以应用实例为主线、以程序设计为主导的数字图像处理课程教学方法改革
陆玲 李丽华
[摘 要]针对数字图像处理课程和特点，借助教学辅助系统，对数字图像处理课程的教学方法进行改革。在教学过程中大量使用实例可将抽象的理论融入形象直观的应用当中；强调程序设计并演示算法的实际效果，使复杂的问题可视化，能让学生充分感受到数字图像处理技术的魅力。通过多年的应用，这种方法有效提高了学生的学习兴趣、学习主动性及学生的实践动手能力。
[关键词]教学辅助系统；应用实例；程序设计；数字图像处理
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0166-02
一、引言
近年来，数字图像处理技术应用广泛，很多理工类高校都开设了数字图像处理课程，并将其作为信息类专业的一门专业主干课程。但长期以来，数字图像处理本科教学普遍存在着难教难学的问题。其原因有以下几点。1.该课程综合性极强，课程内容繁杂，要求学生具备向量、矩阵、概率、统计、线性系统和计算机编程方面的基础知识，这给学生的学习带来很大的挑战。如果教学方法不当，学生会感到内容非常抽象，逐渐失去学好该门课程的信心。2.大学本科教育已由精英教育转为大众教育，现在的本科生，特别是应用型院校的本科生，普遍存在数学基础薄弱、不习惯理论学习和思考、编程能力较弱的现象，很容易遇难而退。
为了解决数字图像处理难教难学的问题，许多教师对数字图像处理课程进行了各种方法的教学改革。沈晓晶等[1]逐阶段地引导学生建立起完整的数字图像处理知识体系，并通过与课题相关的教学案例、实验和课程设计引导学生运用所学知识解决实际问题。熊立伟等[2]从教学内容、课程资源建设、教学方法、考核方式、师资培养等方面进行了研究与改革，在一定程度上提高了学生的学习热情，增强了他们的动手能力。郑林涛等[3]提出将ImageJ软件作为数字图像处理课程教学演示和实验的工具，既可以用其在理论教学环节展示各种图像处理算法的效果，又可以在实验教学环节中通过编写ImageJ软件的插件让学生真正掌握理解图像处理的理论知识。该软件是以JAVA为基础的。魏晗等[4]注重基础理论和科技前沿的有机结合，在理论中渗透实践，在实践中穿插理论；并采用灵活多样的教学方法和丰富的教学手段，提高了学生的学习兴趣及实践动手能力。史彩娟等[5]通过课程实验环节、科研实践环节、社会实践环节以及师资队伍建设等环节构建了多层次、多模式的实践教学体系，取得了较好的实践教学效果。肖红等[6]提出了基于培养学生计算思维能力的任务驱动教学模式，阐述了该教学模式中的任务设计，任务实施的方法及师生角色的转换，并根据数字图像处理课程的教学实例，验证了该教学模式的可行性。宁纪锋[7]开展研究性课堂教学和实践教学等多个方面的教学改革探索，提高了学生的自主学习能力。
以上教师采用的相关方法在一定程度上都能提高教学质量。我们综合各种方法，根据我们的一些成果[8] [9]，设计并使用了教学辅助系统，辅助数字图像处理的教学，这同样能激发学生的学习兴趣，提高学生的学习能力、动手能力和创新能力。
二、数字图像处理程序设计
（一）程序设计语言的选择
数字图像处理课程教学的教学效果与课程中所选用的教学软件密切相关。目前我国高校在数字图像处理课程中常用软件处理平台基本上有三类：Visual C++，Photoshop，MATLAB。
Photoshop是一个常用的图像处理软件，主要应用在平面设计领域，不需要编写程序，通过自学就能掌握该软件的主要功能。但对于数字图像处理课程而言，它只能作为一个图像处理效果演示的工具，不能作为教学的实验平台。
Matlab软件提供了丰富的现成图像处理函数供用户调用，可以节省用户开发底层函数的时间，提高用户的开发效率。学生在使用图像函数时，能快速完成图像处理的结果，但对图像处理的算法并没有进一步学习与巩固。Matlab软件只适应研究者对图像处理的研究，而不适用于计算机等专业的学生学习。
