吕秀丽 牟海维 韩建 赵丽华 杨韵桐

摘要：工程教育理念下，针对“数字图像处理及应用”课程存在的学时少、知识点多、教学与工程实际脱轨，学生编程能力低下等主要问题进行教学改革。充分利用超星学习通网络教学平台，线上线下结合教学，加大MATLAB语言程序设计实践，合理设定考核内容。实践表明，学生的理论联系实际、分析和解决数字图像处理工程实际问题能力均得到了大幅提高。

关键词： 数字图像处理;教学改革;工程教育;MATLAB

中图分类号：G64       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）25-0134-02

“数字图像处理及应用”课程是高校电子信息、计算机、自动化类多个专业开设的一门重要的专业课，涉及数学、物理学、生理学、心理学、电子学、摄影和计算机科学等众多学科，是一门综合性交叉学科[1-2]。数字图像处理技术已被广泛应用于视频通信、遥感测绘、交通运输、工业生产、机器人、生物医学和军事公安等各个领域，且在这些领域发挥着越来越重要的作用[3]。

1 课程存在的主要问题

（1）课时偏少，我校电子信息工程专业该课程总学时40，理论学时32，实验学时8。涉及的先修课程知识多，先修课程包括：线性代数、概率论与数理统计、信号与系统、数字信号处理、信息论、程序设计语言等。然而在教学过程中发现学生普遍对先修课程知识掌握不够扎实。

（2）课程知识点多而杂，教学上注重图像处理的数学依据、数学推导等，在教学的过程中忽视理论与实际应用之间的联系，课堂教学与工程实际脱轨，学生对前沿研究热点了解少[4-5]。

（3）不注重编程语言的运用，学生只会调用MATLAB语言自带函数，不利于编程能力培养，缺乏图像处理技术的综合应用能力。

因此，针对教学过程中存在的问题，对“数字图像处理及应用”课程进行教学改革迫在眉睫。

2 教学改革

（1）教学团队开展教学活动

由长期从事图像处理算法开发的主讲教师和实验教师组建教学团队，其中教授2人，副教授3人，集体研究课程目标、教学内容、教学方法、学生的知识储备、国内外相关学术研究热点，科学制订教学方案，课程教学网站建设方案，保证各项教学活动的有序开展。

（2）使用国家级优秀教材

我校电子信息工程专业采用的教材是章毓晋教授主编的第4版《图像工程——上册：图像处理》，包括4个单元。第1单元图像增强，第2单元图像恢复，第3单元图像编码，第4单元图像拓展，内容包括图像处理的基本概念、基本原理、典型方法、实用技术以及国际上有关研究的新成果。

（3）利用网络平台辅助教学

利用超星学习通网络平台辅助教学，学生通过学习通App完成各项任务。先修课程的相关知识点学习资料、课堂教学PPT课件、题库习题、实验指导书、作业、考试试卷样例均发布到学习通平台，便于学生课前预习，课后复习。从近五年学术期刊中挑选数字图像处理及应用相关的前沿科技论文，发布到学习通平台上，使学生们涉猎一定的工程实践，达到了解图像工程研究热点的目的。课堂上学生通过学习通App签到、教师提问利用“选人”功能随机点名回答问题，驱使学生认真听课。

（4）多种教学方法相结合开展课堂教学

课堂主要采用任务驱动、案例、对比、研讨等教学方法相结合的方式授课。例如在讲解图像平滑滤波时，首先显示几幅带有噪声的图像，然后提出怎样去除或衰减噪声，改善图像质量？带着任务展开讲解。首先显示几幅邻域平均法处理后的图像，再讲基本原理，然后对比不同尺寸模板的邻域平均效果，讨论得出邻域平均法去噪的优缺点。接着引入几个改进的方法，如：超限邻域平均、加权平均、有选择保边缘平均法，先对比图像处理结果，再讲基本原理，分析得出结论。最后结合车牌识别等几个工程实例讲解邻域平均法的实际应用。

