数字图像处理与MATLAB互补教学模式实践

曹玉东++孙福明++王冬霞

作者简介：曹玉东，辽宁工业大学通信硕士点负责人，副教授；孙福明，辽宁工业大学电子与信息工程学院副院长，教授； 王冬霞，辽宁工业大学研究生学院副院长，教授

项目资助：辽宁工业大学研究生教学改革研究项目（210409）

摘要：分析了MATALB軟件在研究生的数字图像处理教学中应用的可能性，介绍了数字图像处理与MATLAB互补教学模式的优势和实施案例。结合数字图像处理和MATLAB程序设计的教学要求，在教学内容、教学方法和教学手段上做了一些探索和尝试，教学结果表明互补教学模式提高了教学质量，提高了学生的工程实践能力。

关键词：互补教学； 数字图像处理教学； MATLAB语言教学

【中图分类号】TP391.41-4

一、数字图像处理和MATLAB教学现状与问题

数字图像处理是我校通信类研究生的学位课程，MATLAB语言是该专业的非学位课程。数字图像处理课程要求研究生掌握图像处理的基本理论、基本方法，能够将其应用到实践中，这门课程具有较强的学科交叉性，涉及到模式识别、计算机视觉、信息编码与传输等领域的知识。数字图像处理和MATLAB语言课程的传统教学模式是各自处于独立状态，学生普遍感觉数字图像处理课程难学，MATLAB课程枯燥。

二、教学软件的选择

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。对学生的要求是掌握图像处理的基本知识和基本理论，能结合具体的软件工具验证相应的理论和算法[1]。从数量和易用性上看，与图像处理有关的C语言共享程序都不如MATLAB的图像处理共享软件[2]。选择MATLAB作为图像处理教学和实践的软件符合普通高校的实际情况。同其它软件相比，MATLAB能方便地处理矩阵的各类复杂运算，而图像的原始表达模式就是矩阵，所以二者之间存在一种联系。

三、互补教学的优势与案例

如果单纯地讲解软件语法，学生普遍会感觉很枯燥，结合某些图像处理内容学习MATLAB软件可以活跃课堂气氛，通过视觉效果激发学生的学习热情[3，4]。笔者结合教学实践，总结和归纳了MATLAB语言和数字图像处理的互补教学案例，现列举如下：讲解MATLAB的循环结构时，可以结合图像的镜像操作，强化循环结构的应用。给出原图和要求实现的效果图（参见图1），然后要求学生自己利用MATLAB语言的循环结构实现。

（a）原图

（b） 实现翻转镜像操作

（c） 上下镜像操作

图1 图像几何变换操作

学生不难做出上述题目，可以继续引导学生简化程序，提示学生：不用循环结构也可以完成上述操作。经过上述的实训，学生对所学内容的认识和理解会更深刻，算法设计能力和动手编程能力也得到了锻炼。

在讲授数字图像处理课程时适当地利用MATLAB图像处理工具箱，可以增加学生对抽象数学公式的感性认识，提高相关理论分析的效率。例如讲解二维傅里叶变换公式时可以用MATLAB的fft2等函数直观地演示变换效果，如图2所示。

图2 lena图像和傅里叶变换的幅度谱与相位谱

在图2中，可以看到在傅里叶变换的幅度谱中，低频信息集中在图像的中心区域，如果将幅度谱四周部分高频区域置零，再做傅里叶逆变换，即得频域压缩图像。这种由浅入深的讲授方法和生动的演示过程帮助学生直观地理解了频域压缩的基本原理。

四、提升课程教学效果的方法与实践

从任课教师和学生两方面着手，保证数字图像处理和MATALAB语言的顺利教学。

（一） 利用多媒体教学，帮助学生理解抽象内容

传统的教学是由教师利用黑板讲解课程内容，不利于学生对基本概念的直观理解，而适当利用多媒体进行教学，能够帮助学生充分理解课程。

PPT是教师制作课件时最常用的软件，制作课件时需要注意如下问题：（1） 课件中的文字内容不宜过多，只需列出要点，辅以必要的图形或动画。（2） 课件上的字体大小通常选择32号，一般不低于28号，因为投影仪的分辨率比显示器低很多。（3） 课件背景不要过于花哨，使用的色彩不宜超过3种，否则会分散学生的注意力，影响授课效果[1]。

（二） 举办专业综合能力竞赛，提升导师实践教学能力

通过竞赛提高教师的工程素质与实践能力，提升教师的专业教学能力。为鼓励教师的积极性，学校对成绩优秀的教师给予奖励，其成绩可以做为评定职称的参考。目前，该竞赛已经举办4届，对提高教师的工程实践能力起到了一定的作用。

（三）结合互补教学法制定授课教案

数字图像处理和MATLAB语言的互补教学可以达到事半功倍的效果，教案设计是必要的环节。任课教师每周定期交流，共同制定和完善互补教学方案是提高课程教学水平的好方法。

数字图像处理的应用越来越广泛，不同专业可能会关注其中某个方面的应用，这部分教案的制作应体现专业特色。我们的教学实践结果表明互补教学法激发了学生的学习兴趣，提高了学生的工程实践能力。

五、结论

数字图像处理课程和MATLAB课程的互补教学，既加强学生的基础理论知识，又提高学生的工程实践能力。教学实证表明互补教学法得到了学生的认可，满足了学生的学习需求，提高了学生的就业能力。

参考文献：

[1] 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）， 15（2）， 2013.

[2] 秦襄培. MATLAB图像处理与界面编程宝典[M]. 北京：电子工业出版社， 2009.

[3] 乔闪. 基于MATLAB面向课题的数字图像处理实践教学[J].实验技术与管理， 2005， 22（8）： 93-96.

[4] 袁操，李雅琴. 使用Matlab来优化数字图像处理课程教学[J]. 湖北第二师范学院学报， 2012， 0（2）： 128-130.

[5] 辽宁省本科教学网. 国务委员刘延东对我省深入推进“卓越工程师教育培养计划”作出重要批示[EB/OL]. （2012-06-12）endprint