图像与视频处理教学内容及方法的研究与改革

图像与视频处理教学内容及方法的研究与改革

崔子冠等

摘要针对图像与视频处理课程专业知识面广、信息量大、理论与实践并重等特点，根据多年的实践教学经验，在全面调研的基础上提出兼顾经典理论与最新进展的不定期教学内容改革机制和结合课堂讲授与实验验证的教学方法改革策略。实践教学效果表明，改进后的教学内容与教学方法有效提高了学生的学习兴趣，加深了教师“教”与学生“学”的互动水平，对于增强本课程的整体教学效果具有指导性价值。

1 引言

数字图像与视频处理技术是当前学术界与产业界的研究热点，与国民经济的发展联系紧密，如视频监控、图像增强处理、数字电视、三网融合等。国内外重点高校也都为通信、电子、信息工程类相关专业的本科生和研究生专门开设图像与视频处理的类似课程，希望通过本课程的学习，使学生掌握其基础理论、原理和实现方法，并在图像与视频处理领域具有一定的开发与应用能力，为以后从事图像与视频信号处理、广播电视工程等领域的研究打下坚实的基础。但由于本课程研究内容发展迅速，且具有涉及基础理论较多、知识面大、理论深度与实践能力要求并重等特点，学生不易看清本课程在专业培养中的地位，不易抓住课程内容的重点，也不知应该采取怎样的学习方法来学习本课程；同时给教师教学也提出很大的挑战。

针对这些问题，本文在全面调研的基础上，提出兼顾经典理论与最新进展的不定期教学内容改革机制，以及结合课堂讲授与实验验证的教学方法改革策略，希望能够提高学生对本课程的认识程度，提升学生的学习兴趣，增强教师课程教学效果。

2 学生与课程信息的全面调研

要想使学生学好、教师教好一门涉及专业知识面广的专业课程，必须使学生和教师相互沟通和了解，充分认识本课程在整个培养计划中的地位，进行创新性教学。项目组首先针对本课程教学做了大量而全面的调研工作，通过统计分析，分别从学生、教师和教学内容方面得出具体的调研结果。

1）从学生的角度，学生对本课程在整个培养计划中的作用以及本课程与相关课程的拓扑关系认识不够清晰，导致学生学习时有些茫然，不知道学习本课程后对后续研究生阶段的学习有何帮助，也不知道进入企业工作后是否能用得上。对本课程缺乏认识是学习主动性不高的主要原因，进而影响了学习效果。

2）从教师的角度，教师对本课程在培养计划中的地位以及脉络关系比较清楚，但可能在教学过程中向学生传递得不够。因为本课程教学内容较多、涉及知识面广，有可能使教师专注于具体知识点细节上的讲解，而没有从大局上给学生以清晰的分析。如何均衡整体脉络和具体模块的讲解，是教师讲授本课程的一大挑战。

3）本课程具体教学内容具有以下特点，需要在“教”与“学”的过程给予充分注意。

①学科交叉性强且涉及的基础理论面广。目前电子信息技术各专业相互渗透、交叉融合是大趋势，本课程基础理论与应用开发涉及很多相关专业，比如计算机、通信、电子、信息等，但不同专业对本课程内容要求掌握的程度又不尽相同，如何针对不同专业基础的学生选择合适的教学内容和方法是一个值得研究的问题。

②与相近课程的区别与联系：为了培养图像领域的专门人才，整个培养方案会设置相近的课程群（如电视原理、移动数字视频技术、图像通信等）以提高学生的整体专业素养，本课程与这些课程在教学内容上各有侧重，但学生往往认识不到相近课程的区别，从而产生某块教学内容不再需要学习的错觉。

③技术发展与知识更新速度快，经典理论与最新进展并重。本课程涉及很多经典理念，比如数字信号处理、最优化等，同时其技术发展与知识更新迅速，如目前机器学习、稀疏编码等在图像处理中得到极大的应用，形成了新的研究分支。如何在教学时既让学生打下坚实的经典理论基础，又让学生了解最新的前沿技术与发展趋势，这是一个教学难点。

