“数字图像处理”理论与实践相结合的教学模式

杨淑莹 张 桦

摘要:“数字图像处理”是一门理论与实践、原理与应用紧密结合的课程,在课堂教学上需要增加理论实现技术的教学环节。本文提出一种面向理论与实践相结合的教学模式,将教学模式从理论灌输教育转向更为务实的专业素质教育,进一步阐述提高课程教学质量的若干思路与举措,为提高学生的实践能力奠定坚实的基础。

关键词:图像处理;教学模式;傅立叶变换

中图分类号:G642 文献标识码:B

1“数字图像处理”课程教学改革的必要性

随着计算机技术和相关算法的发展,数字图像处理在工业自动化、机器人、雷达信号处理等领域都获得了广泛的应用。“数字图像处理”课程是信息类相关专业的专业课,主要学习应用计算机对数字图像进行分析和处理的基本理论、方法。要求学生在掌握有关图像处理和图像分析的基本概念、基础理论、典型方法的基础上,掌握一定的编程实践技能,能够利用计算机编程实现图像信息的各种处理,如图像变换、图像增强、图像分割、图像分析、图像编码等。培养和增强学生创新意识和创新思维,提高实际动手能力和创新能力,为学生进一步学习计算机视觉、模式识别等课程奠定基础。

“数字图像处理”课程起点高、难度大,理论性和实践性很强。传统教学以理论介绍为主,强调理论的体系和概念,忽视理论的实现步骤,基本的编程代码,造成学生在学习时,普遍感到理论的概念抽象,对理论的理解仅限于表面认识,很难看到理论的实际应用效果。面临实际问题时,学生往往不知所措,不知从何下手,更谈不上创新应用。面对这样一门理论与实践、原理和应用紧密结合的课程,学生们在学习中往往会碰到很多困难,既为数字图像处理广泛的应用前景所吸引,也常常困扰于课程的理论性,在一些繁杂的数学推导面前望而却步,从而逐渐丧失学习兴趣。这种局面的形成与长期以来的应试教育模式不无关系。

如今,我们大力提倡专业素质教育,注重培养学生的学习兴趣和创造力,强调实践和应用能力,力求把握本学科的基本思想方法,避免学生出现“只见树木,不见森林”的现象。改革“数字图像处理”课程的教学理念,提高其教学质量,将教育模式从应试教育转向更为务实灵活的专业素质教育,这是摆在我们面前的一个迫切需要解决的课题。并以计算机类的“数字图像处理”课程为例,阐述进一步提高课程教学质量的若干思路与举措。

2注重理论与实践相结合的教学模式

要想激发学生的学习兴趣,激励学生的创造性思维,就要在如何将枯燥的理论推导转化为立竿见影的实际操作上下功夫。一方面需要在课堂教学中引入适当的图例分析和编程处理实例,将复杂的算法以最直观的方式展现在同学面前,将图像处理前后的效果比较,通过演示算法来提高学生对理论的直觉感受,使原本很抽象的内容变得生动具体。同时,另一方面也需要满足学生课后实践的要求,针对一些典型的处理方法开设实验,给学生提供边学习边实践的机会,应用平时所学的知识,通过软件编程实现,观察处理之后的效果。不但可以巩固所学知识,还可提高学生的动手能力。为了让学生既能够掌握基本理论,又能培养学生的动手能力。课堂教学注重理论与实践相结合。本文提出教师在课堂教学上应提供“理论分析→作用演示→实现步骤→编程代码→小结”的五个教学环节。

2.1理论分析环节

针对“数字图像处理”课程所授内容离不开计算机编程实现,仅仅纸上谈兵是不够的。课堂上不能只介绍理论,使学生理论与实际相脱离,在实践中无从下手。同时,课堂上也不能花大量的时间讲解复杂的程序框架下的实现代码。这就要求教师在课堂上既要阐述理论的分析、推理和作用,又要提供基于理论的处理方法,编程代码,及实例应用分析,熏陶学生处理的思路和编程的技巧。

在这一环节上,教师需要循循善诱讲解理论的推理和理论的作用。由于增加了其它的环节,在这一环节上较以前的讲解应该更需简练。在课程内容上坚决贯彻“少而精”原则,大力压缩多年形成的过窄、过深和过繁的教学内容,为实践性的教学环节,以及学生的创新能力和实践能力培养争取到了必要的时间和空间,这样使学生打下坚实的基础,有利于他们的进一步发展。