（5） 加强实验教学提高理论联系实际

实验教学是该课程的重要组成部分，目的是巩固课堂内容，理论联系实际，熟练掌握MATLAB语言的数字图像处理编程，逐步培养学生解决数字图像处理类复杂工程问题的能力。该课程设置了空域增强、频域增强、图像恢复和数字水印4个实验，涉及数字图像处理的关键知识点，实验内容如表1所示。

为提高MATLAB编程语言程序设计能力，部分实验内容要求先调用MATLAB自带函数实现，然后不调用函数自行编程实现，对比调用函数和自行编程的实验结果。例如：在直方图均衡化实验中，先调用imhist（ ）函数显示几幅图像的直方图，调用histeq（ ）函数进行直方图均衡化，然后通过自行编程的方式统计每幅图的灰度级，并绘制灰度级分布图，根据课堂讲解的直方图均衡化步骤编程实现图像的直方图均衡化处理，对比两种编程方式的实验结果。

为提高学生学习兴趣，学生可以使用自己拍摄的图像或电脑绘制的图像。实验要求学生从教师提供的多幅具有不同亮度、对比度、纹理特性的图像以及自行拍摄或绘制的图像中挑选图像做实验，对比实验结果，总结哪些方法适合处理哪些图像。例如：通过实验总结直方图均衡化适合处理偏暗、偏亮、对比度差的图像;中值滤波比邻域平均去除椒盐噪声效果好。

将由于实验课堂学时有限，必须充分利用预习，要求学生课前阅读实验指导书，提出实验内容设计思路，画出程序流程图，至少MATLAB编程实现实验内容（1）并手写在实验报告中。

為提高数字图像处理综合应用能力，设定一个综合性设计性实验：数字水印。实验要求在载体图像的DCT（离散余弦变换）域嵌入一个有意义黑白二值水印，利用校园网查阅相关期刊文献至少3篇，设计数字水印嵌入和提取算法，绘制程序流程图，可以利用基于纹理、基于DCT系数关系等方法。水印的攻击测试采用通用攻击方法如：JPEG压缩、低通滤波、高通滤波、尺寸缩放、图像旋转等至少5种处理。计算含水印图像峰值信噪比PSNR，提取水印的位错误率BER。该实验应用了数字图像处理很多知识点，包括图像几何变换、离散余弦变换、频率域图像滤波、图像压缩、图像间变换、函数映射、像素间关系等，培养学生综合应用理论知识解决问题的能力，提高程序设计能力，培养创新意识。

（6）合理设定考核

为科学评价学生成绩，实现过程监控，课程考核由三部分组成：平时占20%、实验占20%、期末考试占60%。平时包括利用MATLAB语言编程实现几何变换、压缩编码的作业;通过网络查阅期刊文献至少5篇调研数字图像处理某个方向（人脸识别、数字签名、手势识别、车牌识别等）的研究热点，撰写调研报告。实验课成绩由预习、课堂表现和实验报告组成，分别占实验成绩的15%、35%、50%。实验课上，教师对每位学生单独提问，教师根据回答问题，编程调试完成情况综合给出课堂表现成绩。

3 总结

“数字图像处理及应用”课程教学在东北石油大学电子信息工程专业（4个班，110人）进行了研究探索，与往届学生对比发现，学生的MATLAB语言编程、理论联系实际解决实际问题能力均有大幅提高，增强了数字图像处理综合应用能力，为学生以后的科技活动、科学研究、工程实践奠定了基础。

参考文献：

[1] 潘祥，刘宏申，陶陶.数字图像处理课程的研究性实践教学探索[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2016，33（3）：72-73.

[2] 郭永芳.课堂教学中培养学生创新能力的研究与实践——以数字图像处理课程为例[J].学周刊，2017（10）：25-26.

[3] 胡学敏，白丽贇，李蕾，等.针对高校信息类专业课程《数字图像处理》的教学研究[J].信息通信，2018，31（2）：19-21.

[4] 卢桂馥，王勇.面向应用的数字图像处理课程的教学改革与实践[J].铜仁学院学报，2016，18（4）：101-104.

[5] 罗兵，何周浩，殷政，等.结合工程应用的《数字图像处理》教学改革[J].教育现代化，2018，5（6）：44-46.

【通联编辑：王力】