图像的数字化探究

骆莹莹 现就职于南京师范大学附属中学树人学校力人校区。一级教师，江苏省南京市鼓楼区学科带头人，南京市鼓楼区优秀青年教师，南京市鼓楼区先进教育工作者，曾获南京市优质课评比一等奖、南京市教师基本功比赛一等奖，曾主持省级课题、市级个人课题，负责省级信息技术教材教参中人工智能板块的编写等。多年来一直承担信息学编程社团、科技社团的工作，所带学生分获全国各类比赛一等奖、二等奖。

教学背景

本节为初中人工智能课程中“图像处理基础”的第一课，目前没有可以直接参考的教材，笔者重点参考了商汤平台和高中教材中的相关内容，在此基础上，根据初中生的特点设计了新的教学小程序“找不同”，激发学生的学习兴趣，借此帮助学生理解图像数字化存储方式，通过图像相减，简单了解数字图像处理应用，并为后面学习图像数组等知识做铺垫，贴合2022年新课标要求。

学情分析

教学对象为八年级学生，学生有一定的程序设计基础，对图像处理有一定的生活经验，但是大部分学生对图像在计算机内部的存储过程并不了解，所以对本节课图像数字化的内容存在一定的认知难度。八年级学生爱动手操作，对图像的直观表现有着极大的兴趣，因此，本课结合小程序“找不同”，能用程序直观地看到图像数字的存储与简单处理，使学生容易并乐于掌握本课新知。

教学目标

理解二值图、灰度图、RGB图在计算机内部的数字化存储（信息意识、计算思维）；模仿并实现“找不同”的小程序，初步了解数字图像处理的应用（数字化学习与创新、计算思维）；了解什么是图像的数字化及图像数字化的过程（信息意识）；了解图像处理是人工智能的技术之一，能辩证看待人工智能的影响（信息社会责任）。

教学重难点

教学重点 理解图像数字化的存储与过程；开展简单图像处理方法的实践，编程实现“找不同”小程序。

教学难点 理解图像数字矩阵的存储形式是数字图像处理的前提。

教学过程

一、游戏导入，引入课题

师：找不同的游戏大家一定都玩过，请同学们找出下面两幅图的不同点，如图1。

学生仔细观察，教师展示用计算机程序实现自动找出图片不同点的效果，如图2。

师：通过计算机“找不同”程序可以准确、高效地找到不同之处，其中关键词subtract表示“相减”，本例中即为实现两张图像的相减。那么，图像可以相减的前提是什么？

学生思考并讨论。

教师解答：因为图像在计算机内部是以数字的形式保存的，即图像的数字化。

设计意图：通过小游戏导入，活跃课堂氛围，引起学生兴趣、引入新课内容，并为后续内容做铺垫。

二、图像的数字化

1.二值图像的数字化

师：二值图像即黑白图像，每个像素点均为黑色或者白色，一般用来描述字符图像，其优点是占用空间少。那么二值图像在计算机内部是如何存储的呢？我们先将问题简化——截取蜘蛛的左半边爪子，并缩小为10×10像素，如图3。

然后利用imread()函数读入本地图像。再运行程序，输出内部存储结果，如图4。

学生上机实践，教师巡视指导。

教师总结：输出结果是一个10行10列的数字矩阵，可知二值图像在计算机内部是一个二维的数字矩阵，其中，黑色像素点对应的数值为0，白色像素点对应的数值为255。

设计意图：引导学生观察思考二值图像在计算机内部的存储方式，即数字矩阵，理解Python程序中图像处理库读入图像、打印图像数值函数的使用方法，培养学生的计算思维。

2.灰度图像的数字化

师：我们的世界不是只有黑和白，从黑到白还有中间过渡的灰色，下面我们继续研究灰度图像的数字化。灰度图像是指只包含不同明暗，不包含任何彩色的图像。

同样将问题简化为10×10的灰度图蜘蛛爪，利用程序读入灰度蜘蛛爪图像，如图5。

学生预测灰度图像的数字化形式，教师运行程序，验证学生猜想并得出结论：输出结果是一个10行10列的数字矩阵，纯白色的像素点对应数值255，纯黑色的像素点对应数值0，灰度像素点对应数值范围是0~255，可知灰度图在计算机内部也是一个二维的数字矩阵。

打开“找不同”小程序，教师引导学生一起揭秘：两幅图片的不同，体现在计算机内部就是数字矩阵的不同。所以用程序找出两幅图片的不同就是将两个数字矩阵相减，方法是对应位相减，因此两幅图像的大小需要完全一致。两个数字矩阵相减的结果还是一个数字矩阵，即对应着一幅新的图像。而且相同的值相减得0（黑色），不同的值相减得0~255（灰白色）。

师：将下面这组图片（如图6）相减后，程序能找到不同的地方吗？如果不能，你可以试试调整图片的读入方式（提示：将程序中“，0”去掉），想想看原因是什么呢？

学生操作实践。教师展示学生作业并反馈：彩色图片包含的数据信息更丰富，是三维数字矩阵，单一矩阵无法计算。

设计意图：从二值图像过渡到灰度图像，学生非常容易理解这一简单的图像处理操作——图像相减，通过“找不同”小程序，感受图像数字化对图像处理的作用，培养学生的信息意识、计算思维等能力。最后让学生体验彩色图像的相减，为接下来RGB彩色圖像数字化及图像数字化过程设置悬念。

3.RGB图像的数字化

师：RGB图像在计算机中是以三通道的方式存储的，即三维数字矩阵，每个像素点包含三个数值，代表RGB三色合成。

教师利用Windows电脑自带的颜色合成程序，展示[168，247，250]三个数值合成的颜色，提醒学生注意168对应B、247对应G、250对应R通道。

师：图像数字化是将模拟图像转换为数字图像，它是进行数字图像处理的前提。图像数字化的过程为先采样，然后将图像量化，最后再编码。不同量化等级的图像效果是不一样的，如图7。

教师鼓励学有余力的学生自主在网上下载图片，试一试图像加与减的效果，如图8，并注意要利用图像处理软件将两张图像的大小调整一致。

设计意图：引导学生理解RGB图像数字化以及图像数字化的过程，并尝试实践图像数字矩阵处理的更多方法，拓展学生的思维，提升数字化学习与创新的能力。

三、课堂小结

教师邀请学生谈谈自己的收获，总结本课所学知识，提出问题：为什么有时需要将RGB图像转换为灰度图像？

学生思考并讨论。

师：自然界中，颜色本身非常容易受到光照的影响，RGB变化很大，反而灰度图像更能提供本质的信息。而且存储方式由三通道转为单通道后，运算量大大减少，加快了人工智能的计算速度。其实人工智能的本质就是计算，希望大家能够辩证地看待人工智能。

教学反思

人工智能课程该怎么上？是否一定要借助器材或者平台？是否只是浅显的体验？这是我在设计本课时一直思考和想要解决的问题。本课根据初中生的特点，借助Python语言这一强大的第三方库，结合“找不同”小程序的编程游戏，让学生趣味地学习图像的数字化，启蒙学生对人工智能中图像处理的理解，为后续的学习打下坚实的基础。