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。

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中图分类号：G421 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0185-02

遥感作为一种高效的探测、获取、分析和处理空间信息的先进技术手段，已广泛应用于各个领域。高等院校是我国遥感专业人才培养的主战场，它提供了一个综合性高、专业性强的平台[1]。在该平台上，可以针对社会的应用需求，塑造学生不同的个体特征，培养出适于不同岗位的研究型、应用型人才。因而，构建旨在培养学生综合素养，并突出其个体特征的课程体系具有举足轻重的作用。特色鲜明的体系可以在提升学生的综合素养的同时，也能够突出学生个体，因而可以更好地满足我国遥感专业人才培养的需求。

现阶段我国为遥感专业人才培养设置的本科专业主要有摄影测量与遥感、遥感科学与技术、地理信息科学等，在这些专业的培养方案中，《遥感导论》和《遥感图像处理》在多数高等院校中都有开设，并为专业核心课程之一，有的高等院校还开设了《数字图像处理》。《遥感导论》和《数字图像处理》两门课程可以视为《遥感图像处理》的前期基础课，因而在课程学期安排上应该提前。

《遥感图像处理》以地理学、测绘学、数理统计、计算机技术等为背景，在学习了遥感技术、图像处理技术的原理和理论基础上，着重介绍遥感信息处理的原理、过程与方法，并掌握遥感图像处理技术的发展动态与实际应用。由于《遥感图像处理》是多学科的交叉，与很多专业都有很密切的联系，而且发展速度较快，在遥感图像处理的教学中，一方面要求不同对象的学生掌握、理解或了解图像处理技术的基本原理；另一方面，还要求不同对象的学生理解或了解遥感图像的成像机理、处理技术和流程等。同时，图像处理技术和遥感技术具有技术更新快的特点，因而还需要学生掌握现阶段的状态以及最新发展情况。除了教学内容和教学方法外，实验教学也是《遥感图像处理》课程的重要的环节，传统的课程教学大都偏重于理论，一些已有的实验也主要是针对特定图像处理的一些应用，缺乏图像处理技术应用与遥感图像特征无缝结合和系统组织。

总的来说，目前的《遥感图像处理》课程体系主要存在以下几个方面的问题[2]：（1）传统的课程体系多注重经典理论，轻实验和实践[3]。除了应该重视理论教学外，有效地利用实践教学环节，有利于学生理解和掌握该课程内容，取得事半功倍的教学效果；（2）传统课程体系脱胎于数字图像处理，和遥感处理关键技术之间存在断裂面，遥感处理知识体系不够完善。

本文以我国高等师范院校开设的遥感科学与技术、地理信息科学专业为例，针对《遥感图像处理》课程的教学目标，提出了适合高等师范院校本专业领域学生的课程体系的构建方案，并就其实践教学的效果和课程体系特色进行介绍。

1 课程体系的建立

内容的模块化设计是目前课程体系建设的主要方案，在很多高等院校的专业教学中得到了较好地应用[4]。为适于高等师范院校开设的遥感科学与技术、地理信息科学专业教学需求，通过近10年左右的实践教学，我们将《遥感图像处理》的课程体系结构分为7个模块，如图1所示。

（1）图像基础模块：这一部分主要介绍遥感数字图像的基础知识，主要包括遥感数字图像、遥感数字图像的计算机存储、遥感数字图像的计算机视图与表达等内容，让学生了解遥感数字图像的基本概念和特点，并从计算机存储和显示的角度，定性了解数字遥感图像，引导学生建立遥感图像处理研究和实践的兴趣。

（2）定量遥感处理模块：遥感定量化是当前技术发展的重要方向之一，其分析和处理过程涉及到物理、大气等学科；本科生由于前期所开课程较少，感觉定量遥感处理的难度较大，因而我们主张在本科阶段掌握定量遥感的基础理论和图像处理，深层次处理设置在后续的研究生课程开设。

该模块的主要内容涵盖辐射定标、大气校正、热红外地面温度反演等，以Landsat TM图像为例，了解遥感图像的辐射校正和定量反演的技术方法：辐射定标结合Landsat TM的0级、1级产品，介绍遥感图像数字值（digital number，DN）转换为光谱辐射亮度的方法；大气校正主要讲述基于辐射传输方程的校正方法，结合6S和MOTRAN辐射传输软件包，完成遥感图像的大气校正；热红外图像地表温度反演以Landsat TM6为例，介绍单波段热红外图像的地表温度反演方法和技术流程。

（3）几何遥感处理模块：该模块针对遥感成像的纯中心投影、多中心投影、侧视雷达等不同构像方式，解释它们的几何纠正方法和技术流程；对于多项式纠正方法重点介绍，强度多项式的构建、地面控制点的选择、最小二乘法拟合等相关内容。

（4）数字图像增强模块：数字图像增强模块按照彩色增强、辐射增强、空间域增强、频率域增强、多光谱增强等顺序进行讲解。在这一部分，我们遵循系统深入的原则，基于遥感数字图像处理的实例，帮助学生系统复结并领会各种理论方法之间的逻辑顺序与本质。由于图像处理具有理论性和可视化强的特点，在这个部分教学中，我们希望加强学生对前置基础课程（如《遥感导论》和《数字图像处理》）所学基本理论和方法的深入理解，使其充分认识遥感机理理论知识在遥感图像增强应用中的指导意义，并体会理论本身的魅力。

（5）遥感图像融合模块：该模块从遥感图像融合的目的出发，介绍图像融合的主要方法和技术流程、图像融合结果的性能评估等；联系数字图像增强模块的多光谱增强子模块，以HIS变换、主成份分析、傅里叶变换和小波变换等为基础，阐述遥感图像融合的主要技术方法，并对其方法的缺点进行分析，提出改进的遥感图像融合方案。

（6）遥感图像分类模块：该模块主要包括计算机分类的基本原理、非监督分类、监督分类、计算机分类的新方法、分类结果后处理、精度评估等内容。在这一部分教学中，我们充分发挥图像处理应用性强的特点，选择最小距离法、ISODATA、最大似然分类法等，重点讲述其基础理论和技术方法，激发学生学习兴趣。

（7）变化检测模块：该模块是对前面所学模块的综合运用，向学生展示《遥感图像处理》立体而丰富的专业内容。在介绍遥感图像变化检测意义和技术流程的基础上，重点论述变化检测的分类后比较法和直接比较法；将变化向量分析法（CVA）作为典型算法进行讲述，通过土地覆被变化检测的应用实例，综合遥感图像辐射校正、几何纠正等知识，重点论述变化强度和变化方向的确定方法，并利用图像处理实践提升学生的研究性思维，初步培养学生的创新能力。

2 课程教学实践及其特色

2.1 加强实践教学环节，注重动手能力的培养

本课程主要教学目的是使学生了解和掌握遥感信息处理的基本知识、方法、基本技能和发展动态，初步掌握应用遥感信息处理技术分析和解决实际问题的能力。因而，实践教学能力培养是我们课程建设的核心部分。我们在每个模块中设置了多个实践环节，多角度、多目标的提升学生动手操作能力。

通过理论学习、实践处理等环节，增强学生对本课程的理解，并在此基础上使学生进一步掌握遥感图像成像的基本原理、基本理论和这些理论在遥感图像处理中的应用。近10年的教学实践证明，该课程的实践教学环节较好地调动了学生专业学习的积极性，取得了较好的学习效果。

2.2 内容延伸模块化，形成分层次课程体系

我们依据课程教学内容，构建了授课内容的基本框架，按照教学内容分块设置，根据学生学习阶段、课时安排、专业特色延伸等可以灵活变化，因而给授课内容带来了较大的机动性。

在每个教学模块中首先确定知识体系和拓展专题内容，将这些拓展专题分为偏应用型和偏理论型。每个专题中设置基本内容和扩展内容，形成模块化分层次的课程体系。

例如：在数字图像增强模块中，目前的大多数教材中存在直方图均衡化的内容，然而随着图像处理技术的发展和应用的拓展，人们发现在绝大多数遥感图像增强处理中不适合直方图均衡化处理，因此这部分内容可以不讲或让学生自学。图像增强部分的内容非常多，使学生清楚掌握第一节内容介绍的关键词，课程的延伸内容就会更易理解。根据学科特色和学习层次，可以有意识地引入偏应用专题或偏理论专题，更好地满足不同目标、不同层次的学生的需求。

通过遥感图像处理课程教学内容的分块划分，形成了层次化、模块化课程体系，在确保授课内容体系完整情况下，使内容选择更具条理和可操作性，便于培养不同目标导向的学生，更适于我国高等师范院校相关专业的教学设计。

