数字图像处理实验课程探索与研究

任瑞治 顾玲 嘉吴戈

摘要：本文主要针对数字图像处理实验课程的教学改革进行研究，结合本校数字图像处理实验课程，就实验内容、实验方法、考核方式等方面进行了创新与改革。实践表明，数字图像处理实验课程的改革可以帮助学生更好的理解基础理论知识和技术难点，激发学生对数字图像处理课程的学习兴趣，培养学生的动手能力和创新能力。

关键词：数字图像处理；实验教学；实验考核；实验创新

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）18-0174-02

数字图像处理是一门由多学科知识交叉的课程，涉及光学、电子学、数学、计算机技术等领域，課程具有很强的理论性和应用性。[1]该课程包含图像生成基础知识和图像处理技术的基本原理，如：图像变换、图像增强、图像分割、图像特征提取和图像检索等内容。课程涉及的一些理论很抽象，概念和原理难以理解，仅采取讲授方式的教学方法无法让学生很好地掌握这些内容，所以实验课程是必不可少的教学环节。如何利用实验课程帮助学生克服这些困难、提高学习兴趣、培养学生的动手能力和创新能力是实验教学过程中需要解决的问题。[2]随着数字图像处理技术的高速发展，实验课程内容也需要与时俱进，实验内容不仅要涵盖课程的基本理论与概念，还要针对技术热点设计实验项目，不断地更新实验内容，提高课程的创新性和应用性。我校电子科学与工程学院为电子信息工程专业开设了《数字图像处理》讲授课程和实验课程，选课人数在150人左右。经过实验课程的教学实践，对实验内容、实验方法、考核方式等方面进行了一些创新和改革，并取得了较好的教学效果。

一、数字图像处理实验课程的教学内容改革

数字图像处理实验课程的教学目标之一是帮助学生理解基础理论知识和技术难点，激发学生对数字图像处理技术的学习兴趣。首先，实验内容要包含课程的重要知识点，如：数字图像技术基础、图像变换、图像增强、图像分割、形态学处理等图像处理方法。[2]目前，国内大多数学校的数字图像处理实验课程都是以这些知识点作为课程的主要教学内容，实验数据是常规的灰度或者彩色数字图像。但是，随着数字图像处理技术的高速发展，应用领域的不断扩大，仅仅学习常规图像的处理方法已经无法保证课程的应用性和创新性。所以，实验课程需要增加不同的图像源作为研究对象，同时针对不同的图像源开设实验项目。我院在本门实验课程中增添了无人机影像、高分辨率遥感影像等图像源，并针对这些图像开设了图像拼接、图像融合等实验项目。在综合实验项目上，增加了“人脸检测实验”，学生在课堂上利用摄像头采集自己的人脸信息，并通过算法提取特征点完成人脸检测工作。通过不断地改进实验内容，增加新的实验方法，让课堂知识紧密的跟随技术的发展，扩展学生的视野，帮助学生了解专业领域的动态，把握科研发展方向。