④理论知识与实际应用并重。由于目前图像与视频处理技术飞速发展，在国民经济各个领域的实际运用越来越广泛，比如Photoshop与美图软件中的图像增强处理、监控视频通信与智能分析处理等，因此，本课程的最终培养目标是让学生具有进行理论研究与实际开发的双重能力。这就需要本课程在教学时能够达到培养学生这两方面能力的要求。

3 兼顾经典理论与最新进展的教学内容改革

目前本课程主要讲授的知识模块包括图像信号处理基础、图像与视频文件格式、图像增强、图像复原、图像分割、形态学图像处理、数字水印、基于内容的图像与视频检索等内容。这些内容是图像与视频处理领域已经研究多年的经典问题，也是当前和以后将要继续研究的热点问题，在产业界也有广泛的应用前景。据此，图像与视频处理技术的发展主要体现在两方面：

一是针对新问题提出的新理论新方法，如最近热门的三维图像与视频处理技术；

二是针对经典问题提出的新工具与解决方法，如机器学习在图像处理中的应用。

教学内容需要在紧扣经典理论的同时，体现技术发展的最新趋势，使学生能够接触到最新的前沿技术。为此，建议在教学内容上可做以下几点改革。

1）对必须掌握的经典基础理论知识要分配足够的课时，比如图像数字化的原理，图像增强中的线性变换、直方图均衡化、图像滤波、边缘检测原理，图像复原中的降质模型和最小二乘方算法、图像变换、图像特征提取等知识点。因为基础理论是知识发展的根基，只有把基础理论学深学透了，以后遇到新的问题或学习新的技术时才可以做到举一反三。

2）区分本课程与相近课程在教学内容上的异同点，对本课程中不太重要而在相近课程中会深入讲解的内容进行精简。比如：音频信息处理与音频编码标准会在数字音频技术课程中讲解，图像编码标准中的JPEG压缩标准与H.264视频编码标准会在图像编码或图像通信课程中讲解，镜头切换与场景检测技术会在广播电视测量与视频编辑课程中讲解，等等。另外，由于课时所限，还可以对学生通过自学或课下查阅资料即可掌握的介绍性或常识性内容进行压缩，比如多媒体的概念、图像处理的历史概括、图像文件的格式等内容。

3）结合最新应用场景增加前沿技术的介绍，比如机器学习或稀疏编码在图像去噪中的应用、神经网络在图像特征提取与描述中的应用等。这样可使学生紧跟国内外图像处理技术研究的前沿，了解现在及以后的发展趋势，对于开阔学生的学术视野非常有益。

4）结合重要知识模块的原理增加MATLAB实验验证或演示性内容，比如图像灰度变换、直方图均衡化、中值与均值滤波的MATLAB实现等。因为图像处理是一门理论与实践并重的学科，其最终目的还是要根据知识原理来解决实际的图像处理问题，而且通过MATLAB实验还可以反过来加深对原理的理解。

4 结合课程讲授和实验验证的教学方法改革

由上述分析，本课程教学内容的不同部分既相互依赖和联系，又相对独立、各成体系，因此，教学方法也应该体现基于内容的自适应性和创新性。根据与学生的交流和教学实践经验，建议在教学方法上做以下几点改革。

1）在对教学内容认真梳理的基础上，在课堂讲授时分清主次，将教师讲授关键知识与学生自学扩展知识有机结合，充分调动学生的学习兴趣和积极性，而不是在整堂课上机械地采用教师灌输的方式。一方面，本课程内容众多，在有限的课时内要详细讲解所有内容难度较大；另一方面，从科学的学习方式上来讲，学生在接受教师讲授知识的同时，需要有时间对接收到的知识进行消化理解。因此在教学实践中尝试把课堂教学与学生课下自学相结合，