Visual C++软件没有像Matlab环境下有丰富和成熟图像处理库函数以供调用，所有的底层函数都要开发者自己编写。虽然这会影响用户的开发效率，但学生可以巩固理论知识，深刻理解图像处理方法。这对于计算机专业的学生来说，可以提高他们的编程能力。这种方法要求学生有一定的编程能力。
对于计算机类专业的学生来说，目前我们认为选用Visual C++软件（其他Visual软件都可以）作为图像处理课程教学软件最合适。重点是学生必须从底层自己编写代码，这样才能真正理解数字图像处理的各种方法与算法步骤。如果学生只是停留在理解理论公式上，会形成暂短的记忆和大致了解，很容易忘记。
（二）程序设计教学内容
数字图像处理程序设计教学应选择的是教学的重点内容而且程序代码不长。这样才能在课堂上讲解清楚，学生也易掌握。教学内容主要包括图像文件的读取、彩色图像转灰度图像、灰度变换、灰度图像的直方图均衡化、图像空间平滑与锐化滤波处理、灰度水平垂直积分与微分投影、图像几何变换、二值图像的腐蚀与膨胀、二值图像的边界提取、二值图像的几何特征与形状特征的提取、二值图像行程编码、噪声图像复原等。对图像处理的重要方法和程序设计的思路进行讲解，能提高学生的程序设计能力。
（三）程序演示内容
在课堂上除了介绍图像处理程序设计方法与思路外，还要利用开发的数字图像处理算法演示教学软件，将图像处理算法的实际效果进行演示，将算法实现过程中的重点问题转化为图像处理效果，从而将枯燥抽象的理论具体形象化，让学生充分感受到数字图像处理技术的魅力，以此激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的效率。
演示软件设计的原则是：将图像处理算法中的各种可变参数作为输入数据，使学生体会到各种参数的实际含义。程序演示软件内容要比程序设计教学内容多，它几乎涵盖了所有的教学内容。例如：对于彩色图像的浮雕处理，只讲原理和公式是不够的，浮雕处理的结果图像必须通过演示系统显示出来，让学生一目了然，否则无法讲解清楚处理后图像的特征。
三、数字图像处理应用实例设计
在教学过程中，努力将复杂抽象的理论融入形象直观的应用实例当中，在理论中渗透实践，在实践中穿插理论，注重理论联系实际，培养学生的工程实践能力，真正使学生乐学、易学并会学。
（一）应用实例的选择
数字图像处理应用实例选择的原则是：学生熟悉、步骤简洁、算法简单。为了使处理结果准确度高，我们只选择标准规范的图像，而且这些应用实例程序都是自行开发且利用课程所讲的程序设计内容，这样学生会直观感觉到所学所用。应用实例分为两大类，一类为基本知识的应用，其方法简单，学生易理解而且能独立完成；另一类是数字图像处理新方法在当前新产品的应用，这些应用只能简单介绍，让学生大致了解。我们认为最重要的应用是第一类，这种应用更能提高学生的学生兴趣；第二类学生会感觉离自己较远。
我们选择的综合实用案例内容大部分来自我们的科研成果，有些已经体现在我们学生的毕业设计课题中。将历年与数字图像处理实际应用相关的毕业课题进行简化、修改与完善，可以不断充实数字图像处理应用实例软件。目前，我们选择的综合应用实例（以后还会扩充）包括：人像美容、人像美发、指纹识别预处理、车牌识别、手写字体识别、人脸定位、人脸五官定位、水果定位、道路识别等。
（二）在理论知识中渗透应用
由于教学过程是以知识点为单位进行教授，而综合应用实例涉及多个图像处理知识点，因此在授课过程中需要分解实例内容，显示实例的部分结果。例如：灰度水平微分投影包括：灰度图像中确定人眼水平位置，车牌灰度图像中预选车牌水平位置，指纹图像中定位中心水平位置等。RGB与HIS模型的转换包括：人像中的涂口红、涂腮红、美白、去红眼、染发、改变衣服颜色等。