2.2理论作用演示环节

课堂上通过运行代码,用来演示各种算法,学生可以见到理论应用到实际的效果,增加对理论的认识,掌握理论付诸于实践的技术,同时提供各种算法的源代码供学生参考学习。

2.3实现步骤环节

这一环节的目的是使学生能够从整体上了解理论实现的步骤,为理解理论实现的软件编程代码打下基础。讲解实现步骤要启发引导,简明扼要。

2.4编程代码环节

讲解编程代码的目的是让学生掌握理论实现的具体方法和技巧,提供学生模仿手段,缩短学生理论联系实际所需的探索时间,提高学生动手实践能力。

2.5小结环节

目的是进一步对技术原理、作用和实现方法进行总结,将难点、重点小结,同时提出新的思考问题,让学生思考和练习。

2.6新的教学模式应用

按照本文提出的五个教学环节,笔者以图像频域变换处理课堂讲解方式为例,介绍这五个步骤的执行过程。

(1) 先介绍傅立叶频域变换、理想低通滤波,理想高通滤波等基本理论。

(2) 教师利用教学辅助软件,运行实例,进行理论验证,见到理论作用,如图1所示。(a)所示代表原图,图(b)、(c)、(d)分别显示快速傅立叶变换、理想低通滤波和理想高通滤波的效果,从(c)、(d)幅图非常容易理解理论的作用和效果。

(3) 介绍傅立叶频域变换的实现步骤,具体为以下7个步骤:

① 获取原图像的数据区首地址、图像的高度和图像的宽度。

② 计算进行傅里叶变换的宽度和高度,这两个值必须是2的整数次方。计算变换时所用的迭代次数,包括水平方向和垂直方向。

③ 行列顺序依次读取数据区的值,存储到开辟的复数存储区。

④ 调用一维快速傅里叶变换函数进行垂直方向的变换。

⑤ 转换变换结果,将垂直方向的变换结果转存回时域存储区。

⑥ 调用一维傅里叶变换函数,在水平方向上进行快速傅里叶变换(步骤同上①—④)。

⑦ 将计算结果转换成可显示图像,并将坐标原点移至图像中心位置,使得图像可以显示整个周期频谱。

(4) 笔者课堂教学软件采用Visual C++ 6.0开发工具进行开发,介绍傅立叶频域变换软件核心代码。

(5) 总结。对傅立叶变换的原理、作用和实现方法进行总结,强调难点、重点,同时对学生进行启发式教学,让学生思考理想低通滤波、理想高通滤波的实现步骤及软件核心代码的变化。

“作用演示”可以安排在“理论分析”之前,也可以放在“编程代码”之后,或随着讲解的需要,随时进行多次演示。“作用演示”放在“理论分析”之前,能够让学生事先了解本次教学的内容,了解技术原理的作用,做到有的放矢,心中有数;“作用演示”放在“编程代码”之后,可以进一步对教学内容进行总结。

3新教学模式对教师的要求

本文提出课堂教学分五个步骤,即“理论分析→作用演示→实现步骤→编程代码→小结”,笔者认为这五个步骤相辅相成,缺一不可。教师在讲解某种基本理论之后,采用启发式教学讲解实现步骤,让学生了解算法的实现思路和方法,再进行软件演示,进一步让学生体会短小精悍的核心代码编程语句,通过运行代码,学生可以见到理论应用到实际的效果,增加对理论的认识,掌握理论付诸于实践的技术。

“作用演示”需要教师课前对教学软件进行开发或深入解读源代码,需要教师具备编程能力,及将理论与编程代码相结合的解释能力,客观上对教师的要求更高。

4结语

本文根据“数字图像处理”课程的具体特点,结合教学实践,提出“理论分析→作用演示→实现步骤→编程代码→小结”一系列改善教学效果的思路和举措。这种教学方式将理论与实践有机结合起来,学生可以从理论和实用的编程技巧两方面掌握图像处理技术,提高动手实践能力,使学生认识更加具体、生动,牢固掌握所学知识,达到理论与实践相结合的教学目标。我们在教学中强调理论算法与编程的有机结合,经过这种方式培养的学生能够解决基本的图像处理问题,同时可以按照教师提供的软件平台框架进行综合处理,添加相应的代码,创新出新的变换效果。课堂上学生学习热情高,兴趣浓厚;课下学生通过查资料、选择设计方案、程序编写与调试等一系列的工作解决新的实际问题,很大程度地提高了学生的学习主动性和创新能力。学生在设计思想、开拓意识、创新能力、科学素养和动手能力等方面得到了培养和锻炼,感受到成功的喜悦和自我价值的实现,树立了科技创新的信心。

教学改革是一项长期的任务,改革传统重理论轻实践的教学理念,将教学模式从理论灌输教育转向更为务实的专业素质教育,还需要持续深入的研究、探讨和实践。

参考文献:

[1] 胡孝忠. 应用教育技术优化课堂教学[J]. 兵工自动化,2004(4):63-63.

[2] 张大良,吕浩雪. 打造精品课程,提升教学质量[J]. 中国高等教育,2003(9):6-7.

[3] 杨淑莹. VC++图像处理程序设计[M]. 北京:清华大学出版社,2003.

[4] 杨淑莹.“数字图像处理”理论与实践相结合的教材建设[J]. 计算机教育,2009(6):7-9.