2.3 多目标人才及其创新能力培养

社会对人才可以从不同的角度加以分类，从生产或工作活动的目的来分析，现代社会的人才可分为学术型（理论型）、技术型、工程型和技能型等。多目标人才就是多功能人才，其特点是多才多艺，能够在很多领域大显身手。当今社会的重大特征是学科交叉，知识融合，技术集成。因而，《遥感图像处理》多目标人才培养是培养学生在各个方面都有一定能力，同时在某一个具体的方面要能出类拔萃。

在高等师范院校地理学背景创办遥感科学与技术、地理信息科学等本科专业的情况下，不同层次、不同培养目标导向，可以让学生针对自己的发展方向选择应用型还是研究型，因而该课程体系更加具有灵活度。我们课程体系中设置的定量遥感模块，可以满足学生在应用型《遥感图像处理》课程中学习到研究型知识，丰富和完善学生的有关遥感处理的知识结构，提升学生的创新能力。实践教学证明，我们的本科生经过该模块的学习，也能够独立完成研究方案构思和具体研究路线设计，并在老师的指导下撰写科学论文。

3 结语

卫星遥感、图像处理技术的迅猛发展，其应用领域愈来愈广泛，该领域受到很多学生的垂青，激发了他们的学习热情。目前很多高等院校都开设了《遥感图像处理》这门课程。如何根据各个高等院校的学科特色、学生特点构建适合自己的课程教学体系、安排好授课内容、提高教学方法和教学手段的有效性是很多高等院校主讲教师最关注的，同时对于提高学生学习兴趣、加强实践应用能力以及培养信息技术时代的创新型人才具有重要意义。

笔者结合多年《遥感图像处理》课程的教学经验，设计了一个课程内容模块化、专题内容可延伸、分层次的课程体系，它采用专题框架，在保证授课体系完整性的前提下，授课教师可以依据人才培养目标、专业特色、学时要求引入模块化延伸内容，有机地将课程教学内容联合在一起，形成多层次、多目标的授课内容。实践证明，该课程体系设置达到了我们高等师范院校相关专业的课程教学预期效果，可以为我国其他高等师范院校的相关专业的《遥感图像处理》课程教学提供参考。

参考文献

[1] 邓磊，赵文吉，胡德勇.遥感课程实践教学模式探索与教改实践[J].科技创新导报，2012（7）：136-137.

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1《图像处理》课程的特点

1.1教学内容适合双语

由于《图象处理》课程是一门涉及多领域的交叉学科，也是目前发展最迅速的学科之一，因此大量原始文献传播和交流都采用英文方式。但是，目前国内的中文教材基本是英文文献的翻译，很多专业词汇在不同教材中翻译成不同的中文词汇。为让学生获取对知识点最精准的理解，获取最“原汁原味”的科学知识，采用双语教学是比较好的途径。

《图象处理》课程具有理论性和实践性特点，易于实现双语教学。《图象处理》课程内容涉及大量的图像、图形，生动直观，文字讲授内容相对于其他课程较少，因此，更容易吸引学生的兴趣，实现双语教学时易学易懂。

1.2教学对象适合双语

电子信息工程专业的本科生历来属于学校的优质生源，在外语水平和实践能力上较为突出。《图象处理》是针对大三学生开设的专业基础课，在专业基础知识方面，通过大一大二期间，对《信号与系统》《数字信号处理》《信息论》《通信原理》等相关专业课程的学习，已经具备一定的专业基础，为《图象处理》课程的学习和理解奠定了基础；在英语听说和阅读水平方面，《大学英语》课程的学习已经全方面训练了学生的英语听说和阅读能力，具备使用英语学习专业课程的水平；在实践方面，大三学生已经学完《C语言程序设计》、《Matlab语言》课程，具备基本的编程能力，能够实现理论教学与实践教学相结合。

1.3稳定的教学团队

我们基本形成一支由5人组成的结构合理、力量雄厚的教学团队，其成员包括教授1名，副教授1名，讲师3名。团队中有1名青年教师在攻读博士期间曾前往德国波恩大学计算机系深造一年，并参与其图象处理相关课程的全英文教学工作；另有2名青年教师在武汉科技大学青年教师讲课比赛中获奖，这些青年教师将成为教学、科研的主力军。

2《图像处理》课程建设措施

2.1师资队伍建设

2.1.1选派青年教师到国内外知名大学做访问学者。在获取湖北省教育厅，以及国家留学基金委提供的出国进修资助项目下，派遣教学团队的教师到国外知名大学访学进修，提高英语读写表达能力，提高英语授课水平。

2.1.2通过中外合作办学项目，选派老师到美国桥港大学进修半年。

2.1.3选派青年教师参加高水平的学术研讨会。科研与教学相互促进，信息学科更新发展迅速，让青年教师提高科研水平，接触最前沿的科研动态，才能在课堂上传授实用性强、前沿的专业知识。

2.1.4通过传、帮、带等系列方法培养青年教师。通过对青年教师传帮带，开发青年教师的潜能，传授教学经验，帮助青年教师成长，使本课程始终拥有一支稳定的教学队伍。

2.2教学方法、手段建设

在教学内容安排上，遵循“少而精”原则，精选经典内容；探索构建“多层次实践教学体系”；通过学生专题研讨，引进数字图像处理现代技术；将教师科研成果转化为教学内容、实验项目，提高学生的实践能力和创新能力。

采取研究式教学，理论与实践相结合，在课堂上教师先讲授理论内容，选取具有代表性的案例，将案例的模块与理论知识点结合，通过实验结果验证理论知识，再通过理论知识释解实验结果，加深学生对知识点的理解。

采取启发式教学，每学期举行2次课程学习讲座，让学生以所学内容为基础，指定或自选一个主题，在课外查找资料，拓宽知识面，制作成PPT，进行口头汇报。通过这种知识迁移的方法，一方面巩固学生的知识掌握，另一方面也提高了学生的表达能力。

目前，武汉科技大学《图像处理》双语课程共计40学时，其中32理论学时，8实验学时，具体教学安排详见下表：

3教学效果预测

3.1让学生体验不同的教育模式，促进素质教育和创新教育

我国教材系统性强、叙述严谨、知识体系清晰，重视对学生基本概念和理论推导的训练；国外教材有意识地激发学生学习的好奇心，注重启发学生思考，激发学生自主学习的兴趣，注重理论联系实际。双语教学融会中西方教学理念之所长，能促进学生创新能力的培养。

3.2用外语直接获取专业知识，培养学生专业英语交流能力

学生应用外语直接获取专业知识，不仅可使学生能切实掌握相应课程专业知识，同时在英语能力，尤其是科技阅读能力和专业词汇量的扩展等方面得到实用性的锻炼，提高阅读英文文献、撰写专业英文科技论文的能力。

4受益的专业和学生人数

课程的建设及相关资料的共享将使信息学院的电子信息工程专业与通信工程专业常年在校本科生、研究生约1000余人直接受益；全校相关涉及信息计算类理工专业，如自动化、信息计算科学、机械工程自动化等本科生可同步学习和参考。

5结论

武汉科技大学信息学院面向电子信息工程专业本科生开展《图象处理》课程双语教学实践已达六年之久，基本形成了较为稳定优秀的教学队伍，并积累了较丰富的教学经验。所有的教材、课件、教案、试卷及参考资料等都已基本完成英文化制作。同时学院提供了专业计算机实验室和多媒体设备供同步教学和上机实验，为做好课程的双语教学工作奠定了扎实的基础。

参考文献：

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1 引言

数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。如今，数字图像处理涉及农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面，有着极为广泛的应用[1-2]。然而，困扰学生的问题是所学的知识不知如何运用到实践中。因此，面对枯燥的学习，提不起兴趣。可兴趣却是最好的老师，它是主动学习、积极思考、大胆质疑、勇于探索的强大动力。因此，在教学活动中，注重激发学生的学习兴趣是一项十分重要的任务。

数字图像处理这门课程理论性、系统性强，知识面广，不仅需要较强的数学功底，如概率论与数理统计、线性代数、矩阵论等，还依赖于信号与系统、通信原理、数字信号处理等课程的学习和了解[3]。然而这些要求和学生所掌握的现状是矛盾的。数学基础薄弱以及相关先修课程掌握不扎实，使学生学习起来力不从心，因而也提不起兴趣。教学内容按部就班，重理论轻应用，课堂学习枯燥无味。相当一部分学生一学期的学习只为应付考试。以就业为目的的学生觉得似乎跟以后的就业前景也没多大关系，社会需求较小，学习没有动力；以考研为目的的学生只重视考研科目，对这门课也没有兴趣。实验内容简单枯燥，偏重验证性，学生实际扮演打字员角色，无法发挥积极性和创新性[4-5]，也无法激发学生兴趣。实验内容和实际应用联系不够紧密，学生在现实生活中找不到共鸣。

