数字图像处理课程的教学进行了改革研究和实践。建立了一个以学生为主体，以现代网络多媒体教学为平台，以大学生科研立项为载体，以大学生就业或考研深造为目标的一套较为完善的数字图像处理课程教学体系结构。

二、课程改革内容

结合传统教学中存在的问题，和现代网络多媒体教学建设的需要。本课题研究内容主要将通过教学内容、教学方法、教学手段和考核机制来探索和实施。

1.优化教学内容。数字图像处理课程的基本内容包括图像处理的基础知识、图像增强、图像变换、图像分割、图像复原、图像特征提取与选取以及图像压缩编码等知识。但随着信息化时代知识的加快更新、技术快速革新，数字图像处理课程已成为模式识别和计算机视觉等新学科的基础，并根据学生就业需求的主线要求。通过对教学内容的深入研究，在本专业新版教学大纲中，对授课内容中要求以基础理论知识为基础，把相关的科研项目和实际项目渗透到授课中。例如在介绍图像处理的基础知识的时候，我们可以结合案例驱动来讲述图像处理的过程；将车牌识别、人脸识别、笔记识别等实际项目穿插到图像增强、图像分割、频域处理以及特征提取与选取中。同时，我们把信息熵、模糊数学和小波分析等概念渗透到部分章节中，并给出该理论解决问题的结果，以提高学生学习新理论的兴趣，促使部分同学自学新的理论，培养学生的自学能力。在讲述专业基础知识的过程中，我们将适时地增强相关的软件的学习和资源库的介绍，例如通过实验和实训的教学加强学生对Matlab和VC++等语言的学习和实践。通过CNKI和IEEE Tran文章的介绍，提高学生对最新科研成果的了解，激发学生学习的兴趣，培养学生对新事物的学习能力。鼓励学生进行大学生参加校内科研立项，引导学生分析问题和解决实际问题的能力，进一步提高学生的综合素质能力。

2.丰富教学方法。在以往的教学过程中，数字图像处理课程的教学主要以“填鸭式”教学方法为主，只注重对学生的教，而忽视了学生的学和做，没能产生良好的教学效果。通过对当前主要教学方法的研究与探索，我们丰富了数字图像处理课程的教学方法，以“启发式”教学方法为主，以综合运用讲授法、研究法、讨论法、实验法等教学法，把“教、学和做”很好地穿插起来，发挥各种方法的优势，引导学生积极参与教学，实现教与学深层次互动。促进学生对数字图像处理基本知识和方法的掌握及动手能力的培养。

3.提升教学手段。针对该门课程理论性强、乏味单调的特点，应用现代网络多媒体教学手段，借鉴当前较为流行的CDIO教学模式，进行教学手段的提升。结合教学内容的组合的优化和教学方法的丰富，在教学中以现代网络多媒体为教学媒体，通过制作多媒体课件，以“少而精”和“图文并茂”为原则，并结合Matlab和VC++等软件编程实例的案例教学，在课堂教学中适时引入前沿热点图例分析和编程处理实例，引导学生进行理论知识的学习，使学生体会到易学、乐学和会做。

4.改善考核机制。摒弃了以往“一考定乾坤”的考核方式，将平时出勤与课堂表现情况、作业和实验成绩等进行量化，纳入最终成绩的综合评核。并结合“3+1”创新教育模式对学生实践能力和CDIO培养大纲对学生素质进行全面考核的要求。侧重学生对基础知识的把握、个体实践能力、团队协作能力的考核。

三、实践效果

通过数字图像处理教学内容、教学方法、教学手段和考核机制等四方面的改革研究与实践，近几年本专业每年都有10%左右的学生选择数字图像处理的相关研究内容作为本科毕业论文选题，并取得了较好的成绩。通过对毕业生的跟踪调查发现，考研深造的部分学生也把图像处理及新兴相关学科前沿方向作为自己的学术研究方向，工作就业的部分学生也从事了与数字图像处理相关的研究工作领域。

