潘 祥,刘宏申,陶 陶
(安徽工业大学 计算机科学与技术学院,安徽 马鞍山 243002)
数字图像处理课程的研究性实践教学探索
潘 祥,刘宏申,陶 陶
(安徽工业大学 计算机科学与技术学院,安徽 马鞍山 243002)
数字图像处理课程对培养计算机视觉领域创新实践性人才起着重要作用。本课程教学实践表明,研究性实践教学能够提高学生进行研究性实践与创新的能力,激发学生学习兴趣,培养学生运用知识进行项目研发的能力。
数字图像处理;研究性实践;创新实践能力
数字图像处理是计算机视觉课程群的一门专业核心课程,其具有工科专业课程所共有的很多特点,综合性极强,涉及数学、物理学、数字信号处理、摄影学、生物生理学、心理学、计算机科学、控制理论等多个学科领域的知识,且各个学科的发展以及它们之间的交叉、集成和渗透,都极大地推动着数字图像处理技术的快速发展,也促使数字图像处理课程的教学内容在不断更新 。[1-2]良好的机器视觉产业背景以及巨大的应用市场需求,促使我国产生了对数字图像处理、计算机视觉方面大量人才的培养要求。经历近些年来的发展,我国图像处理课程的教育与实践已经取得了十分丰硕的成果,但有些问题仍未有效解决,特别是教学与社会需求脱节严重,对学生的研究性实践能力训练模式有待创新。[3-5]当前我国图像处理课程教育与社会对图像处理方面的人才要求之间存在着较大的不匹配,导致这一偏差存在的直接原因是实践教学模式陈旧,主要表现在图像处理领域的人才培养模式仍然没有突破学科教育体系,数字图像处理课程的实验教学模式陈旧等。
为了能够切实提高学生的研究性实践创新能力,我们在数字图像处理课程的研究性实验教学方面进行了教学改革与探索,着重训练学生的研究性思维能力、理论联系实际的能力以及解决实际应用问题的研究性实践能力。传统的数字图像处理实验教学一直是作为理论课程的辅助教学形式,多为一些验证性、演示性以及基础知识性的实验操作,常用的那些实验内容不全或陈旧,没有涉及数字图像处理领域最新的研究成果与热点;绝大多数实验仅仅是对数字图像处理算法进行演示,没有考虑培养训练学生动手能力的设计,因此很难有效调动学生的学习积极性和主动性,更别说对学生创新实践能力的培养。因此,我们针对数字图像处理课程的特点,从以下方面对数字图像处理课程进行实验教学改革和研究性实践。
“计算机视觉与图像处理研究所”是安徽工业大学的一个独立研究单位,拥有博士5名,同时依托我校计算机科学与技术学科的优势。我们在图像处理课程的教学过程中,结合教师的科研项目进行讲授,从而从多方面促进学生的研究性创新能力。我所研究的机器视觉缺陷实时在线检测项目是我校计算机科学与技术专业的特色,基于此平台的计算机视觉也形成了一个具有特色的培养方向。数字图像处理作为计算机视觉缺陷实时在线检测的重要理论和技术基础,在数字图像处理课程的教学过程中,我们将缺陷在线检测系统中所运用到的有关数字图像处理前沿的基础知识和技术引入到课堂中。例如讲授缺陷提取技术要求与视觉描述的特点,运用了预处理、分割与特征检测、提取等图像处理技术。课程教师队伍目前承担了一批与数字图像处理技术密切相关的纵向科研课题(含国家自然科学基金项目、安徽省自然科学基金项目、安徽省教育厅自然科学基金重大项目等)和横向科研课题。在这些项目资助的基础之上,创造了良好的实验条件与平台。学生借助此平台,可结合教师的科研课题,参加校内外的科技活动,开展一些与数字图像处理技术有关的研究性实践工作,培养适应社会的工程研究性实践的能力,取得了不错的效果。例如2014 级的16名学生申请了两项大学生创新训练项目——“基于背景重构的人员越界实时监测系统研究”和“基于分数阶微积分的大视角无缝拼接方法研究”,参加项目人数占本班级学生总数的45%。以上改革实践措施极大地调动了学生在学习图像处理课程上的积极性与创新性,从另一个侧面提高了教育教学的质量和效果。
在数字图像处理实验中要求学生利用Microsoft Visual C++环境,能够帮助学生提高应用软件的开发实践能力和适应社会需求的能力。数字图像处理是一门对计算机依赖很强的技术,数字图像处理算法最终要在计算机上得以实现与验证。目前,在实际应用中基于Microsoft Visual C++开发环境的数字图像处理编程占据了主流的地位,为了实现面向创新实践性应用的数字机图像处理课程教学目标,且考虑到C/C ++语言是目前高校计算机类专业的必修课程,我们基于Microsoft Visual C++开发环境设计数字图像处理的相关实验内容,力求使学生在完成这些实验后能够掌握工业应用中的一些图像处理算法,达到培养创新应用型人才的目的。对于本科生,数字图像处理课程一般开课时间为大三的下学期或者大四的上学期,在这个时期学生同时面临毕业就业的压力,基于该考虑我们从面向实际应用作为出发点来设计实验,以工业中应用最为广泛的几种图像处理算法作为重点实践内容,如空域中的图像处理算法:图像的读写、边缘检测、图像的连通域求取、图像分割、特征提取、目标检测与跟踪、图像的背景建模等内容。[6]对于理论较深、实用不广泛的内容则要求学生进行创新性研究。基于此我们以VC++软件平台为基础设计如下必做实验:(1)在WINDOWS 系统中理解BMP位图的格式及图像的读写与显示。(2)空域中图像的边缘检测方法。(3)图像连通域的求取。(4)分水冷分割方法。(5)角点特征提取。(6)人脸检测与跟踪。(7)贝叶斯背景建模。
除以上实验内容以外,实验课中还预留了让学生自主选做或者设计自己感兴趣的实验项目,教师通过指导实验使学生进一步深入掌握数字图像处理知识,激发学习兴趣与动力,达到锻炼个人创新实践能力的目的。