2 以兴趣为导向的教学改革探索

数字图像处理是随着计算机和数学的发展而发展的一门综合性学科，教学目的是使学生了解和掌握数字图像处理的基本内容和方法，一方面提高学生的科研素养，为以后的深入研究打下基础；另一方面能够让学生具有一定的实践能力，为就业打下基础。本文以兴趣为导向，激发学生内在驱动力，以达到教学目的，拟作如下改革探索。

教学内容改革 该课程主要讲授数字图像处理的基本原理，包括数字图像基本理论、图像增强、图像变换、图像恢复和重建、图像编码和图像分割等图像处理方法。该课程涉及多种算法数学模型、公式等，并有大量的理论和程序讲解，内容多，理论性强，应用面广。为达到良好的教学效果，力求纵观全局，抓住关键，突出重点，解决难点，在实际教学中应区分主次，有侧重有取舍，使教学内容精致化。

为避免教学的纯理论化，培养学生解决实际问题的能力，在讲授基本理论时，增加相关背景知识和前沿动态介绍，激发学生的兴趣，也有利于知识的完整性和连贯性。在具体讲授图像处理基本方法的章节时，适度弱化数学推导过程，针对具体的图像处理方法，安排相应的实际应用案例。如图像增强，可以利用电视影像为例，说明利用图像处理可以提高影片中图像的质量，减低图像中的噪声，优化观影效果；图像变换，可以讨论雷达图像质量的提高，利用图像重构算法提高雷达图像分辨率，便于更好地表征目标；图像分割，可以讨论医学影像，如CT图中对于病灶区域的识别，提高医生对病情的判断；图像识别，以人脸识别为例，介绍图像处理算法在人脸识别中的运用。在生动的学习过程中培养出学习兴趣，树立学习信心，在此基础上适度地深入相关的理论推导过程。

在应用技术层面，注意理论联系实际，安排相应的专题报告。如：生物医学方面CT技术，显微图像分析和超声波图像处理等；通信工程中的编码和压缩技术；工业工程中的自动检测、工业视觉；以及军事公安、文化艺术、电子商务等。

在作业和课后习题方面，精选习题，改进传统的做题方法，让学生能够举一反三，避免重复做相似的习题，重质量轻数量；相应增加应用实践专题型课题，可以让学生根据自己的兴趣分组，选择一个专题，充分利用教材和教辅，以及图书馆和各种网络资源，做相应的小论文，将理论知识与解决工程技术问题结合起来，既巩固了理论知识，又有了实践能力，还能增强兴趣，提高学习动力，能够达到较好的教学效果。

教学方法和教学手段改革 在传统教学中，以教材、教师为中心，近乎是教师讲、学生记的模式。改革拟采用多种教学方法相结合来改变这种“讲听式”的教学模式。根据课程内容和学生特点，灵活运用启发式教学法、研讨问题教学法、过程导向教学法、项目导向教学法、任务驱动教学法、实例解析法、练习指导法等组织教学，理论实践并进，“教、学、做”三位一体。

在课程介绍时，可结合视频和图像的方式介绍目前已经运用在社会实践中的实例，增加学生的兴趣。在教学过程中，可以将不同章节的内容进行串联，介绍已有成果的同时穿插前沿动态和发展趋势，提高学生的求知欲。教学中适当地组织专题讨论，引导学生积极思考，提高学生分析问题、解决问题的能力，使他们思维变得活跃，兴趣变得浓厚，能够自主地、积极地参与学习并进行探索创新。在教学手段方面，根据不同的课程内容，采用多种教学手段相结合的方式。背景介绍以及实际应用方面采用多媒体教学，用视频形象生动地向学生展示；在理论基础及公式推导上，多采用传统的板书模式，引导学生一步步跟着教师思考，加深印象。在实验仿真和程序设计指导时可采用屏幕录影教学，有利于学生熟悉界面，可以把学习时间更多地放在设计程序上。还可以建立网络学习辅导与交流互动平台，充分发挥学生主体和教师主导作用。此外，合理安排学时，将保证在有限的学时内既完成教学任务又增强教学效果。

实验内容改革 如表1所示，传统的实验主要是验证性实验，学生把大量课时花在敲程序和调试程序上，只为得到一个验证性的答案，缺乏思考及自己对程序的理解，不利于学生能力的提高，达不到理想的教学效果。针对传统实验的不足，拟做以下尝试。

1）一般性验证实验，可以用屏幕录影的方式，在授课过程中演示，一方面有助于理论内容的理解，同时也可以起到实验预习的作用，节省此类实验时间。

2）重要的验证性实验，可以适当增加一些情境，修改一些参数，以观察它们对实验结果的影响，让学生理解并掌握其中的关键因素。

3）在完成大纲实验的基础上，增加开放性实验设计，引导学生兴趣。实验内容由浅入深，使学生在实践中提高对知识的理解以及创新能力。学生可以自由分组，鼓励编程基础好的学生作为小组负责人，带动其他学生一起完成，培养学生的独立思维能力、动手能力以及团队合作能力。

考核内容和方式改革 目前的考核方式还是沿用传统的课程考试方法，主要分期中和期末考试。形式上为笔试，内容上知识性、记忆性的东西占了绝大多数。然而每学期厚厚的一本教材，试题的覆盖面是有局限性的，而且这样的考核方式也导致学生应试现象的出现。虽然把考试应付过去了，但没有真正学到多少东西，自身能力没有多大提高，违背教学目的。

基于这样的现状，拟对考核内容和方式做如下改革探索：考试内容要与时俱进，摒弃传统、老旧的题型。在考核的内容以及广度和深度方面，任课教师有着决定性作用。任课教师应该提高自身对教材的理解力，把握好重点、难点，跟进学科前沿动态，对课后习题认真揣摩。出题既紧扣教材重点又新颖灵活，能够达到测试考查的目的，避免试题与历届试题及课后习题重复，有机会给部分学生投机取巧。

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中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)06013103

Method of curved surface area calculation based on the idea of CT tomography

CAO Jun, CHEN Puchun, XU Ying, ZHANG Ying

(Electric and Information Institute, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Abstract： According to the requirement of practical engineering application on the curved surface area information, inspired by the idea of CT tomography, a new method to calculate the curved surface area by utilizing the boundary information of every cross section is proposed. For the area of ellipsoid surface, conical surface and spherical surface, the numerical calculation results coincident with the theoretical results are presented. And then for the curved surface area of an egg, the boundary shape of every cross section was obtained with thin copper wires around the egg and was imaged. The boundary′s data of every cross section was extracted with the edge detection technique. The curved surface area of egg is calculated with Helen formula. Experiment results show that the method is practical, simple and precise, and can satisfy the needs of practical engineering application.

Keywords：image processing; CT tomography; Helen formula; curved surface area calculation

收稿日期：20111011目前数字图像处理已在医学领域取得了广泛的应用［1］，深入开展数字图像处理研究，对提高机器的自动化和智能化水平有很大的促进作用。深层的数字图像处理任务就是要获取物体的三维描述，识别三维物体并计算出物体的尺寸、位置和方向［2］，计算结果将为下一步目标的分析设计、成本预算、精确加工以及自动识别打下基础。本文基于CT断层扫描的思想，用细铜丝定位断层轮廓，通过图像边缘检测技术，定位断层轮廓数据，最后利用海伦公式计算出曲面面积。

1三维重建

有2种三维重建方法［2］：一种是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为表面重建；另一种是直接将体像素以一定的颜色和透明度投影到显示平面，称为体重建。本文运用三维表面重建的方法，提取三维断层扫描的边界进行三维重建，使曲面面积计算更加接近真实。

1.1图片的获取

为了获取鸡蛋的轮廓，采用的方法是用细铜丝每隔一定距离围出鸡蛋的轮廓，然后将固形的铜丝粘贴在白纸上，为了使拍摄出的每层轮廓图片相对大小一致，本文中对实验的器材进行了一系列的处理，首先是将用于增强对比度的底衬白纸固定，不至于在拍摄图片的时候移动，其次是在底衬白纸中间标记一个点，同样在贴着铜丝的白纸上标记出铜丝的中心点，拍摄图片时使得2个点重合，并且保证每次拍摄的距离相同，用铜丝定位断层面的边界如图1所示，断层边缘检测如图2所示。

图1用铜丝定位断层面的边界图2断层边缘检测

1.2层间目标的提取

目标提取的目的是将图像中感兴趣的部分从其背景中分离出来。本文利用阈值分割方法提取目标。阈值分割的首要问题是阈值的选取，根据Matlab中的函数pixval可以得到目标的灰度值。用阈值分割的方法不能完整分割出目标，所以本文还利用形态学中标记连接分量的相关知识来提取目标，选取8邻接求出标记矩阵和连接分量的总数，每个不同连接分量中的像素被分配给一个惟一的整数，该整数的范围是从1到连接分量的总数，根据惯有的经验，标记矩阵是按照从上到下从左到右的规律排列的，观察目标的位置，确定标记矩阵的数字，提取出需要对象的矩阵，最后将其转换到原有图像上［3］。

