图像与视频处理课程案例化课堂教学模式探索

崔子冠 卢官明 唐贵进 李欣 刘峰

摘要：图像与视频处理课程是电子信息大类一门重要的专业基础课程，具有知识面广以及理论和实践并重的特点。传统单纯课堂讲授的教学模式存在知识点讲授分散、基础理论难以深入以及实践教学难以开展的问题，而案例化教学可以较好地解决上述问题。对课程组进行案例化、专题化教学经验进行总结，提出结合理论最新研究进展对知识模块合理划分以形成教学案例、根据所设计教学案例的特点选择合适的教学模式以及根据学生基础实施案例差异化教学的措施。教学实践表明，所提出的案例化教学措施有效提高了学生对本课程的兴趣，学生对本课程的理论掌握程度和实践能力都得到了较大提升。

关键词：图像处理;案例化;专题化;教学模式

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）19-0103-03

当前，以经典图像处理理论为基础、以最新机器学习和深度学习方法为代表的智能图像分析与视频处理技术正在蓬勃发展，其在国民经济各个领域的研究与应用越来越广泛[1]，实际产品落地的场景也越来越多，比如网络视频会议、智能视频分析、图像识别与语义理解等。因此，国内外高科技公司和相关研究机构对图像与视频处理技术人才的需求日益增大。为了满足社会需求，我国各大高校电子信息类相关专业比如广播电视工程、计算机、自动化、数字媒体技术等都在本科阶段开设了图像与视频处理类的课程，以使学生基本掌握图像与视频处理的基础理论、原理和实现方法，在图像与视频处理方面具有一定的开发和应用能力，为在相关技术领域从事研究、开发和应用打下扎实的基础[2]。

以南京邮电大学通信与信息工程学院为例，目前南邮通信学院共有三个本科专业，即通信工程、电子信息工程和广播电视工程，三个专业全都进入国家级一流本科专业建设。其中电子信息工程和广播电视工程都开设了图像处理类专业課程，电子信息工程在大三下学期开设48课时的《数字图像处理与图像通信》，广播电视工程在大三上学期开设40课时的《图像与视频处理》。此外，通信学院还在大三下学期为我校计算机科学与技术、自动化、生物医学工程和数字媒体技术等专业开设32课时的跨大类专业限选课《图像与视频处理》，供相近专业学生选修。目前，课程组教师在图像处理类课程教学中，仍主要采用以教师讲授为主的传统课堂教学模式，得到了一定的教学效果，并受到了学生认可。但当我们对教学实践过程和效果进行分析和总结时，发现这种教学模式也存在一定的弊端。

本文首先根据图像类课程的特点对传统教学模式的弊端进行分析;之后，根据《图像与视频处理》课程初步进行案例化教学实践的经验，提出进一步优化图像类课程案例化、专题化课堂教学模式的三个具体措施;最后，通过对比传统教学模式与案例化教学模式的效果，验证了所提措施的有效性。

1 图像类课程传统教学模式的弊端

1.1 知识点讲授分散

图像与视频处理技术经过多年的发展，涉及的研究领域众多，这也决定了图像类课程的教学内容知识点多样，且有些知识点之间的基础理论不同，内容相对独立。以作者面向广播电视工程专业所讲授的40课时的《图像与视频处理》课程为例，教学大纲中规定的教学内容包括：图像与视频处理基础、图像增强、形态学图像处理、图像分割、图像与视频压缩编码原理与国际标准、图像与视频水印、图像质量评价、图像检索和图像识别等章节。

具体地，比如图像增强与图像复原从表面上看都是对降质以后的图像进行质量增强，以满足人或机器对图像观察和识别的需求。但是这两种图像处理技术的目的和所利用的原理具有本质区别。图像增强方法不考虑图像降质的原因，也不要求改善后的图像去逼近原始图像，只是根据一定的要求对感兴趣的部分进行处理，如改善对比度、突出边缘等。而图像复原方法则需要针对图像降质的具体原因，从数学上或物理上建立图像的降质模型，设法使改善后的图像尽可能逼近原始图像，恢复降质图像的本来面目。由此可见，图像复原相比图像增强需要更多地利用数学原理，对学生的数学知识要求较高，在教学过程中需要对其原理进行更多地讲解，才能使学生理解其原理和实现步骤。

图像类课程教学知识点的多样性和分散性决定了对不同知识点需要采用恰当的教学方式，否则忽略知识点特性的区别而全部采用教师课堂讲授的教学方式并一定能取得最优的教学效果。

1.2 基础理论讲解难以深入

图像与视频处理的很多内容都有其深厚的数学原理或物理模型，比如图像数字化需要掌握二维奈奎斯特采样定理、图像锐化需要函数导数的概念、形态学图像处理需要数学中集合论知识、基于主动轮廓模型的图像分割需要偏微分方程的原理、图像压缩编码需要变换以及统计分布的知识等。因此图像类课程的一个重要教学目标就是要求学生掌握图像与视频处理的基本概念和基本原理。但是，一方面图像课程知识点众多，另一方面在课时压缩大背景下本课程课时也相对较少，导致分配给各个教学章节的课时大概只有3-4个课时。同时又因为理论讲解通常较为枯燥[3]，学生不太愿听长时间的理论解释，因此教师在讲授各章节原理时常常点到即止，导致基础理论讲解难以深入。