（三）应用实例中分解出理论知识点
在课程教学过程的中期与末期，在总结复习所学知识时，以应用实例进行阶段性教学总结，通过应用实例贯穿图像处理的多个知识点，引导学生融会贯通所学知识，这有利于培养学生的综合应用能力。
四、结束语
随着信息技术不断发展和完善，数字图像处理技术也在不断发展，并且越来越多地应用于各个领域。我们总结十多年的数字图像处理课程的教学经验，在数字图像处理的程序设计、应用实例方面进行了研究与设计，设计了相应的教学软件。经过近五年在本校计算机科学与技术、软件工程、数字媒体技术的实践教学尝试，这样方法能够激发学生的学习兴趣，提高学生进行研究性学习的能力，提高学生的实践动手能力和创新能力，为培养高素质人才打下了坚实的基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 沈晓晶，池涛，王艳.计算机专业数字图像处理教学体系及教学方法探讨[J].长春教育学院学报，2013（23）：45-46.
[2] 熊立伟，吴德华，薛云，张维.地方本科院校“数字图像处理”课程教学改革的思考[J].中国电力教育，2014（3）：107-108.
[3] 郑林涛，董永生.ImageJ软件在数字图像处理课程教学中的应用[J].中国电力教育，2014（8）：112-113.
[4] 魏晗，陈刚，唐永旺，郭志刚.数字图像处理的教学改革与实践[J].中国信息技术教育，2014（8）：12-13.
[5] 陆玲，周书民.数字图像处理基本方法及程序设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.
[6] 陆玲，李金萍.Visual C++数字图像处理[M].北京：中国电力出版社，2014.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]针对数字图像处理课程和特点，借助教学辅助系统，对数字图像处理课程的教学方法进行改革。在教学过程中大量使用实例可将抽象的理论融入形象直观的应用当中；强调程序设计并演示算法的实际效果，使复杂的问题可视化，能让学生充分感受到数字图像处理技术的魅力。通过多年的应用，这种方法有效提高了学生的学习兴趣、学习主动性及学生的实践动手能力。
[关键词]教学辅助系统；应用实例；程序设计；数字图像处理
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0166-02
一、引言
近年来，数字图像处理技术应用广泛，很多理工类高校都开设了数字图像处理课程，并将其作为信息类专业的一门专业主干课程。但长期以来，数字图像处理本科教学普遍存在着难教难学的问题。其原因有以下几点。1.该课程综合性极强，课程内容繁杂，要求学生具备向量、矩阵、概率、统计、线性系统和计算机编程方面的基础知识，这给学生的学习带来很大的挑战。如果教学方法不当，学生会感到内容非常抽象，逐渐失去学好该门课程的信心。2.大学本科教育已由精英教育转为大众教育，现在的本科生，特别是应用型院校的本科生，普遍存在数学基础薄弱、不习惯理论学习和思考、编程能力较弱的现象，很容易遇难而退。