1.3层间目标图像的边缘提取

三维表面重建是指首先运用图像技术从二维图像中分割出兴趣区的轮廓曲线，然后经图像处理，得到其三维结构。因此，对于三维表面重建而言，边界轮廓的提取尤为重要［4］。常用的边缘检测器有：Sobel边缘检测器, Roberts边缘检测器, Prewitt边缘检测器，Log边缘检测器［5］, 零交叉边缘检测器，Canny边缘检测器［3］等。本文运用的是Log边缘检测器,它把Gauss平滑滤波器和Laplacian锐化滤波器结合了起来，先平滑掉噪声，再进行边缘检测，使边缘提取的效果会更好。

1.4层间轮廓的三维结构

下面，用这些边界轮廓曲线的数据进行三维表面重建。在本文中采用的方法是将边界轮廓曲线存储在三维数组里，用Matlab中的函数scatter3画出边界轮廓线的三维散布图，使用hold on函数，画完一组边界后再画另外一组，这样所有的边界轮廓线就形成三维图像［6］。断层面轮廓的三维表面重建如图3所示。

图3断层面轮廓的三维表面重建2曲面面积计算方法

2.1数字图像的表示

数字图像可用矩阵或数组来表示。假如一幅图像f(x,y)被均匀取样，则产生的数字图像有M行和N列，M和N值取整数。一幅图像被分割成一个个小矩形（像元或像素pixel），形成一幅点阵式的数字图像。

2.2表面积的计算

可采取面积分的思想求图像的表面积，具体思路是：在第i层的轮廓边缘线上取两相邻点，其坐标分别是（x1,y1）和（x3,y3）；在第i+1层上找到与(x1,y1)距离最近的点(x2,y2),以及与 (x3,y3)距离最近的点(x4,y4)，这4个点构成一个四边形，把该四边形转化为2个三角形，利用海伦公式:S=p(p-a)(p-b)(p-c)式中：p=1/2(a+b+c)；a,b,c为三角形的边长。可以求出三角形的面积，进而求出四边形的面积。网格划分越细，计算误差就越小。

2.3曲面面积的计算精度评价

考虑到任意曲面的面积在数学上计算是困难的，为了评价所提出的方法的曲面面积计算精度，针对椭球面、圆锥面和半球面，论文给出了断层法面积计算结果（见表1），并与公式法求得的实际曲面面积相比较，计算它们的相对误差。计算结果如下表所示。

采用断层边缘点计算以上3种不同曲面的面积如图4~图6所示，均得到精度较高的计算结果，圆锥面和半球面的曲面面积的计算误差较小，椭球面的计算误差稍大些，但都小于0.6%，原因是在求椭球面的曲面面积时间隔要稍微大一些，由此可见利用断层边缘点计算曲面面积具有可行性。

图4半球面图5椭球面2.4鸡蛋表面积的计算结果

在实际计算鸡蛋表面积时，与前面的模拟计算主要有以下2个不同的地方：

(1) 相邻断层边界的取样点数不一致，所以在做循环的时候就会出现一个已经跳出循环，另一个还没有运行完的局面，这样就会产生误差，为避免该困难，本文选取采样点数少的边界进行循环编程。

图6圆锥面(2) 2个边界图像不规则，大小也不一样，所以它不能像参考模型那样，第一个边界点移动时，第2个边界上的点对应移动。本文的解决办法是，第i层的轮廓边缘线上面取一个点，其坐标是（x1，y1），在第i+1层上找到与(x1,y1)距离最近的点(x2,y2)；再在第i层的轮廓边缘线上面取一个点，其坐标是（x3，y3），在第i+1层上找到与(x3,y3)距离最近的点(x4,y4)，其中点(x1,y1)和(x3,y3)为相邻点。利用这4个点构成1个四边形，再转化为三角形，然后利用海伦公式，求三角形的面积，进而求四边形的面积，当步长值很小的时候，由所有四边形的面积和即可得到鸡蛋的表面积。

为验证断层法计算曲面积的可靠性，本文利用排水法测出鸡蛋壳的总体积，利用螺旋测微计分别测量10次鸡蛋壳的厚度，求得鸡蛋壳的平均厚度。在厚度很薄的情况下，根据体积等于底面积乘以厚度的近似关系，计算出鸡蛋外表面和内表面的总表面积，然后除以2，得到鸡蛋壳的外表面积的近似值。表2为实验测得的鸡蛋表面积与断层法得到的表面积的比较。分析数据可以发现，尽管2种方法得到的鸡蛋表面积都与真实结果存在误差，但是二者的结果是基本吻合的，相对误差均小于3%，这也说明了断层法计算曲面面积的实用性。

3结语

根据实际工程应用对曲面面积测量的需求，本文提出了一种利用CT断层的边界信息求图像曲面面积的方法，从理论上和实验上验证了该方法的可靠性和实用性。该算法简单且计算精度高，能广泛地应用于各领域，诸如果实损坏面积的计算、加工工件材料成本估算、皮肤烧伤面积的计算等，为更多定量研究提供了一种计算方法。

参考文献

［1］吴立德.计算机视觉［M］.上海:复旦大学出版社,1993.

［2］冈萨雷斯.数字图像处理(Matlab版)［M］.北京:电子工业出版社,2005.

［3］王成波,陈伟,谢兵,等.DICOM图像与BMP图像的转换研究［J］.医疗卫生装备,2004(1):1317.

［4］杨树川.利用Matlab计算切割图中三区域的面积值［J］.农机化研究,2005(5):6667.

［5］庄天戈.CT原理与算法［M］.上海:上海交通科技大学出版社,1993.

［6］樊军,周济,韩其睿.基于断层CT图像的三维重建［J］.天津纺织工学院学报,2000(19):2730.

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［8］张汝楠.利用Matlab实现原木CT断层图像的三维重建［J］.木材加工机械,2008(4):2429.

篇9

关键词：计算机专业选修课教学；在线教学平台；在线教学；课堂教学；混合教学模式

中图分类号：G633.67 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0268-05

中国高等教育已经进入大众化阶段，高等教育大众化以及2008年以来的全球金融危机给大学生就业带来严峻形势。对于国内各类院校普遍开设的计算机专业来说，这种状况尤为严重，一方面，每年有大量的计算机专业毕业生，特别是普通院校的毕业生，找不到合适的专业岗位，另一方面，也有很多IT企业找不到符合企业需要的人才。根据我们对国内100多家IT企业和300多名本校计算机专业毕业生的问卷调查，大部分IT企业需要专业基础扎实、工程实践能力强、具有一定创新能力的应用型创新人才。信息技术发展日新月异，计算机专业的应用型创新人才应该具备对新知识和新技术的敏感性，拥有e极探索新知识和新技术的敬业精神、突出的创新思维和创新能力，因此，在人才培养上，应该注重学生学习能力和应用创新能力的培养[1]。

应用型创新人才的培养是应用型本科高校的主要任务。目前，国内应用型本科高校在专业课程设置上分为专业必修课和专业选修课。专业选修课是专业教学计划中的重要组成部分，在人才培养中承担着扩展专业视野，培养创新性思维及工程应用能力的功能[2]。因此，专业选修课在计算机专业应用型创新人才的培养上有着不可忽视的作用。然而目前，大多数应用型本科高校的计算机专业选修课并没有发挥相应的教学功能。主要原因在于目前计算机选修课教学仍然采用传统教学模式，以教师讲授知识为主，学生处于被动接受知识的地位，忽视了学生的认识主体作用，不利于学生学习和应用创新能力的培养。互联网以及多媒体技术的发展引发出许多丰富多彩的网络化在线教学模式，近年来，慕课（MOOC）、翻转课堂、微课等在线教学模式受到越来越多教育工作者的关注[3-9]，这些新模式从根本上改变了教学中师生的地位和关系，在学生学习和应用创新能力的培养上表现出较大的优势。然而，在线教学模式也存在学习者身份难以认证、教学监控难度较大、课程实验尚未有效解决等缺陷。因此，国内外一些学者纷纷提出在线教学与传统教学相结合的混合教学模式[9-11]。笔者所在学校正处于向应用型转型发展阶段，近几年来，笔者所在的团队针对计算机专业应用型创新人才的培养问题进行了一系列的探索。基于多年数字化学习技术的研究成果，团队与企业合作研发了“潜能在线”教学平台。在该平台的支持下，我们设计了一个在线教学与传统课堂教学相结合的混合教学模式，并在数字图像处理等课程中进行探索性实践。