四、结束语

本文对以往数字图像处理课程教学过程中存在的主要问题进行了简要的介绍，并对主要相关学者的教学改革内容进行了阐述。结合我校的教学理念以及本专业的“3+1”教学改革模式，针对本专业本科生的特点，进行了数字图像处理教学的改革研究和实践。实践表明，此次教学改革提高了教学效果，得到了学生的认可和好评。完成了对本专业学生在知识、能力与素质等方面要求的综合培养。

[基金项目：黑龙江省教育科学“十二五”规划研究课题（GBC1212076）；黑龙江科技学院教学研究项目]

参考文献：

1.魏广芬，王永强，丁昕苗，何爱香.“数字图像处理”课程教学改革的尝试.电气电子教学学报，2009（6）

2.李向群，王书文.《数字图像处理》课程的教学改革初探.微计算机信息，2010（3-2）

3.吕朝辉.数字图像处理课程教学改革与实践.高教论坛，2010（11）

4.赵敏.MATLAB用于数字图像处理的教学实践研究.电脑知识与技术，2012（31）

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【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682（2012）11-0017-02

一、引 言

《数字图像处理》是高等院校信息与通信类专业重要的专业课程之一，主要内容为数字图像处理技术的基本概念、基本原理、基本分析方法和图像处理的新技术。该课程基于信号分析与处理理论，概念抽象、原理复杂、理论性较强，给学生带来一定的难度。[1]

《数字图像处理》课程的理论教学很抽象，仅通过理论教学学生很难掌握数字图像处理的基本原理。因此，在教学过程中，通过实验使学生加深对理论的理解，提高实践动手能力。但数字图像处理课程所设计的实验一般是针对某一局部理论知识点或关键技术，如“利用直方图技术进行图像增强”、“边缘检测算法”等，这些实验内容带有一定的局限性，难以使学生较综合地掌握整个课程的知识体系。

为了解决上述问题，有效利用和挖掘实验室资源条件，创造良好的育人环境，充分发挥实验室在实施素质教育、创新精神和实践技能培养中的作用，进一步深化提高实践教学水平，我们将开放性实验形式引入《数字图像处理》课程中，为学生提供开放式的实验内容和平台，在教师的指导下，有组织、有计划、有步骤地完成相关内容。

二、实验开放性要求

1.以学生为主体

开放性实验教学强调以学生为中心，在实验项目、实验设备、实验方式方法、实验时间和实验难度等方面给予学生充分的自，使学生能够根据个人的实验基础、专业特点和兴趣爱好选择相应的实验内容，这就使学生处于教学的中心地位，有利于调动他们的学习兴趣，从而激发其解决问题的积极性。

开放性实验以学生为主体，要求学生以团队形式进行分工与合作，共同完成某一具体任务目标。从任务目标的制定、整个任务的完成。

2.教师的指导

开放性实验以学生为主体，离不开专业教师的启发与引导。无论是课内扩展性或延伸性的实验、课程设计提出的实验、毕业设计题目、学生自选题目、科研、竞赛等开放性实验都应配有指导教师，指导教师对学生选题的科学性及难易程度进行审核，并认真审阅学生独立拟定的实验实施方案、设计实验步骤，经指导教师审阅同意后，方可进入实施阶段。指导教师对实验过程中可能存在的若干问题要有预案、论证，并提前向学生提出警示防范。[2～3]指导教师需要定期到开放实验室进行指导，注重对学生实验过程中的启发，引导学生的创新意识、刻苦钻研、勇于探索精神，同时善于发现学生潜在的天赋和才能，尊重学生的个性和差异，引导他们走上适合自身发展的道路。苏霍姆林斯基曾说：“世界上没有才能的人是没有的。问题在于教育者要去发现每一位学生的禀赋、兴趣、爱好和特长，为他们的表现和发展提供充分的条件和正确引导”。教师要不断激发学生学习的主动性和积极性。学生在开放实验项目完成后，首先向指导教师提交实验结题报告、论文或实物等实验结果，作为学生成绩和科技成果学分的评定依据，指导教师对实验结果和报告进行正确评价。

