面向实践创新能力培养的数字图像处理教学

胡彬

摘 要 分析数字图像处理的课程特点，根据学生特点和课程规划对课程内容进行合理安排，选取适合学生的课程内容。在教学中通过加强实践训练、引入OpenCV和最新的科研成果，提高学生的创新能力和动手能力，提升数字图像处理课程教学质量。

关键词 数字图像处理；OpenCV；实践创新能力

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）04-0118-02

1 前言

数字图像处理是一门集光学、计算机科学、应用数学等学科为一体的综合性学科，经过多年的发展，该学科在通信工程、遥感技术、医用图像处理等许多领域都发挥着越来越重要的作用[1]。随着技术的发展，数字图像处理领域不断涌现出新方法，这就要求授课教师将最新的成果和前沿知识纳入教材，以适应学科的发展。数字图像处理又是一门实践性很强的学科，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出，教学不能单纯地进行知识的灌输，要以提高学生的实践能力为目标[2]。

在南通大学计算机科学与技术学院实施“国家卓越工程师培养计划”项目背景下，笔者积极探索数字图像处理的教学模式。本文分析了数字图像处理课程的特点，在教学中引入了实践应用和最新科研成果，取得了较好的教学成果。

2 数字图像处理学科特点

数字图像处理课程主要讲述数字图像的基本原理、理论和方法，内容包括了图像增强、变换、恢复、重建、分割、识别等内容，涉及算法繁多，理论性和实践性都很强，和数学的联系非常紧密。整个课程体系更是涉及模式识别、数据结构、数字信号处理、程序设计等支撑课程，主要有以下两个特点。

1）理论与实践并重。该课程内容宽广、理论抽象、算法繁多，同时与实际生活联系紧密，传统教材内容以理论介绍为主，强调理论体系概念，较少涉及编程和应用，导致学生理论与实际脱节，不利于培养学生发现问题、解决问题以及创新的能力[3]。

2）发展速度快，应用范围广。图像视频处理领域的新理论、新方法、新应用不断推陈出新，每年在CVPR这样的国际会议和国际期刊上涌现出大量的新方法。其应用领域也涉及智能交通、公共安全、生物医学等各个方面。

针对课程的特点，本文规划了合理的教学内容，强化了实践教学，并将科研引入教学，下文将从这几点叙述。

3 合理规划教学内容

数字图像处理涉及内容相当多，章毓晋将图像工程分成三个层次，从偏硬件的图像获取，中间层次的图像处理，到高层的图像理解[5]，以有限的课时要把所有内容都涉及是不现实的，而且学生也无法掌握。针对计算机学院的教学大纲和偏软的特点，将课程重点安排在中间层次上，表1所示为教学内容安排。

图像采集部分和图像编码做简要介绍，旨在让学生了解构成一个图像采集系统所需的摄像头和采集卡的基本原理。对于中间层次的内容，分成四个主题，分别是图像增强、图像平滑、边缘检测和图像分割，而且重点介绍基于空域的方法，基本不涉及频域（如傅里叶变换、小波变换等）的处理方法，涉及的算法从点运算到邻域运算，编程实现上也是一个由简到难的过程。

图像理解方面则选择基于视觉的目标检测作为主题，此处引入OpenCV作为编程工具，让学生能够学习掌握新的图像处理工具。安排了两个子主题：基于知识的车辆检测和基于机器学习的行人检测。前者的解决需要将前面介绍的知识点串联起来，后者则引入图像识别、模式识别相关的知识，同时可以将一些前沿知识介绍给学生。

4 强化实践教学

在教学内容规划上，以基于空域的图像处理方法为重点，重点涉及图像增强、图像平滑、边缘检测、分割和识别等内容，在每一个主题课堂教学之后，就立即安排实验，让学生在理论学习之后能够立即通过实践巩固所学知识。实验平台选择为Visual Studio2012，语言选择为C++，提高了学生的程序设计能力。对于图像理解这一部分，由于这部分难度比较大，引入OpenCV，它是一个基于C++的开源图像处理库，涵盖了图像处理的基本算法、机器学习的部分算法和GUI相关的接口。学生在利用OpenCV解决问题的时候，可以同时参考其源码，将其与前面实验时自己写的代码比较，这样既加深了对算法的理解，又提高了编程能力。

5 将科研引入教学

在教学中引入科研实例和科研成果，可以使学生明确学习目的，激发学习和探究的兴趣，提高学生自主研究意识和创新能力，学生可以了解该方向的前沿技术和应用领域，对以后的学习和工作都有重要的引导作用。在图像理解这一单元的学习时，就将科研引入教学中，比如针对行人检测，介绍了HOG特征[6]、objectness检测[7]等前沿的科研。

6 综合评定学生成绩

在本课程中，笔者则通过综合评定方式来确定学生的成绩。教学内容的安排多以经典算法讲解为主，由于课时有限，不可能将更新、更前沿的算法一一介绍，这就要求学生课后去阅读学习。因此就某一问题，如图像分割，去进行课后阅读并撰写综述报告是考核重点之一。另一项考核内容则是实验部分，要求学生完成一定量的实验并撰写实验报告，动手能力强的学生则可以通过完成更多的实验项目来提高分数。

7 小结

数字图像处理是一门发展迅速的学科，也是一门理论与实践并重的学科，因此对教学的要求也比较高。本文从自身教学出发，总结数字图像处理的特点，提出在教学中加强实践应用和引入最新科研成果的新思路，并在教学中加以实施，提高了学生的创新能力和实际编程能力。

参考文献

[1]孙少林，马志强，汤伟，等.《数字图像处理》教学改革初探[J].价值工程，2012，31（8）：168-169.

[2]曹玉东，王冬霞，周军.数字图像处理课程教学改革与探索[J].辽宁工业大学学报：社会科学版，2013（2）：129-131.

[3]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.

[4]刘文礼，陶佰睿，何鹏，等.面向创新实践能力培养的数字图像处理教学改革[J].高师理科学刊，2013（1）：93-95.

[5]章毓晋.中国图像工程15年[J].哈尔滨工程大学学报，

2011，32（9）：1238-1243.

[6]Dalal N， Triggs B. Histograms of oriented gradients for human detection[R].IEEE Conference on Computer Vision & Pattern Recognition，2005，1（12）：886-893.

[7]Cheng MM， Zhang Z， Lin WY， et al. BING： Binarized normed gradients for objectness estimation at 300fps[R].IEEE Conference on Computer Vision & Pattern Recognition，2014：

3286-3293.