一、应用型本科高校计算机专业选修课教学中存在的问题

据我们了解，目前，国内应用型本科高校的计算机专业选修课教学，普遍存在以下几个方面的问题：教学内容多而课时少，教学内容相对滞后，课堂教学满堂灌输，考核机制不完善等问题。

1.教学内容多而课时少。自从20世纪八九十年代，国内高校陆续开展学分制教学改革，课程分为必修课与选修课，在人才培养中取得了许多经验与收获[12]。但同时，也逐渐形成一个认识上的误区：必修课重要，而选修课相对次要。因存在上述认识误区，各高校在专业人才培养方案的设置上，专业必修课学分学时较多，而选修课学分学时较少。比如，笔者所在高校的计算机科学与技术专业，专业必修课一般设置为3―4个学分，课时为48―72学时，而专业选修课一般只有2个学分，课时为42学时，其中理论学时28，实验学时14。但是，选修课的教学内容并没有减少多少，比如，笔者所担任的数字图像处理课，大纲规定的内容偏多，包括绪论及图像处理系统、图像变换、图像增强、图像编码、图像复原、图像重建、数学形态学原理等内容。采用传统教师主讲的教学模式，教师根本无法在规定的学时数内完成大纲要求的内容。

2.教学内容相对滞后。目前，在应用型本科高校，计算机专业选修课的教学内容一般以教材为主，以教师的科研及学科前沿为辅。由于课时少，任课教师只能依照教材，讲授大纲要求的内容，没有多余的时间讲授自己的研究成果和学科前沿。然而目前，多数教材内容陈旧，跟不上最新发展形势，造成教学内容相对滞后，学生缺乏兴趣。大多数计算机专业选修课没有发挥其应有的教学功能。

3.课堂教学满堂灌输。计算机学科发展的时间相对较短，学科教学理论还不完善。学科教师往往学习数理学科的教学观念和教学模式，采用以教师讲授为主的“灌输式”教学方法。这种教学方法以教师为主体，学生只能被动接受教师的教学方法和教学内容，因而缺乏主动学习和探索求知的欲望。少数学习积极的同学可能会被动地接受教师讲授的内容，多数同学则可能会因缺乏好奇心和求知欲而失去学习的兴趣。比如，数字图像处理是集光学、数学、计算机科学、物理学等学科的一门综合性边缘学科[13]。它涉及数学、物理、信号处理和计算机科学等多学科知识，理论性强、内容抽象、算法较多，学生理解起来有一定难度。任课教师必须采用灵活多样的教学方法以及准备一些丰富有趣的教学内容，激发学生自主学习和探索求知的欲望，让学生对该门课程产生浓厚的学习兴趣，才能顺利地开展后续的课程教学。

4.考核机制不完善，缺乏对学习和应用创新能力的考核。目前，多数高校的计算机专业选修课考核方式主要有以下几种：试卷考核、论文考核、作业考核、实践考核等。试卷考试答案标准固定，学生靠死记硬背就可以通过，成绩不能反映学生的学习和应用创新能力。论文或作业考核可以在一定程度上反映学生的学习和应用创新能力，但容易出现抄袭现象，成绩不能真实反映学生的实际能力。实践考核能够在一定程度上反映学生学习和应用创新能力，然而，因没有形成科学标准的实践考核办法以及评价机制，很多实践考核流于形式，最终成绩也不能真实反映学生的实际能力。因此，需要完善考核机制，把学生的整个学习过程纳入考核范围，使成绩能够在一定程度上真实反映学生的学习和应用创新能力。

二、“潜能在线”教学平台支持下的混合教学模式设计

为解决当前计算机专业选修课教学中存在的上述问题，加强学生学习和应用创新能力的培养，笔者所在的团队吸纳了慕课（MOOC）、翻转课堂、微课等在线教学模式的优点，利用“潜能在线”教学平台，设计了一个适合应用型本科高校计算机专业选修课教学的混合教学模式。该混合教学模式转变了师生的角色，教师从知识的传授者转变为学生学习的引导者、推动者和指导者。学生从知识的被动接受者转变为学习的主体、学习过程的中心。模式包括课前在线学习与提问互动、课堂面对面教学、课后在线测试与学术沙龙三个阶段。

1.课前在线学习与提问互动。该阶段是为克服传统教学模式“教师满堂灌输，学生被动接受知识”的缺陷而设计的，采用当前在线教学模式的先进教学理念，教师通过网络提供学习任务和学习资源，引导并推动学生自主学习、协作学习，以达到培养学生学习能力的目的。具体来说，课前教师利用“潜能在线”平台中的在线导学模块创建导学卡，通过导学卡学习任务以及学习资源。学习任务包括学习内容、重点难点、要求完成的作业等，学习资源包括电子教材、教学PPT、授课微视频以及网上可以利用的资源等。学生根据导学卡在线上自主学习，同时，利用“潜能在线”平台中的提问互动模块提出问题，通过问题与教师以及其他同学进行互动交流。

2.课堂面对面教学。该阶段是利用传统面对面课堂“易于组织实施、互动便捷、效果直接显著”等优势，通过汇报、展示、讨论、教师重难点解析和总结等形式多样的教学活动，加深学生对知识点的理解和掌握。课堂面对面教学主要由学习汇报、课堂讨论、重难点解析以及课堂总结四个部分组成。学习汇报由学生汇报在线学习以及作业完成的情况；课堂讨论就重难点及热点问题展开讨论，教师参与指导；重难点解析由教师讲解，进一步强调本节课的教学重点及难点。课堂总结由教师对本节课教学过程、在线学习情况、学习表现、学习成果进行点评及总结。

3.课后在线测试及学术沙龙。该阶段通过在线测试以及应用性课题，检查学生学习知识的成效以及应用知识的能力，以达到培养学生应用创新能力的目的。具体过程如下，教师利用“潜能在线”平台中的虚拟考场，将纸质考卷通过扫描，或者将电子文档考卷制作成电子考卷上传到平台。学生登入虚拟考场，完成课后在线测试。另外，教师可以根据教学进度，布置一些应用性的课题，让学生课后去完成，然后通过“潜能在线”平台中的公共聊天室，定期组织在线学术沙龙。

三、混合教学模式在数字图像处理课教学中的探索性实践

基于团队设计的混合教学模式，我们在数字图像处理等课程中进行探索性实践。下面就数字图像处理课程的实践情况做一下介绍。团队根据课程大纲的要求，设计了七个专题，并给出了每一专题各教学活动的学时安排表，如表1所示，其中，第一个专题因为是第一次上课，采用传统教学模式，以教师讲授为主，其他专题采用混合教学模式。此外，每个专题两个实验学时根本不够，所以实验由学生利用课余时间完成，实验课上主要是汇报实验情况以及展示实验结果。

1.前期准备。利用“潜能在线”平台进行混合教学，需要完成一些前期准备工作。首先需要在平台中创建数字图像处理课程，把教材扫描到平台制作成电子教材，并建立知识点的目录体系结构。其次，教师学生登入平台，选择已创建的数字图像处理课程。最后，对学生进行“潜能在线”教学平台的使用培训。

2.教学实施。在数字图像处理课程的实施过程中，针对每个专题，我们设计了11个教学活动，利用“潜能在线”教学平台，分14个步骤展开，具体过程如图1所示，它展示了教师、学生在“潜能在线”教学平台和课堂的整个互动过程。

（1）在线导学。在传统教学模式下，教师在n堂上面对全班学生授课，因此，课前备课，必须依据全班大多数人的情况，准备授课内容和安排教学进度。准备的内容和安排的进度无法满足学生个性化的需求。在混合教学模式下，教师的角色转变了，作为学生学习的引导者，只需准备学习内容和相关的学习资源，通过网络提供给学生，引导学生自主学习。因此，我们设计了“在线导学”教学活动，教师可以根据不同层次的学生情况，准备学习内容和学习资源，以满足学生个性化的需求，并通过我们团队开发的在线导学模块，把学习内容和学习资源出去。学习内容按知识点组织，教师根据知识点制作教学PPT、授课微视频（10分钟左右）等教学资源，收集相关的网站、论坛、图书、论文等可利用的资源，布置相关的作业和练习。然后，把这些资源按知识点制作成导学卡，通过在线导学模块提供给学生。表2列出了我们在数字图像处理课程实施过程中，每一专题的知识点。

（2）在线自主学习。传统教学模式以教师为主体，向学生单向传授知识，忽视了学生个体的学习能动性，也忽视了学生应用创新能力的挖掘，不利于计算机应用型创新人才的培养。因此，我们设计了“在线自主学习”教学活动，让学生成为学习的主体。学生可以根据自身已有的基础，选择合适的内容，安排合理的进度，在轻松的氛围中学习。这种方式锻炼了学生的自主学习能力，也培养了学生的探索求知欲。