3.内容灵活

开放性实验的内容设计灵活，可以由教师设计相对自由度较大的实验项目，并通过多种方案实现实验目标，学生则通过查阅资料，结合课堂教学内容，对具体方案进行分析，教师则可以对其进行指导，选择合理方案实现。在这种方式中，学生可以充分发挥自身的主观能动性，按照自己的想法完成实验项目。

另外，也可以由学生自己制订相关内容的实验项目来完成，从题目选择、方案设计等方面都由学生完成，教师进行审核和指导。这种方式对学生提出了更高的要求，可以结合学生具体情况有选择地实施。

此外，开放性实验还要求实验室开放设备、开放管理、人性化考核、建立健全开放性实验激励机制等方面的辅助措施，[4～5]形成意识、知识、能力于一体的工程实践能力模式。

三、开放性实验设计

由于是首次在《数字图像处理》课程中进行开放性实验的尝试，结合本校学生的具体情况，采用教师设计开放性实验项目、由学生选择具体方案来完成的方式。主要提供了“视觉特征提取实验”和“城市路况信息提取实验”，都是结合本专业学科多年科研经验和成果设计的。

1.视觉特征提取实验

本实验针对机器视觉领域中对数字图像上目标特征的提取和定位要求提出的，要求学生能够提取机器视觉中常见的椭圆形特征和角点，见图1。

图1 视觉常用特征

为学生提供了此类图像处理的基本流程和关键环节，如图像预处理、目标特征的粗定位、目标特征的约束判断、目标特征的

高精度定位等。[6]学生根据每个环节的要求查阅资料，设计具体的实现方法。

本实验的主要目标是让学生了解图像常用预处理方法、不同图像增强效果的比较、图像具体目标特征的识别等。同时，结合本实验，可使学生接触机器视觉研究领域，也加深了对数字图像处理的理解。

2.城市路况信息提取实验

本实验针对目前城市道路拥堵现状，利用道路视频监控设施和数字图像处理方法，自动对路况信息提取，见图2。

图2 交通路况视频截屏图

该实验要求学生对监控视频流进行获取，截取每帧图像，经过图像预处理、车辆目标识别、车辆目标跟踪等过程，实现视频中车辆的识别和跟踪，并最终对路况信息进行综合判断。

本实验紧贴生活实际问题，具有很强的实用性，学生也便于理解。通过本实验项目，让学生了解图像常见预处理方法、边缘检测算法的比较、图像区域分割方法、运动目标跟踪等。结合本实验，也可以使学生直观地了解到数字图像处理的实际应用价值，加深对数字图像处理的理解。

四、结束语

通过在《数字图像处理》课程中开设开放性实验，较好地解决了该课程实践能力锻炼环节不足的问题，为学生提供了更多锻炼的机会。利用数字图像处理在科研和生活等方面的实际应用，不仅使学生更多地了解了《数字图像处理》课程的实用性，而且亲自接触和实践了相关方案，在提高能力的同时，也为学生带来了较大的成就感。

目前的开放性实验仅开设了两个实验项目，在今后的教学过程中要进一步发掘和整理新的项目。另外，还需要在实验室开放管理、开放性实验成绩评价和考核等方面加深探索和研究。

参考文献

1 贾永红.“数字图像处理”课程的建设与教学改革[J].高等理科教育，2007（1）：96～98

2 张波、贯会明.开放性实验在实验教学体系构建中的作用[J].实验室研究与探索，2010（9）：135～137

3 周玲艳、秦华明、梁红.开放性实验教学探讨[J].中山大学学报论丛，2006（26）：225～227

4 李金萍、陆玲、刘自强、徐玮.数字图像处理课程实验教学改革探索[J].科技视界，2012（7）：23～24

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软件工程专业工程硕士研究生与传统的学术型研究生有所不同，前者主要面向企业人才需求和应用软件开发需求进行培养，因此在课程内容选取、授课方法设计和实验环节设计上都需要进行思考和调整，这也是北京林业大学在申请到软件工程专业的工程硕士学科后重点研究的問题。

