_数字图像处理_课程教学研究

课程

教材建设

中国电力教育

2010年第27期 总第178期

“数字图像处理”课程是信息类相关专业的专业课，主要学习应用计算机对数字图像进行分析和处理的基本理论、方法。[1]要求学生在掌握有关图像处理的基本概念、基础理论、典型方法的基础上，掌握一定的编程实践技能，能够利用计算机编程实现图像信息的各种处理，如图像变换、图像增强、图像恢复与重建、图像编码等。培养和增强学生创新意识和创新思维，提高实际动手能力和创新能力，为学生进一步学习计算机视觉、模式识别等课程奠定基础。

“数字图像处理”课程起点高、难度大，理论性和实践性都很强。传统教学以理论介绍、数学公式推导为主，强调理论的体系和概念，忽视理论的实现步骤，较少演示各种算法的处理效果。这使学生在学习时，普遍感到理论非常抽象，不了解理论的实际应用效果。面对实际问题时，学生往往不知从何下手，更谈不上创新应用。学生们在学习中往往会碰到很多困难，在一些繁杂的数学推导面前望而却步，从而逐渐丧失学习兴趣。[2]

本文从教学内容选择、实践教学安排、教学学时分配等方面分析了“数字图像处理”课程教学的关键环节，提出了一种理论与实践相结合的教学模式，并以非线性锐化滤波器——梯度算子的讲解为例示范了这种教学模式的具体应用。

一、教学内容选择

“数字图像处理”课程主要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。这门课程涵盖以下内容：数字图像基础、空间域图像增强、频率域图像增强、图像变换、图像复原、彩色图像处理、图像压缩、图像分割等。目前已经形成了在讲述基本概念、基本原理、典型方法和使用技术的基础上，以广泛介绍新技术、新算法和数字图像处理新的应用为主的教学思路。根据历届学生的反馈信息以及教师多年的教学经验，我们选择了章毓晋编著的《图像工程（上册）图像处理》作为理论教学教材，徐飞等编著的《MATLAB应用图像处理》作为实践教学教材。具体的教学内容选择如下。

（1）数字图像处理基础：介绍图像、数字图像、数字图像处理系统等基础知识；

（2）像素空间关系：介绍像素间联系、基本坐标变换以及形态变换；

（3）MATLAB图像处理基础：介绍MATLAB的用法、矩阵计算编程以及图像处理编程基础；

（4）空间域增强技术：介绍空间域图像增强技术；

（5）图像变换：介绍傅里叶变换、离散余弦变换、沃尔什/哈达码变换、Gabor变换以及小波变换等；

（6）频率域图像增强：介绍频率域图像增强技术；

（7）彩色图像处理：介绍彩色图像处理技术；

（8）图像恢复及图像重建；

（9）图像编码：介绍图像编码基础以及常用编码技术；

（10）图像国际标准：介绍JPEG、MPEG等图像国际标准。

二、实践教学安排

“数字图像处理”课程的教学分为课堂授课和上机实习课。本课程的基础知识部分主要通过课堂授课方式进行教学，向学生介绍课程的主要内容、基本概念和课程要点。为了加强学生对理论知识的理解，同时提高学生的实际动手能力，本课程还需要安排相应的上机实习，内容包括：MATLAB应用图像处理基础、图像坐标变换及形态变换、空间域图像增强、图像变换、频率域图像增强、图像恢复、彩色图像处理、图像压缩编码等。通过上机实习，一方面加深学生对相关理论知识的理解，另一方面也培养学生实际操作技能，提高学生的实践动手能力。

数字图像的处理需要大量的矩阵运算，因此学生必须依赖计算机运用某些软件进行学习。虽然普通的图像软件（如Photoshop）能够很好地处理图像，但是学生对处理的过程并不明晰，往往是“知其然而不知其所以然”。在图像处理的教学方面，MATLAB是一个更好的选择。[3]MATLAB是一种科学计算软件，主要适用于矩阵运算及控制和信息处理领域的分析设计，它使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且很容易由用户自行扩展。MATLAB比较好学，它只有一种数据类型，一种标准的输入输出语句，不用指针，不需编译，比其他语言少了很多内容，另外还具有强大而简易的作图功能。学生只需几

“数字图像处理”课程教学研究

范春年

摘要：“数字图像处理”是信息类相关专业的专业课，主要学习应用计算机对数字图像进行分析和处理的基本理论、方法。课程起点高、难度大，理论性和实践性都很强，传统的教学方法重理论、轻实践，教学效果欠佳。本文从教学内容选择、实践教学安排、教学学时分配等方面分析了“数字图像处理”课程教学的关键环节，提出了一种理论与实践相结合的教学模式，并以非线性锐化滤波器——梯度算子的讲解为例示范了这种教学模式的具体应用。

关键词：数字图像处理；教学模式；梯度算子；MATLAB

作者简介：范春年（1979-），女，江苏南京人，南京信息工程大学计算机与软件学院，讲师，南京大学计算机系博士研究生，（江苏 南京 210093）主要研究方向：图像处理与模式识别。（江苏 南京 210044）

DOI编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2010.27.052

课

程教材建设

中国电力教育

2010年第27期 总第178期

个小时就可以入门。因此，我们选择了MATLAB 作为学生上机实习的编程工具。

三、教学学时分配

“数字图像处理”课程学时一般为64学时，其中45～48学时用于理论教学，14～16学时用于上机实习，另外可适当安排2～4学时的习题课来讲解习题。教学学时的具体分配可以参考下面的分配方案。