但是基本原理的学习对图像类课程至关重要[4]，如果学生对基本原理一知半解、囫囵吞枣，很难理解具体技术背后工作机理，后续想要做出创新性的研究和实践工作是极其困难的。

1.3 实践教学难以开展

图像与视频处理说到底是一种应用科学[5]，图像处理的原理和算法最终都是为了解决某一图像处理实际问题，原理和算法只有对某种具体问题有效果才有其存在和发展的意义。比如Retinex理论常被用于图像增强，正是因为基于Retinex理论常可以得到比简单的直方图均衡化更好的图像增强效果。图像处理科学的这一特点就决定了其理论和实践并重的特性，课程的教学目标也明确规定学生应该初步具备对图像和视频处理技术和系统进行实践和开发的能力。

但是在传统单纯课堂讲授的教学模式下，教师没有充裕的课堂时间进行实践教学[6]。虽然课程组教师在课堂教学中适时引入演示性教学，如用Matlab或Python代码演示算法的步骤和效果，提高了学生的课堂兴趣和对原理的理解深度，但学生真正参与图像课程实践的机会还是比较少，较难获得第一手的理解和认识。

2 图像类课程案例化教学经验和改进措施

针对图像类课程单纯传统课堂讲授教学模式的弊端，课程组教师根据图像类课程的特点积极探索和实践了案例化、专题化课堂教学模式，建立了图像类课程初步的案例化、专题化教学素材，取得了一定的教学经验，相比传统讲授教学模式有效提高了学生对课程的学习兴趣和参与度。下面对图像类课程案例化、专题化教学经验进行总结，并提出进一步优化教学模式的三个措施。

2.1 结合最新进展和科研项目的案例与专题建设

在初步进行案例化教学实践的过程中，发现案例化、专题化教学模式作为区别于传统课堂讲授的一种新型教学模式，其教学实效与所使用的案例化、专题化教学素材密切相关。图像类课程知识点多样，也并不是所有部分都适合进行案例教学。因此，选择哪些知识点来建设案例化、专题化教学素材就显得至关重要。根据课程组的教学实践经验，我们建议通过如图1所示的步骤来建设案例化、专题化教学素材库。

由图1可见，采用案例化、专题化教学模式的基础和前提是合理地将课程中的知识点进行有机的归纳和梳理，挑选出适合案例化教学的知识模块，并在此基础上结合理论最新研究进展和教师科研项目建设案例化、专题化教学素材。

根据上述步骤，课程组建设的《图像与视频处理》案例化、专题化教学素材库如下。素材库均包括教学PPT、演示程序和相应说明文档。

（1）颜色空间及其转换：1）在Matlab中读入彩色图像;2）利用程序完成RGB、CMYK、YUV、YCbCr、HSV等颜色空间的相互转换，并将各分量图像可视化，观察其特性。

（2）圖像对比度增强：1）编程实现图像灰度变换、基于直方图均衡化和Retinex理论的图像增强，将不同方法增强后的图像进行对比;2）编程实现图像邻域平均、中值滤波，基于非局部相似性和稀疏表示的图像去噪;3）利用Roberts、Prewitt、Sobel、Laplacian、LoG、Canny算子检测图像梯度。

（3）形态学图像处理：1）二值形态学的基本运算，包括腐蚀、膨胀、开、闭;2）编程实现二值图像的形态学处理;3）灰度形态学基本运算;4）编程实现灰度图像的形态学处理。

（4）图像分割：1）基于灰度阈值化的图像分割;2）基于边缘检测的图像分割;3）基于区域的图像分割;4）基于主动轮廓模型的图像分割。

（5）图像与视频压缩编码原理和标准：1）图像熵编码，包括游程编码、哈夫曼编码、算法编码;2）帧内与帧间预测的原理;3）变换编码，编程实现图像变换，如DCT、FFT、WT等，观察变换系数的特性;4）静态图像JPEG、JPEG2000编码标准;5）视频H.264、HEVC、AVS编码标准。