数字图像处理课程属于图形图像应用领域的重要基础理论课，长久以来课程内容主要介绍基本的图像处理算法以及少部分图像分割和图像识别，对于图像处理在实际生活中所涉及的很多前沿科研领域介绍较少，因此很多研究生无法将课堂讲授的理论知识与其后续从事的研究课题有效地关联起来，感到课堂中讲授的很多内容看起来毫无用处，从而丧失了学习的积极性。

很多教师认为把图像处理中的算法研究透彻、把基础打好对研究生非常重要，但是这忽视了研究生是有着极强的科研探索精神和丰富想象力的年轻一代。如果将一些在生活中涉及图像处理的問题交给他们进行探索，将会激起他们浓厚的学习精神和创造力，这种没有标准答案的应用题目可以进一步锻炼他们的思考能力。

为此，在课程的教学方法和实验内容设计上，我们重点培养学生以下两方面能力。

（1）应用型研究能力，包括发现問题、分析問题和解决問题的能力；

（2）应用型技术能力，包括编程设计能力和项目合作能力。

下面笔者分别从教学大纲、教学方法设计和实验内容设计3个方面进行介绍。

1.数字图像处理课程教学大纲

我们在设定教学大纲时，重点参考了多本数字图像处理方面的经典教材，如杨枝灵和冈萨雷斯编写的教材。结合之前的教学经验，同时注意与本科生课程相区别，制订了两个原则：加强中高级图像处理算法的介绍；增加利用图像处理算法的应用案例的介绍。中高级图像处理算法主要指图像分割算法、图像特征提取方法和运动检测方法。同时我们还在课堂上给出一些应用案例，进一步帮助学生将理论知识与实践相结合。

数字图像处理课程目前作为北京林业大学研究生的专业必修课，总学时为32，其中课堂讲授24学时，实验8学时。相对于其他学校，这门课程的总学时和实验学时数不多，我们设计的教学内容如表1所示。

2.数字图像处理教学方法设计

针对培养学生应用型研究能力的目标，我们在教学方法设计上本着激发学生的学习兴趣，开阔学生眼界，给学生提供更自由的思考空间的原则，通过下面两个措施来实现我们的目标。

2.1精心选择案例

选择的案例要贴近实际生活，并与课堂上讲授的方法紧密衔接。例如，在讲解图像增强和复原这两章之后，我们引入在实际生活中常见的“图像去雾”問题，通过如下方法，培养学生研究能力。

（1）要求学生先尝试用学过的算法来解决这个問题，并在课堂进行算法讨论，给出算法结果。

（2）要求学生针对具体問题，查阅文献资料，了解别人的解决方法。通过查阅国内外的文献资料，同学们知道了如何根据关键词查询科研论文，了解哪些电子数据库中有与专业相关资料，知道了文献的级别有SCI、EI、核心期刊、一般期刊等。

（3）学生将查到的算法进行分类和总结，撰写文献综述。

（4）每位学生都需要编程实现“图像去雾”算法，这个算法是结合自己的思考、实践以及查阅文献的结果。

通过自己动手，同学们发现如果图像的清晰度不好，有噪声，或者没有归一化，结果就完全不同。通过自己动手验证，同学们会发现图像处理领域的一个最为重要的特点——任何算法主要都是针对一类图像或是针对一类問题而设计的，因此在算法的适应性上需要有所考虑。

2.2全面介绍图像处理的各个应用领域

老师在课堂上介绍几个图像处理涉及的较为重要的应用方向（如视频监控、图像检索、人脸识别、运动检测、车牌检测等）后，将同学们进行分组，每组负责查找一个应用方向的相关资料，讨论和汇报自学的结果。汇报内容主要包括：①应用方向的介绍；②涉及的主要問题；③目前的解决方法及应用成果。

通过查找文献，同学们不仅对课上学习过的经典算法有进一步了解，同时还接触到很多新算法。通过听取各组汇报，同学们在较短的时间里，了解了图像处理涉及的多个主要的应用领域。针对每个应用研究领域，老师引导学生分析该领域的难点和重点，提出問题，再让学生思考解决方案，没有标准答案，只希望能够锻炼学生的思考能力。以“人脸识别”为例，有很多经典的或较新颖的算法，老师会结合应用领域对其中常用的或比较重要的算法，如PCA方法和Adaboost算法，进行详细讲解，使学生全面了解图像处理算法的应用领域。