（3）提问互动。在传统教学模式下，课堂上教师满堂灌输，课后师生见面不易，师生之间、生生之间互动交流极少。为此，我们设计了“提问互动”教学活动，通过提问互动模块，学生随时可以与教师以及同学进行互动交流。互动的主要形式包括提出问题，回答问题，评价问题回答的情况等。通过这一教学活动培养学生协作学习和提问质疑的能力。同时，提问互动数据也是期末学生学习能力考核的依据。

（4）在线解答。在传统教学模式下，由于课时的限制，教师很少有时间让学生提问，因而，也就很少解答学生的问题。在混合教学模式下，学生可以随时通过提问互动模块提出问题。因此，我们设计了“在线解答”教学活动，教师通过提问互动模块或公共聊天室，采用文字、语音或微视频等多种方式，解答学生提出的问题。

（5）在线作业。在传统教学模式下，学生课堂听课，课后完成作业。两者之间有一定的时间差，如果课堂上有些知识点没听懂或课堂上听懂课后忘记了，完成作业就有一定的困难。为此，我们设计了“在线作业”教学活动，学生完成自主学习后，可以立即在线完成作业。如果哪些知识点没听懂，可以重复听授课微视频。此外，学生在线提交作业后，教师可以及时对作业进行批改和点评，其他同学也可通过网络平台对该同学作业进行点评，形成师生之间、生生之间的互动交流。学生完成作业的情况、作业的质量以及相互的点评数据，也是期末学生学习能力考核的依据。

（6）学习汇报。混合教学模式以学生为主体，学生通过在线自主学习获得知识，教师是学习过程的引导者、推动者。因此，我们设计了“学习汇报”教学活动，学生在课堂上汇报在线学习的情况、展示完成的作业。学生通过这一活动锻炼了协作学习能力以及表达能力。教师通过这一活动了解学生学习的情况，发现其中的问题，为后面的重难点解析和课堂总结做准备。因为选修学生人数比较多，有39人，所以我们把全班划分10个学习小组，每个小组派一名学生汇报。学习汇报的情况作为期末学生学习能力、应用创新能力考核的一个依据。

（7）课堂讨论。在传统教学模式下，学生通过课堂听课学习知识，因课时有限，教师没有时间组织课堂讨论。在混合教学模式下，学生在课外通过在线平台学习知识，教师有充足的时间开展形式多样的教学活动。因此，我们设计了“课堂讨论”教学活动，教师根据学生学习的情况、专题重难点知识以及热点问题，选择合适的论题，组织课堂讨论。学生按照教师的安排，课前认真准备论题，在课堂上参与讨论。表2列出了我们在数字图像处理课程实施过程中，每一专题选择的课堂讨论论题。该教学活动的目的是培养学生协作学习、应用创新能力以及表达的能力。学生课堂讨论上的表现作为期末学生学习能力、应用创新能力考核的依据。

（8）重难点解析。在混合教学模式下，教师作为学生学习的引导者和指导者，要引导学生了解本专题的重点难点，并辅助学生掌握重点难点。因此，我们设计了“重难点解析”教学活动，教师根据提问互动、学习汇报以及课堂讨论等阶段了解的情况，对本专题中的重点难点以及学生普遍存在的问题进行解惑答疑。

（9）课堂总结。在混合教学模式下，教师在学生学习过程中起辅助作用。在每个专题学习结束时，需要教师进行总结。因此，我们设计了“课堂总结”教学活动，对本专题的教学过程进行总结、对学生在线学习情况、学习表现、学习成果进行点评。

（10）在线测试。在混合教学模式下，各种教学活动由教师统一安排，学生自主完成。因此，我们设计“在线测试”教学活动，利用在线教学平台的虚拟考场，教师事先提供在线测试的内容，学生课后自主完成在线测试。该教学活动的目的是让学生检测自主学习的成效，发现存在的问题，并进行补缺补漏。在线测试的成绩作为期末学生学习能力考核的依据。

（11）学术沙龙。传统教学模式重视知识的传授，而忽视应用创新能力的培养。因此，我们设计了“学术沙龙”教学活动，教师根据学生学习的情况，选择合适的应用性课题，通过在线教学平台的公共聊天室，组织在线学术沙龙。学生根据所学的知识，完成教师布置的应用性课题，参加在线学术沙龙，交流课题完成的情况、遇到的问题以及解决办法等。表2列出了我们在数字图像处理课程实施过程中，每一专题选择的应用性课题，这些应用性课题都来自我们团队在研的饮用水源水质生物在线监测项目。该教学活动的目的是培养学生的科学素养和应用创新能力。

3.学习评价。传统教学模式主要依据出勤、作业、实验以及期末考核等情况，u定学生学习成绩。这种评价方式不能全面的反映学生真实的学习情况，也不能反映学生学习能力和应用创新能力。采用混合教学模式以后，可以利用在线教学平台提供的统计功能，对学生参与提问互动、学术沙龙等活动以及完成作业与在线测试的情况进行统计。同时，教师还可以记录课堂上学生参与学习汇报、作业展示、课堂讨论等活动情况。这些数据较全面地反映了学生整个学习过程，同时也在一定程度上反映了学生学习和应用创新能力。因此，我们把这些数据与传统课堂的考勤、平时实验和期末考核等数据组合在一起，综合评定学生的学习成绩。具体来说，期末成绩评定分成两大块：平时成绩和期末考核成绩，平时占70%，期末考核占30%。平时成绩又包括考勤、线上活动表现、课堂活动表现、实验等四个方面，其中，考勤占10%，线上活动表现占20%，课堂活动表现占20%，实验占20%。线上活动表现主要考核学生参与提问互动、学术沙龙以及完成作业与在线测试的情况，课堂活动表现主要考核学生参与学习汇报、作业展示以及课堂讨论的情况。

4.实施效果。混合教学模式的实施激发了学生的好奇心与求知欲，增强了学生自主学习、协作学习、应用创新等方面的能力，教学效果显著。教学效果可以从以下几个方面的统计数据中展现。整个学期学生在提问互动模块中提出的问题数为113，其中，有一定质量的问题数为47，参与提问互动交流的学生人次数为486，参与学术沙龙的学生人次数为203；在课堂讨论上发言的学生人次数为78。以上统计数据表明，各项教学活动的参与度还是比较高的，也从侧面反映了学生学习兴趣的提高。从学生参与互动交流、课堂讨论以及学术沙龙的情况看，学生自主学习、协作学习以及应用创新能力比之前采用传统教学模式的班级有较大的提高，之前的教学中，自主学习和协作学习能力的训练较少，更谈不上应用创新能力的训练。从学生的学习汇报情况看，采用混合教学模式后学生自主学习的能力也得到明显的加强。

四、结束语

专业选修课的教学问题广泛存在于各类高等院校中，如何上好专业选修课，关系到学生知识面的拓展、学生学习能力及应用创新能力的培养、学生综合素质的提高，因此，应该受到足够的重视。本文提出的混合教学模式，还有待进一步的实践验证，希望与同行们一起不断摸索，找到更理想的解决办法。

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篇10

中图分类号TP301.6文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2341-02

Based on ITK and VTK Cone-Beam CT Medical Image Visualization

BAI Guang-yuan, LI Hai-bo

(Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473000, China)

Abstract: In medical image visualization, cone-beam CT using FDK filtered back projection algorithm, using the DICOM standard format, using the image tool library in ITK and VTK for 3D volume rendering can be achieved on engineering and practical requirements. The article presents theories, research and feasibility analysis, gives a complete solution.