目前,对于数字图像处理课程的实验教学仍然采用传统的验证性实验方式。传统的验证性实验虽然也能帮助学生深刻地理解图像处理算法功能,实实在在地感受各种算法的功能,一定程度上能激发学生的兴趣,但是验证性实验中的实验只是对算法做验证,且相互独立的。 通过验证性实验,学生获得的知识都是传统的、固有的,不利于培养学生的研究性创新实践能力。我院“数字图像处理”课程的理论及实验教学主要对象是计算机科学与技术、软件工程专业学生,学生在进行数字图像处理实验时,在大多数情况下都只是按着实验课程的要求进行简单的处理,致使创新能力不能得到有效培养。为了能让学生从研究性实践的角度理解相关方法,改变一贯被动接受的学习模式,加强学生科学研究方法的学习,引导学生重视实验探究活动,培养学生的研究性实践能力,我们在传统的实验题目基础上增加新内容,引入新方法和新手段,将传统实验改变为研究性实验,以提升学生的兴趣和研究性实践能力。用分数阶微分方法研究图像去噪,对数字图像处理研究性实验教学进行探索,使图像处理实验成为培养学生创新能力的载体。
基于整数阶次微积分的去噪算法,虽然都能在不同程度上去除图像的噪声,但是通常会使其丢失大部分的边缘和细节信息。该实验在Opencv上有现成的程序代码,很快就能实现。该实验属于验证性实验,在实验过程中学生只是将代码录入,甚至直接复制、粘贴,从而多数学生对实验原理不清楚,认为实验枯燥、毫无新意。分数阶微积分作为整数阶微积分理论的推广,近几年已经迅速运用于数字图像处理领域,并取得了一系列的成果。[6-8]学生在已具有整数阶微分知识的基础上,可以首先了解分数阶微积分的定义与性质,阅读分数阶微积分图像处理应用的文献,如《基于分数阶微分的图像增强》、《基于分数阶微分的边缘检测》、《基于分数阶偏微分的图像去噪新模型》等。[6-8]然后,我们让学生尝试着推导出分数阶去噪模型,并进行试验对比与分析。学生在设计分数阶次滤波器模型时遇到不能解决的问题,教师启发引导学生将整数阶次用τ阶分数阶次来替换(0<τ≤1 ),由浅入深地设计出基于分数阶次积分的去噪模型,并且通过调节阶次τ得到不同的实验结果,从而深入理解基于分数阶积分的图像去噪思想。
学生在通过这样一个创新性实验训练后,深刻理解了图像去噪的原理,并且接触到了数字图像处理去噪新方法,增强了对数字图像处理的兴趣,大大开拓了视野。如果继续拓展分数阶微积分在图像处理其他领域的应用,也将得到新的成果,所以我们还可以并且有必要对分数阶微积分进行更为广泛的实验推广,开设新的开放创新实验内容。
[1]孙涵,陈松灿,刘宁钟,等.研究生模式分析与视觉处理课程群改革与实现[J].学科探索,2016(1): 30-32.
[2]冈萨雷斯.数字图像处理[M]. 阮秋琦,译.北京:电子工业出版社,2003.
[3]张丽红.“数字图像处理”课程的研究性教学探索及实践[J].中国科教创新导刊,2011(13): 109-110.
[4]朱旗,孙涵.数字图像处理课程教学模式改革研究[J]. 课程教学,2016(1): 107-108.
[5]李金萍,陆玲,刘自强,等.数字图像处理课程实验教学改革探索-在实验教学中培养学生创新实践能力[J].科技视界,2012(1): 23-24.
[6] Xiang Pan, Yongqiang Ye, Jianhong Wang. Complex Composite Derivative and its Application to Edge Detection [J].SIAMJournalonImagingSciences, 2014, 7(4): 2807-2832.
[7]杨柱中,周激流,晏祥玉,等.基于分数阶微分的图像增强[J].计算机辅助设计与图形学学报,2008,20(3):343-348.
[8]蒋伟.基于分数阶偏微分方程的图像去噪新模型[J].计算机应用,2011,31(3):753-756.
(责任编辑 汪继友)
Exploration on Research Teaching of Digital Image Processing
PAN Xiang, LIU Hong-shen, TAO Tao
(School of Computer Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, Anhui, China)
The digital image processing course plays a crucial role in cultivating practical innovative talents in the field of computer vision. The practice of teaching indicates that investigative practice teaching could improve the practical ability and innovation of student, inspiring student’s interest and cultivating the ability to apply the knowledge to research and develop the project.
digital image processing; investigative practice; creativity and practical skills
2016-03-13
安徽工业大学教学研究重点项目(2014jy13)
潘 祥(1983-),男,安徽亳州人,安徽工业大学计算机科学与技术学院讲师,博士。
G642.0
A
1671-9247(2016)03-0072-02