3.数字图像处理实验内容设计

针对培养学生的应用技术能力的目标，同时考虑到本课程实验学时数较少，我们设计了两个实验——基础性实验和综合性实验。

3.1基础性实验

目前很多经典的图像处理算法是用vC++程序实现的，我们要求大家学会读程序，能够看懂已有的算法实现程序，并在此基础上能开发新的功能。

实验一：实现对多种图像格式的支持（2学时）

实验内容：采用VC++编码实现，基于CDib类，添加支持打开，并保存多种图像格式的功能。包括JPEG和GIF。

实验要求：利用学习的图像压缩的知识，利用现有的编码解码库实现对IPEG和GIF图像的打开和保存。

实验目的：了解多种图像格式，编写针对多种图像格式的读写程序，能够进一步理解针对图像的编程的特点，同时也进一步了解开发图像应用程序的适应性問题。

老师在课程初期会向大家介绍图像处理的一个公开库——CDib类。该类很好地封装了图像的数据结构，涉及很多图像的基本操作。我们知道现实生活中的图像常常都是压缩格式的，如BMP、JPEG、PNG、GIF等。因此在讲完图像的压缩格式后，对照讲过的BMP图像结构，老师要求学生为CDib类添加能够支持多种图像格式的功能。以GIF图像为例，它不同于如JPEG、PNG等格式，GIF采用的是LZW压缩算法，使用的是无损压缩技术。GIF图像的特点是可以一次压缩多幅图像，图像颜色表控制为256色，使用渐显方式。

3.2综合性实验

针对综合性实验，我们会拟定多个题目让学生选择，如树叶提取、花朵提取、车牌识别等。

实验二：数字号码图像的识别（6学时）

实验内容：采用VC++编码实现，基于CDib类，针对数字号码图像，识别出数字，给出文本显示结果。

实验要求：将该题目进行分解，划分任务；组内每个同学负责一部分任务的编程工作；每个人针对自己负责的工作至少提供两种实现方法，并放入整个项目流程中验证这两种方法的有效性；最后总结出两种方法的异同以及适应的范围。

实验目的：考查学生对数字图像处理应用中每个步骤的掌握程度和项目合作沟通能力。

上述实验涉及以下几个步骤。

①图像的预处理；

②图像的分割；

③图像的特征提取；

④图像的分类。

组中每个学生负责一个步骤，所有步骤都需要尽心设计，这样整体的效果才可能最好。同时大家需要协商各自负责模块的人口和出口的数据结构，保证数据能够在模块之间顺利流转。这种协商和分工合作的能力是软件工程专业最需要的技术能力之一。

以“数字号码图像识别”为例，该题目可以分割成4个步骤：预处理、数字图像切分、数字图像特征提取和数字识别。在每个步骤中都有分别需要注意的問题，如在预处理阶段，需要对图像进行去噪声，增强对比度，甚至需要进行膨胀和腐蚀将图像中断裂的数字部分连通起来；在数字图像切分阶段需要制定适应性广泛的切分策略来应对各种情况，如数字排列可以呈现任意的倾斜角度，或数字字符相连等；在数字图像特征提取阶段，我们可以考察每个数字图像的自相关系数特征，或者每个数字图像的频谱特征，也可以考察数字图像的几何拓扑特征，如将数字图像分成2个洞的（8），1个洞的（4，6，9，0），没有洞的（1，2，3，5，7），针对每个类别再提取新的几何特征；在数字图像识别阶段，可以采用神经网络的分类器，或者利用制定的一些分类策略来分类，或者采用主成份分析（PCA）的方法来识别。

4.结语

两年多的教学实践表明，新的教学大纲、授课方法和实验内容有利于激发学生的兴趣，使他们带着問题去学习，从而加深了对图像处理应用领域的了解，锻炼了编写程序和协作开发的能力。下一步我们将设计更多合理有效的案例和综合性实验，力图通过这门课激发学生的创造力。