二、数字图像处理实验课程教学方法改革

传统的实验教学过程是教师首先通过多媒体课件形式对实验目的、内容、步骤、代码进行讲解与分析，然后学生按照教师的指导进行程序设计完成实验功能。实验教学多采用Matlab软件来完成，学生需要具有一定的编程基础。但是，多数高校在本科期间没有开设相关的课程来系统的学习软件，所以在教学过程中大多数的学生无法独立编程完成实验内容，只能输入授课教师准备好的程序代码进行实验，得到预期的结果，这种教学方法很难培养学生独立思考的能力和创新能力，也无法达到帮助学生理解理论和概念的教学目的。经过多年的实验教学研究和实践，我们发现传统的教学方法没有很好的调动学生的积极性，在教学过程中多数的学生只是被动的参与。数字图像处理是一门应用性很强的课程，涵盖的技术领域也很广，仅通过课堂的有限时间进行学习是无法让学生真正掌握这门学科知识的，所以自学和预习显得更为重要。针对这些实验教学中出现的问题，我们基于Matlab软件开发了一个数字图像处理实验教学系统，并使用该系统设计了实验项目。整个系统由数字图像技术基础、数字图像变换、数字图像增强、数字图像分割、数字图像处理综合实验等6个模块组成。实验系统的交互界面设计采用Matlab软件的图形用户界面GUI（Graphical User Interface），学生可以点击主界面上的功能按钮进入各个功能模块进行实验。[3]每个模块中包含若干个实验项目，每个项目界面都有实验名称、要求、目的等提示信息，界面上还设置了功能按钮、参数输入窗口和显示窗口。实验系统设计为两个版本，分别为教师版和学生版，主讲教师可以利用教师版在课堂上进行实验说明、程序讲解和演示结果；学生版内不包含程序，学生可以按照教师的指导，在系统上完成程序设计，并得到实验结果。实验教学系统是基于软件开发的，无需其他硬件设备，学生只要在电脑上安装本实验系统就可以操作系统对数字图像处理课程的教学内容进行实验。学生可以利用实验系统在课外时间提前学习相关的软件程序。在实验课堂上，教师讲解实验涉及到的概念和理论，并解决学生在预习中或编程过程中遇到的问题，指导学生使用该系统完成实验。利用实验教学系统，将实验课程分为提前预习、课堂实践、解决问题等3个教学环节，培养学生独立学习、独立思考的能力，使得学生不仅学习了数字图像处理技术，还掌握了Matlab软件的编程方法。

三、数字图像处理实验课程考核方式改革

数字图像处理实验作为选修课，以往都采取开卷的考试方式，教师将设计好的题目分发给学生，让学生在课堂以外的时间完成考试内容，最后打印并上交考试要求的题目分析、程序代码和处理结果，教师根据这些试卷的完成情况给予学生本门课程的成绩。这种考试方式很难杜绝学生的抄袭现象，不能考核出学生的真实水平。针对这些问题，我们进行了考试改革，主要方法是建立了数字图像处理实验的试题库，针对实验课程中的重点内容设计了500个题目，考试时学生随机抽题，在规定时间内完成考试内容。考试要求学生按照题目要求，编写程序实现功能，然后对题目中涉及到的理论、概念、处理结果进行分析说明，最后以书面形式提交分析报告。考试地点是电子科学与工程学院的实验室，时间为两个小时，学生只能在固定的计算机上进行操作，考试期间学生不能携带通讯工具和存储设备。考试结束后，教师会对每个学生的计算机进行检查，根据程序设计、处理结果、分析报告给予上机考试成绩。实践表明，在上机考试过程中，学生抽到的题目完全不一样，考试题目的多样化可以有效地杜绝学生的抄袭现象。除此之外，课程还增设了创新能力考查环节，这一环节要求学生对创新性较强的综合实验提交设计方案和实验总结，这部分成绩与上机考核成绩经加权后成为本门课程的最终成绩。通过这些方法可以考察出学生掌握课程内容的真实情况以及运用课程所学知识解决问题的能力和水平。真实的考试成绩，可以帮助教师不断地改进教学内容和教学方法，更好地提高教学质量。

四、数字图像处理实验课程改革取得的成效

经过多年的教学实践与研究，数字图像处理实验课程已经取得了一些成效，得到了学生和同行的好评。具体成果如下：（1）不断地完善与更新实验教学内容。除了完成基本教学内容以外，还不断地将新的技术研究引入实验课程，帮助学生了解最新的科技动态，拓展了学生的视野，激发了学生的学习兴趣和创新动力。（2）设计了实验教学系统。根据课程的教学特点，设计了数字图像处理实验教学系统，帮助学生在课堂内、外都可以学习课程知识，充分培养了学生自学和独立思考的能力。（3）提出了新的实验课程考核办法。根据实验课程内容建立了上机考试题库，确保学生独立完成考试内容，杜绝抄袭现象。通过撰写综合实验报告，培养学生运用所学知识解决问题的能力和创新能力。数字图像处理实验为学生以后的科技活动、科学研究奠定了基础，力争将学生培养成为高水平的创新型人才。

参考文献：

[1]姚敏.数字图像处理[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]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，2007，71（1）：96-99.

[3]陈锋锐，乔家君，闫卫阳，张喜旺，杨玲.“遥感数字图像处理”教学改革初探[J].计算机时代，2013，（06）：67-71.