（1）数字图像处理基础：2学时；（2）像素空间关系：4学时；

（3）MATLAB 图像处理基础：2学时；

（4）上机实习——MATLAB 应用图像处理基础、图像坐标变换、形态变换：2学时；

（5）空间域图像增强技术：8学时；（6）上机实习——空间域图像增强：4学时；（7）图像变换：4学时；

（8）上机实习——图像变换：2学时；（9）频率域图像增强：4学时；

（10）上机实习——频率域图像增强：2学时；（11）彩色图像处理：2学时；（12）图像恢复及图像重建：4学时；

（13）上机实习——彩色图像处理、图像恢复及图像重建：2学时；

（14）图像编码：10学时；

（15）上机实习——图像编码：4学时；（16）图像国际标准：4学时；（17）习题讲解：4学时。

当然，学时分配也不是绝对的，可以根据学生的实际接受情况适当地调整。如果学生接受情况比较好，进度比较快，可以在这些教学内容后面再添加数字图像水印以及多尺度图像技术等内容。

四、理论与实践相结合的教学新模式

要想激发学生的学习兴趣，就要在如何将枯燥的理论推导转化为立竿见影的实际操作上下功夫。一方面需要在课堂教学中引入适当的图像处理实例分析和编程处理实例，将复杂的算法以最直观的方式展现在学生面前。在课堂上演示图像处理前后的效果，通过算法的编程代码来提高学生对理论的直觉感受，使原本抽象的内容变得生动具体。另一方面，也需要满足学生课后实践的要求，针对一些典型的处理方法开设上机实习，给学生提供边学习边实践的机会，这不但可以巩固所学知识，还可提高学生的动手能力。为了让学生既能掌握基本理论，又能锻炼实际动手能力，课堂教学上须采用理论与实践相结合的新教学模式。本文提出的理论与实践相结合的教学新模式将课堂教学分为以下6个环节，分别是：理论讲解→理论分析→效果演示→实例编程实现→代码运行效果→总结。

1.理论讲解环节

这一环节重点讲解理论，包括基本概念、算法的原理、思想、计算步骤以及应用场合等。在这一环节上，教师需要循循善诱讲解理论的推理和理论的作用。讲解要简练，重基本概念、原理而轻数学公式推导。

2.理论分析环节

这一环节紧扣理论讲解环节，在已知理论的情况下，对理论进行分析。分析时要重点把握住理论与前面相关知识的联系与区别，分析理论产生的原因以及该理论的优缺点。

3.效果演示环节

这一环节演示理论应用在具体图像上的处理效果。课堂上通过多媒体手段演示各种算法，学生可以见到理论应用到实际的效果，增加对理论的感性认识。

4.实例编程实现环节

这一环节举出所讲理论的一个经典应用实例，分析该实例的实现步骤。讲解实现步骤时要启发引导，简明扼要。在此基础上，要重点讲解各个步骤的具体编程代码，编程代码着重讲解核心代码。这一环节的教学目的是让学生掌握理论实现的具体方法和技巧，给学生提供模仿手段，缩短学生理论联系实际所需的探索时间，提高学生实践动手能力。

5.代码运行效果环节

核心代码讲解完毕后，可以直接提供算法的完整代码在MATLAB 环境下运行，让学生感受运行效果。运行时可以根据理论分析的具体情况，修改算法中的种种参数，比较参数设置不同引起的处理效果的差异，引导学生总结规律，得出结论。

6.总结环节

目的是进一步对技术原理、作用和实现方法进行总结，将难点、重点小结，同时提出新的思考问题，让学生思考和练习。

五、教学新模式的应用

按照本文提出的6个教学环节，笔者以非线性锐化滤波器——梯度算子的课堂讲解为例，介绍这6个步骤的执行过程。非线性锐化滤波器——梯度算子是空间域图像增强的部分内容，之前已经介绍了空域技术分类、像素间运算、直接灰度映射、直方图变换、线性滤波、非线性滤波以及非线性平滑滤波器等内容。

1.理论讲解环节

（1）首先回顾空域技术，重点回顾图像的高频分量和低频分量，接着提出图像锐化的概念，同时与图像平滑对比。

（2）利用邻域平均法引导学生得出结论：平滑对应数学上的积分过程，而锐化与平滑对立，锐化对应数学上的微分过程，引入梯度算子的概念。

（3）对照数学上的梯度概念，一步步引导学生理解将梯度这个矢量应用到数字图像中所做的3步简化操作：梯度大小作为梯度、一阶差分近似表示一阶偏导数、城区距离或棋盘距离

近似表示欧式距离。

[4]（4）以一个4×4的图像为例讲解梯度的计算过程。（5）提出问题：梯度计算出来后，如何根据梯度锐化图像？接着介绍梯度算子锐化处理步骤，讲解5种常见的锐化输出方式。

2.理论分析环节

分析并总结梯度的性质，分析不同的梯度算子有什么联系与区别，分析5种锐化输出各有什么优缺点，什么场合可以采用何种锐化输出方式。

3.效果演示环节

演示同一幅图像，采用同一种梯度算子，5种不同锐化输出