（6）图像与视频文件格式：1）图像文件格式，如BMP、GIF、JPEG等;2）视频文件格式，如AVI、MPEG、RMVB、MP4等;3）流媒体文件格式。

（7）图像水印：1）编程实现空间域基于最低有效位的水印算法，变换域基于DCT的图像水印;2）水印的攻击方法及对策。

（8）图像与视频的质量评价：1）完成对小型图像库的主观质量评价;2）编程实现全参考图像质量评价方法，包括MSE、PSNR、SSIM等。

（9）图像与视频检索：1）编程实现图像特征的提取，包括颜色、纹理、形状、空间关系特征;2）完成小型图像数据库的检索功能。

（10）图像识别：1）编程实现基于支持向量机的图像分类;2）编程实现基于人工神经网络的图像识别。

2.2 根据案例或专题特点灵活选择教学模式

案例式教学并不是要完全抛弃课堂讲授方式，而是除了理论讲解还具有更丰富的教学手段，比如通过演示程序展现图像处理算法的效果、利用Matlab或Python强大的可视化工具对算法原理进行分步骤展示、就某一案例或专题让学生参与程序实现、就某一专题的最新研究进展进行小组讨论学习等。由于不同案例或专题的理论深度、程序实现难度、最新理论进展和应用领域有所不同，在教师进行案例化、专题化教学时就需要根据案例的特点灵活分配各教学手段的时间，才能达到最优的案例化教学效果。不应该对所有案例或专题规定僵化的教学手段及时间分配，这就需要教师有较好的案例化教学经验和良好的课堂把控能力。

以颜色空间及其转换专题为例，此专题理论深度不算难，教师可让学生在上课前进行预习，在课堂上可先用较少的时间对不同颜色空间及其特性进行简要介绍，之后可用Matlab演示一幅图像在不同颜色空间下的颜色分量，也可让学生到讲台上对自己所实现的颜色空间转换程序进行演示和解释，其他同学可以就演示程序或效果中的问题进行讨论，最后由教师对颜色空间特性及其应用领域进行总结。通过这种案例式、专题式的教学过程，学生对颜色空间及其转换专题的理解深度和实践能力都得到了极大提高。

2.3 根据学生基础实施案例差异化教学

不同专业学生的基础不同，甚至同一专业的一个教学班不同学生的基础和个性也存在差异，比如有些学生可能不善言辞但编程能力较强，而有些学生善于表达但编程能力较弱。这就要求教师在实施案例化、专题化教学过程中根据学生特点进行差异化教学，才能得到更好的教学效果。

以小组讨论形式的案例化教学为例，教师在课前根据学生特点进行分组，使3到5名学生组成的小组中既有理论较好的学生，又有编程能力、表达能力较好的学生;之后为每个小组分配案例化学习素材，包括教材中的具体章节、相关的最新论文、初步示例代码等;在课堂上教师先简要介绍理论要点，之后让每组学生根据所做的程序和PPT进行报告，别的同学对问题进行质疑和提问，最后教师对每组所做的程序和汇报进行总结和点评。

通过这种基于学生特点的小组差异化案例教学方式，充分发挥了每个成员在小组中的作用和特长，小组成员各司其职，共同完成案例学习;同时，在准备程序和汇报过程中，成员之间充分讨论，互相学习，取长补短，使个人较弱的方面也逐渐得到提高。这种形式还模拟了求职中的小组群体面试和实际工作中的团队合作，锻炼了学生的分析问题、解决问题的实践能力，为学生后续求职和到企业工作打下较好的基础。

2.4 传统教学模式与案例化教学模式效果对比

传统教学模式与案例化教学模式下对课程感兴趣的学生比例、理论掌握较好和实践能力较高的学生比例对比见表1。可见实施案例化教学后，学生的学习效果得到了较大提升。

3 结语

探索案例化、专题化教学模式对于提升图像类课程教学效果具有积极意义。本文根据图像类课程的特点首先分析了传统单纯讲授教学模式的弊端，在总结课程组初步实施案例化、专题化教学经验的基础上，提出了进一步优化图像类课程案例化、专题化课堂教学模式的三个具体措施，最后通过对比传统教学模式和案例化教学模式的效果，验证了所提措施的有效性。希望这些建议措施能对兄弟院校图像类课程的案例化改革实践提供些许参考意义。

参考文献：

[1] 卢官明，唐贵进，崔子冠.数字图像与视频处理[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2] 崔文超，邹俊杰，汪方毅，等.OBE理念下项目驱动的数字图像处理教学研究[J].图学学报，2020，41（6）：1031-1038.

[3] 张玲，吴发辉.混合式教学在高校图形图像处理课程中的运用[J].长春大学学报，2020，30（12）：98-101.

[4] 陈芳，张道强.基于研究性学习的数字图像处理课程教学改革[J].软件导刊，2020，19（12）：48-50.[

5] 郭琳琴，杨艳.《数字图像处理数学方法》案例教学探讨[J].浙江水利水电学院学报，2018，30（6）：81-84.

[6] 裴正兵，田彩云.高校教师科研成果转化教学案例意义、基础与模式研究[J].高教学刊，2018（17）：82-85.

收稿日期：2021-09-27

基金项目：南京邮电大学教学改革研究项目“专业课程案例化、专题化课堂教学模式的探索与实践——以《图像与视频处理》为例”（项目编号：JG00219JX12）;南京邮电大学教学改革招标研究项目“面向智慧光电的广播电视工程专业改造升级路径探索与实践”（项目编号：JG00218JX01）

作者简介：崔子冠（1982—），男，河南鄭州人，博士，副教授，研究方向：图像与视频处理。