Key words: cone-beam CT；FDK；DICOM standard format；ITK；VTK

1医学图像可视化

科学计算可视化( Visualization in Scientific Computing，简称ViSC)是数字图像处理学科的新领域，医学图像可视化研究是其中一个重要发展方向。1987年美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）顺应学科发展和实际需求，召开专题研讨会，正式提出“可视化”一词。会议之后以正式报告的方式，给出科学计算可视化的科学定义、研究方向和远景目标。1991年美国国家医学图书馆联合科罗拉多大学医院建立起男女标本各一的全部人体解剖结构数据库。世界范围内在遵循许可并支付费用的情况下，可将这庞大的归档数据应用于教学、科研和临床领域。这一项目称之为可视人体(Visible Human)计划，在这个计划中，中国走在了世界前沿。重庆第三军医大学和广州第一军医大学完成了相同的工作，数据库所用人体标本健康程度更高，其采集切片数据更加精细。医学图像可视化技术在医学教学科研领域和临床诊断方面逐渐起到越来越重要的作用，并有着广阔的应用前景。

2锥束CT和FDK滤波反投影算法

提高X射线利用率和缩短成像时间一直是CT技术的一个重要发展方向。现阶段，大锥角的锥束CT成像技术取形束和扇形束方式，进入了实用化和商业化的轨道。通过采用大锥角放射源和大平板检测器等硬件设备，人体组织受X光线照射剂量只有传统笔形束的六十分之一或相同量级，同时大大降低设备的运行成本。

对锥束CT生成的断层图像重建，主要应用FDK滤波反投影重建算法。FDK算法是一种基于圆形轨道扫描重建的近似算法。如图1所示，在圆形轨道上R为圆轨道的半径,γ为扇形角,κ为锥角，β表示投影角度可得滤波积分公式如下所示：

Feldkamp, Davis和Kress(1984)在其论文中给出了详细的数学证明。FDK在中心平面是精确重建，离中心平面越远，重建误差越大。其各种衍生算法主要从轨道不同和误差修正两个方面给出更适合实际情况的修改和调整。FDK算法由于其几何典型性和计算简洁性,成为实际锥束重建中应用最为广泛的算法和基础的解决思路。

3DICOM格式

DICOM的全称是医学数字成像和通信标准(Digital Imaging and Communications in Medicine)。1988年由美国放射学院(American College of Radiology，简称ACR)和国家电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，简称NEMA)发起共同制订。1992年，在北美放射学会（Radiological Society of North American,简称RSNA）上被命名为DICOM并沿用至今。DICOM标准的和使用彻底结束了医学图像通信杂乱无章的局面，确定了医学图像通信的标准形式，并真正在应用领域取得了预期的目标。

DICOM标准是一个完整的图像通信标准，涵盖了医学数字图像的采集存储、分类归档、交换传输、医务流程五个方面的详细约定。结合计算机行业发展的已有成果，应用了其面向对象的解决方式，并开放前瞻地将便于交换互联的通信协议确立在制订之初。

DICOM文件层级结构采用了面向对象的思想，建立起信息对象（Information Object Definition，简称IOD）的存在关系。同样的方式在计算机领域也应用在关系型数据库中，关系模型即实体―关系模型（Entity-Relationship ,简称E-R）。E-R结构描述了事物之间所存在的关系映射。如病人情况、数字图像、诊断报告、就诊流程等实体之间是通过怎样的映射关联到一起的。通过抽象出来的信息对象反映相关的实际信息。

DICOM文件由为文件头和数据集两部分组成。文件头中前言长度为128字节，它的存在是为了提供与通用数字图像格式位图文件（Bitmap Picture）一致的访问方式。当一个文件被切割成多个部分时，文件头可以提供图像的顺序信息。前缀作为文件格式的声明，为ASCII码“DICM”。

数据集，代表一个信息对象的实例，包含多个数据元。每个数据元由Tag号表明其在数据集中的顺序，再由VR，VL，VF（即数据类型、值长度、值域）三部分组成，进行数据实际的存储。图2 DICOM文件结构层次图

DICOM开放互联的特点体现在采用了基于已经广泛应用的IT行业ISO/OSI协议和TCP/ IP协议的网络互联进行医学数据的通信和交换。通过扩展TCP/IP协议的应用层，实现同类应用间的相互操作。

4ITK和VTK工具库

与视觉化函数工具库VTK（Visualization Toolkit）不同，ITK(Insight Segmentation and Registration Toolkit)完全面对医学图像处理。其核心功能涵盖了图像滤波、图像分割和图像配准几乎所有数字图像处理算法。在其他产品也可完成工作的情况下，ITK以其高效易用的特点被广泛应用在医学图像处理的前期步骤中。如使用ITK完成读取DICOM数据，进行滤波、图像分割和图像配准，然后输出成VTK识别格式，由VTK进行重建。

VTK作为通用的数字图像处理类库功能强大，可以进行广泛的数字图像处理、计算机图形学和科学计算可视化相关工作。与ITK配合使用，一般使用其三维重建功能。

VTK适用于快速二次开发，存在以下一些优势：

1)VTK具有设备平台无关性和良好的可移植性，并可以根据具体情况选择底层图形库如OpenGL等。

2)VTK的体系结构和具体实现优雅健壮，实现了流式数据处理和有效的缓存管理，使编程人员可以专心于图像重建的核心工作。

3)在三维重建算法上，体绘制和面绘制两种方式VTK均给予了实现，根据具体情况，可以灵活选择。

三维图像的重构方法分为面绘制技术和体绘制技术两大类。在面绘制技术中，移动体元算法（Marching Cube，简称MC）具有典型性。通过阈值选取设置空间等值面，获取数据场中体元与等值面交集情况，以等值面作为依据标准进行图像绘制。

作为最广泛使用的传统面绘制算法，VTK中相关实现如类vtkImageMarchingCubes等。

在计算机图形处理硬件性能有较大限制的情况下，面绘制只考虑等值面，取得了不错的处理速度。随着计算机硬件的不断发展，更贴近实际物体三维显示效果的体绘制逐渐实用化。体绘制考虑每个体素在最终图像绘制中的影响，不再构造曲面或平面信息，直接显示三维全貌。

体绘制根据空间规则情况，采取了两种处理方式，即空间域方法和变换域方法。后者需先将体数据进行域变换然后进行相同的工作。

工程领域，空间域方式被广泛应用，典型的算法有四种：光线投射法（Ray-Casting），错切－变形法(Shear-Warp)，抛雪球法或成为足迹法(Splatting),3D纹理映射硬件辅助方法（Hardware-assisted 3D texture-mapping）。

变换域方法的实用价值在现阶段稍有不足，大多处于研究阶段。其中基于小波的体绘制法(Wavelet-Based Volume Rendering )和频域体绘制法（Frequency Domain Volume Rendering）在实际工程上有一定的存在价值。

VTK对几乎所有体绘制相关算法都有具体实现，如VTK通过vtkVolumeRayCast类及相关子类提供了光线投射体绘制算法的实现。

VTK因其算法实现较为完善和广泛，适用于工业和医学三维重建，开发人员拥有充足的选择余地。

5结论

篇11

[中图分类号]G40-057　[文献标识码]A　[论文编号]1009-8097(2011)06-0126-03

一　机器视觉原理及发展概况

机器视觉是利用计算机和摄像机以及辅助装置完成的视觉检测领域，目前，已经广泛的应用到了工业生产中的在线检测，设计开发中的逆向工程等领域。从几微米的芯片刻画到几公里的建筑地理三维测量，都有不同类别的机器视觉系统在工作。目前，机器视觉系统的蓬勃发展已经使得高校在机器视觉领域必须进行更深入的教学，以适应工业技术的发展。

传统的机器视觉教学大多数基于书本和课件，并且只是对于一些平面图像进行了简单的处理，这种处理离真正的工业应用相差太远。另外，学生也无法从这种枯燥的图像处理算法中找到乐趣，因此，寻求一种新的图像处理和机器视觉的实验方法势在必行。

二　机器视觉教学系统

为了更好的进行机器视觉教学，经过调研，从天津世纪动力光电科学仪器有限公司采购了一种针对教学的高自由度机器视觉系统，该系统可以实现单目、双目、多目的系统组建，可以模拟激光扫描，面结构光，光栅，点光源扫描，具有丰富的图像处理算法模拟和实验系统搭建，还可以实现直线度、平面度、自由曲面多种测量系统的建立。

系统主要由以下部分构成：

1　机械支撑调节系统

机械支撑调节系统由自由度较高的铝型材构成基本支撑架构，采用球形云台作为主要的调节部件。系统整体结构如图1所示：

2　工业摄像机部分

为了能够实现单目、双目及多目视觉试验的模拟，系统采用了畸变率较小的工业摄像机和工业镜头。工业摄像机采用千兆以太网技术，通过TCP／IP技术完成图像的传输和采集。系统配备4个摄像机，通过直线和环形轨道可以模拟工业中最常用的几种单目和双目视觉检测系统。工业以太网相机的驱动程序基本开发平台为VC2008，根据目前的通用数字图像处理算法，本文提供了几种单目和多目系统的构架方案以及标定。学生可以很容易的了解双目系统的构成和原理，以及简易双目系统构建的方案。

3　投影光源

机器视觉系统分为主动视觉系统和被动视觉系统，大多数工业领域的应用的是主动视觉检测系统，即在有照明光源的条件下完成视觉检测。照明光源种类较多，分为以下几类：

(1)激光光源：通过激光器发射的点、线激光，对旋转或移动平台上的物体实现其形貌的检查；

(2)面结构光源：通过发射带有一定偏振信息或位置信息的面结构光条，实现对物体形貌的检测；

(3)透射光源：通过x射线、近红外光源等能够透过物体的光线实现的检测。

。

以上的光源种类繁多，原理各不相同，为了实现教学系统对各种图像的模拟，采用了一种新型光源，利用DLP技术的投影LED光源，可以有效解决问题。DLP技术是美国德州仪器公司的动态投射技术，通过一个色轮发射的不断变化的光不断投射到屏幕上，通过快速的三原色切换实现的实时投射。这一技术已经广泛应用到了各种商业投影仪上。但商业投影仪的光路很不自由，都带有一定的仰角和畸变修正，因此，需要学生自主来调整投影系统。

