“数字图像处理”课程教学实践与探讨

郑慧诚

(中山大学信息科学与技术学院，广东 广州 510275)

“数字图像处理”是信息类专业重要的本科专业课程之一，也是包括计算机视觉、模式识别、信息安全等在内的学科方向重要的基础课程。该课程的理论性与实践性都比较强，对前期课程基础要求较高。已有一些作者在“数字图像处理”课程的教学改革与实践方面进行了有意义的探索［1，2］。本文结合我校信息科学与技术学院本科生讲授“数字图像处理”课程的实践，介绍在该课程教学方面的一些探索和体会。

1 教学过程中的可视化手段

“数字图像处理”课程的内容比较适于可视化教学［3］，有利于充分发挥多媒体教学手段的优势。由于该课程理论性很强，特别是涉及到频域处理的内容，概念相对抽象，数学推导和公式较多，需要结合课程特点，可充分发挥电子课件的优势。

我们可以利用电子课件依序展现图像处理过程。例如，对基于频域的图像相关性运算，虽然在我们采用的Gonzalez等的教材中通过例4.11分析了运算效果，但如果利用电子课件的动态演示优势，将作用在输入图像上的相关运算过程根据处理先后利用PowerPoint的动画功能形象地表示出来，将可加深学生对处理过程的理解和记忆［4］。图1所示是我们在授课中采用的图解方法(黑色字符区域对应高像素值，边框代表图像边界)，讲解时图中各部分按处理先后逐步动态呈现。

图1 图像相关运算的可视化图解示例

但如果不注意把握节奏，讲解速度容易过快，导致学生来不及消化吸收。而且，电子课件的演示内容在上课前已基本固定，不易随机应变，备课时要预先有所准备，利用板书、口头讲解等方式加入一些灵活的内容。传统的板书方式节奏虽然较慢，但讲义内容连续，教师有足够时间组织语料。此外，对于一些推导性的内容，传统的板书方式仍比较有效，也受学生欢迎。

2 知识关联比较

“数字图像处理”课程知识体系比较复杂，学生常有理解不透彻的感觉。这种现象的原因之一在于学生未能形成有机完整的知识体系，对概念的掌握零散以致混淆。如果能有意识地提示相关概念之间的联系，特别是在引入新概念时，注意与已学相关概念进行关联比较，则能有效加深学生对新旧知识的理解，并形成长效记忆。比如在介绍像素间的基本关系时涉及到相邻、邻接、连通、区域和边界等多个概念，如果简单地逐一介绍这些概念，学生过后容易产生混淆。此时如果注意提示学生这些概念之间的联系，例如按图2所示方式将它们串起来，学生容易掌握这些不同概念，并且不易忘记。

图2 像素间关系的概念关联图

又如，滤波器广泛应用于图像增强、去噪和边缘检测等，是本课程的重要内容之一。它既可从空间域利用积分、微分思想设计，也可从频率域利用系统频率响应的思想设计，因此相关知识点往往散布于各章节。如果不进行关联比较，学生容易混淆不同类型滤波器及其作用。因此在课程进展到适当阶段时，可总结梳理相关知识点，帮助学生建立系统的知识关联结构。例如平滑滤波器有空域和频域两种形式，空域内有线性滤波器(如一些均值滤波器)与非线性滤波器(如各种统计排序滤波器)，频域内则为低通滤波器(包括理想型、巴特沃斯型、高斯型)。类似地，锐化滤波器也有空域与频域的对应表达。而用于消减周期噪声的滤波器一般在频域内设计。讲解时注意通过横向比较揭示不同滤波器之间的联系与区别，例如阿尔法修剪均值滤波器在一定条件下转化为算术均值滤波器或中值滤波器。

3 理论与实践结合

“数字图像处理”课程具有较强的实用性，在教学理念上要有机结合理论教学与实践教学，各有侧重，又交叉融合。我们在授课中推荐Matlab作为图像处理实验编程语言。因其易学易用，界面友好，有专门的图像处理工具箱，配合辅助教材［5］易于结合到授课过程中，教材的配套网站还提供了实验课题供教学选用。为帮助学生尽快上手，我们分配了约一课时介绍Matlab中的图像表示、输入输出及图像处理工具箱等基础知识。在此后的授课过程中，则适时结合Matlab介绍相关图像处理操作，并鼓励学生上机实践体会。

在授课过程中结合科研或生产实际有利于进一步提高学生的学习兴趣和创新意识。例如结合学生专业特点和教师科研课题，适当穿插讲解图像处理在计算机视觉、模式识别和信息安全等领域的应用，以加深学生对数字图像处理应用前景的认识，使学生树立学好这门课程的决心和信心。

4 双语教改尝试

由于“数字图像处理”课程的理论基础要求较高，学生完全理解和掌握有一定难度，因此我们在本课程中推进双语教学时比较慎重。考虑到一般学生的专业英语水平有限，开始时使用英语比重可适当降低。我们在授课实践中，采用了国外英文教材，课堂讲授以中文为主，辅以英文术语介绍。学生课后可根据课堂所学内容进一步阅读英文材料，在学习专业知识的同时提高科技英语水平。

我们通过分析比较，采用了文献［4］的经典教材。该教材强调基本概念和原理，既能深入浅出地介绍重要而抽象的概念，又不失数学上的严谨性，其融入启发式教育和创新意识培养的思想与我国目前提倡的素质教育和创新教育能很好吻合。同时，该书的姊妹篇材［5］为基于Matlab的双语实践教学提供了支持。两本教材的教学支持网站内容丰富，包括图像素材、软件工具箱及源码、教辅资料等。而且，现已有对应的中文翻译版可做参考，易于实现课程内容的中英文结合。

5 改进教学大纲

教学大纲是实施教育思想与教学计划的基本保证，也是学生学习的指导性文件。我校近期对本科教学大纲进行了一次大修订，以配合学校推进本科教育大类培养模式改革。在这一形势下，我们对“数字图像处理”课程教学大纲也进行了修订。相对过去的教学大纲，新大纲的主要特点在于:①对推荐采用的教材进行具体分析，指出其优点及不足，供授课教师参考;②更为详细地指出对各知识点的要求，并给出教学的重点与难点等提示性信息。

［1］魏广芬等.“数字图像处理”课程教学改革的尝试［J］.南京:电气电子教学学报，2009，31(6):24-25

［2］周海芳.“数字图像处理”课程研讨式教学［J］.北京:计算机教育，2010(24):93-97

［3］张坤华，纪震.“数字图像处理”可视化教学体系探索［J］.南京:电气电子教学学报，2007，29(1):113-115

［4］R.C.Gonzalez，R.E.Woods.Digital Image Processing(2nd edition)［M］.北京:电子工业出版社，2007

［5］R.C.Gonzalez，R.E.Woods，S.L.Eddins.Digital Image Processing Using Matlab［M］.北京:电子工业出版社