为了解决数字图像处理难教难学的问题，许多教师对数字图像处理课程进行了各种方法的教学改革。沈晓晶等[1]逐阶段地引导学生建立起完整的数字图像处理知识体系，并通过与课题相关的教学案例、实验和课程设计引导学生运用所学知识解决实际问题。熊立伟等[2]从教学内容、课程资源建设、教学方法、考核方式、师资培养等方面进行了研究与改革，在一定程度上提高了学生的学习热情，增强了他们的动手能力。郑林涛等[3]提出将ImageJ软件作为数字图像处理课程教学演示和实验的工具，既可以用其在理论教学环节展示各种图像处理算法的效果，又可以在实验教学环节中通过编写ImageJ软件的插件让学生真正掌握理解图像处理的理论知识。该软件是以JAVA为基础的。魏晗等[4]注重基础理论和科技前沿的有机结合，在理论中渗透实践，在实践中穿插理论；并采用灵活多样的教学方法和丰富的教学手段，提高了学生的学习兴趣及实践动手能力。史彩娟等[5]通过课程实验环节、科研实践环节、社会实践环节以及师资队伍建设等环节构建了多层次、多模式的实践教学体系，取得了较好的实践教学效果。肖红等[6]提出了基于培养学生计算思维能力的任务驱动教学模式，阐述了该教学模式中的任务设计，任务实施的方法及师生角色的转换，并根据数字图像处理课程的教学实例，验证了该教学模式的可行性。宁纪锋[7]开展研究性课堂教学和实践教学等多个方面的教学改革探索，提高了学生的自主学习能力。
以上教师采用的相关方法在一定程度上都能提高教学质量。我们综合各种方法，根据我们的一些成果[8] [9]，设计并使用了教学辅助系统，辅助数字图像处理的教学，这同样能激发学生的学习兴趣，提高学生的学习能力、动手能力和创新能力。
二、数字图像处理程序设计
（一）程序设计语言的选择
数字图像处理课程教学的教学效果与课程中所选用的教学软件密切相关。目前我国高校在数字图像处理课程中常用软件处理平台基本上有三类：Visual C++，Photoshop，MATLAB。
Photoshop是一个常用的图像处理软件，主要应用在平面设计领域，不需要编写程序，通过自学就能掌握该软件的主要功能。但对于数字图像处理课程而言，它只能作为一个图像处理效果演示的工具，不能作为教学的实验平台。
Matlab软件提供了丰富的现成图像处理函数供用户调用，可以节省用户开发底层函数的时间，提高用户的开发效率。学生在使用图像函数时，能快速完成图像处理的结果，但对图像处理的算法并没有进一步学习与巩固。Matlab软件只适应研究者对图像处理的研究，而不适用于计算机等专业的学生学习。
Visual C++软件没有像Matlab环境下有丰富和成熟图像处理库函数以供调用，所有的底层函数都要开发者自己编写。虽然这会影响用户的开发效率，但学生可以巩固理论知识，深刻理解图像处理方法。这对于计算机专业的学生来说，可以提高他们的编程能力。这种方法要求学生有一定的编程能力。
对于计算机类专业的学生来说，目前我们认为选用Visual C++软件（其他Visual软件都可以）作为图像处理课程教学软件最合适。重点是学生必须从底层自己编写代码，这样才能真正理解数字图像处理的各种方法与算法步骤。如果学生只是停留在理解理论公式上，会形成暂短的记忆和大致了解，很容易忘记。
（二）程序设计教学内容
数字图像处理程序设计教学应选择的是教学的重点内容而且程序代码不长。这样才能在课堂上讲解清楚，学生也易掌握。教学内容主要包括图像文件的读取、彩色图像转灰度图像、灰度变换、灰度图像的直方图均衡化、图像空间平滑与锐化滤波处理、灰度水平垂直积分与微分投影、图像几何变换、二值图像的腐蚀与膨胀、二值图像的边界提取、二值图像的几何特征与形状特征的提取、二值图像行程编码、噪声图像复原等。对图像处理的重要方法和程序设计的思路进行讲解，能提高学生的程序设计能力。
（三）程序演示内容
在课堂上除了介绍图像处理程序设计方法与思路外，还要利用开发的数字图像处理算法演示教学软件，将图像处理算法的实际效果进行演示，将算法实现过程中的重点问题转化为图像处理效果，从而将枯燥抽象的理论具体形象化，让学生充分感受到数字图像处理技术的魅力，以此激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的效率。