投影系统的结构大体如图2所示：

投影系统是利用DLP技术制作的中心光路投影设备，根据上位机的指令可以投射出点光源、线光源、网格状线光源、任意变化规律的光栅，辅助。

4　标定系统

任何一种机器视觉系统，都要标定摄像机的内外参数和空间变换矩阵。本文设计的系统采用了基于平板靶标的辅助标定。

标定的主要方法如图3所示。

为了实现多摄像机的匹配，本文采用了一种带有圆心定位和方向定位的靶标，没有使用棋盘靶标。使用靶标图案如

平板靶标可以用来进行圆心提取、边缘提取、阈值分割、图像二值化、滤波等操作，还可以用来进行双目及多目中摄像机的标定。

三　教学课件的搭建

根据搭建的教学平台可以组成多种教学课件，根据我们常用的实验方式，整个双目视觉系统构建按照如下步骤进行：

1　平面图像处理教学试验。

平面图像处理的教学试验主要针对带有各种带有边界的摄像机图像，指导学生完成摄像机实时采集、单幅采集、增益和曝光时间的确定等。

根据图像处理的基本算法，本文提供了一些模块，图5(a)和图5(b)是一些学生作业对靶标图像完成的不同处理效果

通过这种实际的上机教学，学生对于枯燥的图像处理算法普遍产生了兴趣，对图像的变换如二值化、阈值分割、拉普拉斯变化都有了较为深入的认识。

2　摄像机内参数标定试验。

任何摄像机都存在着畸变，主要分为径向畸变和切向畸变。因此，标定实际的光心畸变参数是建立正确的三维坐标关系的基础。

本文的教学系统中采用圆形靶标作为摄像机畸变的标定方法，学生采用过移动标定和旋转标定等各种方法，确定摄像机内参数。

以下数据是一个经过标定的矩阵，主要包括旋转矩阵R和平移矩阵T，还有摄像机的光心sx和sv，焦距为16mm镜头，经过标定后的像距为16.55mm。

焦距：16.558882

光心：716.658340 479.982758

旋转矩阵：0，952250，0.076489、-0.295582

0.017592，0.952757，0.303223

0.304811、-0.293944、0.905918

平移矩阵：-60.627362，-18.715668、426.976200

经过对摄像机的误差评定分析，4个班级96名选择模式识别和图像处理的学生采用了网络上搜索到的各种标定算法，并进行了试验，和标准仪器CPOSmini的结果对照，最好的成绩可以误差在0.04mm。

3　主动光源投射练习

在任何机器视觉系统中，都需要投射主动光源，本文采用的多用途投射光源可以给学生一个开发的空间。采用多用途投射光源，学生进行了多种光源的模拟，如图6所示。

四　结论

通过对主动光源投射，摄像机标定，靶标图像处理的练习，学生们对机器视觉领域和模式识别有了更直观的认识。在进行的摄像机标定算法试验中，一个班的学生查阅了多种公开文献中的算法，并最终得到了比较好的效果。

篇12

一、图像处理的基本方式

（一）信号分析处理

信号处理的方式是利用空间变化的思路，空间变换的方法就是从早期的频域变换发展而来形成了小波变换。小波变换在时域同时有良好的的局部分析特征，可以实现在多个尺寸上的多分辨特性。小波变换在图像压缩中获得了较好的效果。

（二）随机建模的处理

数字图像在形成的过程中有随机性，所以二维的图形实际是一个随机的场。所及建模的方式是按照随机场对图像域建模，以此描述图像域邻域像素的分布情况，从而完成对图形的描述。通常采用的随机建模方式有高斯混合模型等。随机场模型可以对图形的纹理进行细致描述。

（三）偏微分处理

偏微分方程是一种数学方式，对数字影像进行处理，利用空间域内的像素灰度值进行微分处理，利用二阶方程表征图形中区域边界的特征。微分方程具有各项异性的扩展特征，在不同的图像特征上显示的扩展性能也就不同，所以利用方程迭代处理图形可最大限度的保持边缘特征，同时获得重建的平滑区域。

二、偏微分方程和图像处理的应用

当前利用物理学和力学的变分和偏分方程方法的图像处理技术在计算机图形处理领域已经开辟了新的领域，基于偏分方程的图形处理方式已经获得了重视和良好的效果。其基本的思路就是在一个偏微分方程模型中发展一个图形，一条曲线、一个曲面等，利用求解这个偏微分方程来获得图形处理的期望值。变分和偏微分方程使得数字图像处理进入了一个新的领域。

（一）偏微分方程处理的主要领域

对图形进行去噪处理：图形去噪的典型分析与计算方法是高斯低通滤波器，也即是热扩散方程，因为高斯滤波器在去找的过程中不能保持良好的边缘特征，所以多数研究都是对该特征进行改进，其中较为有效的方式就是由Perona 和 Malik 提出的 P-M 方程，公式如下：

公式中，迭代步长dt，It是迭代项，ΔI则是拉普拉斯算子，c则代表传导系数。其中div是散度算子，代表梯度算子， Δ是拉普拉斯斯算子。在实际的应用中为了保证模型的收敛性，通常利用经验值，取迭代步长dt值为0.25。在此基础上，PDE去噪的基本思路如下：1）在图像相同质量特征的区域内进行减弱噪声扩散的处理；2）控制区域边界未知不扩散，并保持边缘的基本特征。因为P-M是一个病态问题，所以有研究提出对梯度值正则化处理，然后获得相对稳定的P-M方程。有人提出直接使用扩散张量作为扩散项，从而实现张量偏微分的方程模型。这个模型可以在一个方向上获得快速扩散，而在正交的另一个方向缓慢扩散，由此获得边缘去噪的效果。

图形的放大处理：对图像进行插值放大，获得超分辨率的分析。偏微分方程可以按照图像边缘、水平曲线等几何特征实现插值放大。所以偏微分方程可以最大限度的保持边缘的细节特征，同时可以减弱噪声的影响。在研究中提出基于偏微分方程拟合水平集曲线的图形像素重构。也就研究提出了一种复扩散偏微分方程被放大模式，在减弱锯齿效应的同时，可以锐化边缘的特征。

图形的分割处理：图形的分割也是图像处理的重要内容，计算机和图像处理按照使用的图像特征进行分类处理，可以分为基于边界的分割、基于区域的方法，以及混合分割的方法。如按照使用数学工具和模型，其主要的方法有：基于聚类的方法；基于统计学的方法；基于数学形态的方法；基于偏微分方程的方法，主要有蛇形模型等；基于Graph cut的方法。

（二）图像处理的偏微分模型

在图形处理中，偏微分方程模式有很多种，其中一种是在变分原理的基础上对函数进行优化，这个方式首先对一个特定的图形处理模式，通过变分原理实现对能量函数模型的优化，这样就可得到偏微分方程，通过对偏微分方程数值求解由此完成图形的处理任务。如：整体变分能量泛函

利用此模式就可完成对函数的优化。

三、基于偏微分方程的图形处理的步骤

作为图像处理的一个重要工具，在变分和偏微分方程的图像处理的基本框架和基本步骤如下：1）明确实际问题的出现和处理思路建立，因为不同的应用问题有不同的处理思路和特征，因此采用的处理方式也就不同，所以在处理图像问题时应先掌握问题的关键。2）构建相关数学模型，这一步骤是处理图像的重要步骤，其影响的是处理的过程和结果，数学模型构建将直接影响处理的效果，对微分方程、变分方法、微分几何等进行合理选择与组合，以此获得较好的处理结果，提高处理的有效性。3）模型分析：主要是对模型的适应性进行分析，了解模型解是否存在、解是否唯一、方法是否稳定等，4）分析计算：利用数学模式进行求解，进行微分方程的数值分析，利用有限差分、有限元、迭代法等进行计算，这一步骤会影响相关数学求解的收敛性、稳定性、计算量等。5）程序实现：这个步骤是解决问题的最终步骤，这一步骤的一些问题可以导致前面工作的重新修改，必须慎重操作。

四、结束语

偏微分方程是一种高效的数学处理工具，在图像处理中也获得了较好的效果。连续区域上建立模型，方便对实际问题的处理和数值计算。数学上丰富的偏微分方程处理理论和计算方式，对图形处理的理论分析和算法都给予了较大的帮助，同时不断完善的计算和处理方式将帮助偏微分方程提高图像处理的效果。

参考文献：