演示软件设计的原则是：将图像处理算法中的各种可变参数作为输入数据，使学生体会到各种参数的实际含义。程序演示软件内容要比程序设计教学内容多，它几乎涵盖了所有的教学内容。例如：对于彩色图像的浮雕处理，只讲原理和公式是不够的，浮雕处理的结果图像必须通过演示系统显示出来，让学生一目了然，否则无法讲解清楚处理后图像的特征。
三、数字图像处理应用实例设计
在教学过程中，努力将复杂抽象的理论融入形象直观的应用实例当中，在理论中渗透实践，在实践中穿插理论，注重理论联系实际，培养学生的工程实践能力，真正使学生乐学、易学并会学。
（一）应用实例的选择
数字图像处理应用实例选择的原则是：学生熟悉、步骤简洁、算法简单。为了使处理结果准确度高，我们只选择标准规范的图像，而且这些应用实例程序都是自行开发且利用课程所讲的程序设计内容，这样学生会直观感觉到所学所用。应用实例分为两大类，一类为基本知识的应用，其方法简单，学生易理解而且能独立完成；另一类是数字图像处理新方法在当前新产品的应用，这些应用只能简单介绍，让学生大致了解。我们认为最重要的应用是第一类，这种应用更能提高学生的学生兴趣；第二类学生会感觉离自己较远。
我们选择的综合实用案例内容大部分来自我们的科研成果，有些已经体现在我们学生的毕业设计课题中。将历年与数字图像处理实际应用相关的毕业课题进行简化、修改与完善，可以不断充实数字图像处理应用实例软件。目前，我们选择的综合应用实例（以后还会扩充）包括：人像美容、人像美发、指纹识别预处理、车牌识别、手写字体识别、人脸定位、人脸五官定位、水果定位、道路识别等。
（二）在理论知识中渗透应用
由于教学过程是以知识点为单位进行教授，而综合应用实例涉及多个图像处理知识点，因此在授课过程中需要分解实例内容，显示实例的部分结果。例如：灰度水平微分投影包括：灰度图像中确定人眼水平位置，车牌灰度图像中预选车牌水平位置，指纹图像中定位中心水平位置等。RGB与HIS模型的转换包括：人像中的涂口红、涂腮红、美白、去红眼、染发、改变衣服颜色等。
（三）应用实例中分解出理论知识点
在课程教学过程的中期与末期，在总结复习所学知识时，以应用实例进行阶段性教学总结，通过应用实例贯穿图像处理的多个知识点，引导学生融会贯通所学知识，这有利于培养学生的综合应用能力。
四、结束语
随着信息技术不断发展和完善，数字图像处理技术也在不断发展，并且越来越多地应用于各个领域。我们总结十多年的数字图像处理课程的教学经验，在数字图像处理的程序设计、应用实例方面进行了研究与设计，设计了相应的教学软件。经过近五年在本校计算机科学与技术、软件工程、数字媒体技术的实践教学尝试，这样方法能够激发学生的学习兴趣，提高学生进行研究性学习的能力，提高学生的实践动手能力和创新能力，为培养高素质人才打下了坚实的基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 沈晓晶，池涛，王艳.计算机专业数字图像处理教学体系及教学方法探讨[J].长春教育学院学报，2013（23）：45-46.
[2] 熊立伟，吴德华，薛云，张维.地方本科院校“数字图像处理”课程教学改革的思考[J].中国电力教育，2014（3）：107-108.
[3] 郑林涛，董永生.ImageJ软件在数字图像处理课程教学中的应用[J].中国电力教育，2014（8）：112-113.
[4] 魏晗，陈刚，唐永旺，郭志刚.数字图像处理的教学改革与实践[J].中国信息技术教育，2014（8）：12-13.
[5] 陆玲，周书民.数字图像处理基本方法及程序设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.
[6] 陆玲，李金萍.Visual C++数字图像处理[M].北京：中国电力出版社，2014.
[责任编辑：陈 明]
