高勇鋼

數(shù)字圖像處理教學中分階段項目導入探究

高勇鋼

（安徽師范大學數(shù)學計算機科學學院，安徽蕪湖241000）

將數(shù)字圖像處理教學分成三個階段，每個階段引入合適項目讓學生獨立去分析和設計，這樣既能持續(xù)保持學習興趣，同時提高了學生綜合運用所學知識和技術(shù)手段解決問題的能力。

圖像處理；圖像檢索；車牌識別；模式識別

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.045

1　引言

數(shù)字圖像處理課程被設置為電子信息類專業(yè)本科生的基礎課程，同時被許多軟件學院列為軟件工程專業(yè)本科階段的專業(yè)課程。主要內(nèi)容包括：（1）數(shù)字圖像處理的基本概念。（2）二維傅里葉變換、離散余弦變換，小波變換的基本原理與方法。（3）圖像的增強方法。（4）圖像恢復和重建基本原理與方法。（5）圖像壓縮編碼的基本原理與方法。（6）圖像的分析和模式識別基本原理。

為了提高數(shù)字圖像處理的教學效果，文獻［5-10］分別從不同的方面，提出各種教學模式以激發(fā)學習數(shù)字圖像處理課程的興趣，鍛煉和培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

2　分階段項目導入

上述文獻提出引入項目于教學中或?qū)嶒炛小ｍ椖渴菍λ鶎W知識的綜合應用，是學以致用的直接體現(xiàn)，也是激發(fā)學生興趣的重要手段，但是項目所需技術(shù)應與學生當前所學相關知識基本匹配或略有提高。如果項目所需技術(shù)過于復雜且遠遠超過學生當前知識儲備，則會適得其反，削弱學生學習興趣。因此本文提出分階段引入項目的方法，根據(jù)課程進展不同階段，引入難度適當?shù)捻椖繂l(fā)學生，從而使學生能夠持續(xù)保持學習興趣。數(shù)字圖像處理課程教學過程可分成三個階段：第一階段是圖像基礎知識介紹，該階段難度較小。第二階段是圖像處理重點和難點階段，該階段決定了學生對這門課掌握程度。第三階段是數(shù)字圖像處理主體內(nèi)容已學習結(jié)束。

2.1階段一項目導入

在掌握了數(shù)字圖像的顏色模型，數(shù)字圖像的像素表達，圖像的算術(shù)運算等知識點之后，可以向?qū)W生提出這樣的問題：如果給定圖1所示花卉，從包含花、馬、恐龍、大象、建筑、海灘、公共汽車等不同種類與數(shù)量的圖像庫中，找出花卉類圖像，檢索結(jié)果如圖2所示。這個問題就自然引入一個基于顏色來檢索圖像的項目，實現(xiàn)該項目的算法有許多，選擇一個簡單易懂的算法，運用階段一所學的知識就可以找到該項目解決方案，從而在開始階段不久則可以增加學生學習的興趣，能夠更加期待下一階段的學習。

基于顏色圖像檢索算法簡述如下：1）統(tǒng)計給定示例圖像的不同顏色范圍的像素個數(shù)。2）求出示例的顏色特征向量。3）對圖像庫每張圖像算出顏色特征向量。4）計算示例圖像顏色向量與圖像庫中每張圖像的顏色向量的距離。5）根據(jù)距離從小到大排序。6）顯示距離排序小的圖像。

圖1花卉示例

圖2　花卉檢索結(jié)果

2.2階段二項目導入

在階段一掌握了數(shù)字圖像的基礎知識后，進入圖像處理的難點和重點。圖像變換是圖像研究領域的重要方法，可以應用于圖像濾波、圖像壓縮、圖像識別等領域。物體的形狀識別是模式識別研究的重要方向，廣泛應用于圖像分析、機器視覺和目標識別等應用領域中。在掌握了圖像的離散余弦變換和傅里葉變換后，可以向?qū)W生提出這樣的問題：給定圖3所示蝙蝠，如何在包含鳥、魚、筆等幾十種不同形狀與數(shù)量的圖像庫中，找出具有蝙蝠形狀特點的圖像，檢索結(jié)果如圖4所示。這就又引入另一種圖像檢索的方法，基于形狀的圖像檢索。表達物體的形狀有多種方法，如基于邊界特征點，不變矩，傅立葉描述子和自回歸模型等方法，其中傅里葉描述子就是傅里葉變換相關的形狀特征描述，因此可以將圖像處理的重點與難點內(nèi)容傅里葉變換應用于形狀的表達。傅立葉描述子的基本思想是：假定物體的形狀是一條封閉的曲線，，沿邊界曲線上的點的坐標是一個以形狀邊界周長為周期的函數(shù)。該周期函數(shù)用傅立葉級數(shù)形式表示，傅立葉級數(shù)中的系數(shù)與邊界曲線的形狀有關，這些系數(shù)稱為傅立葉描述子，當系數(shù)項取到足夠階次時，可以將物體的形狀信息完全提取并恢復出來，傅里葉描述子是在頻域中表達物體邊界曲線信號。

圖3　蝙蝠示例

圖4　蝙蝠檢索結(jié)果

2.3階段三項目導入

在圖像處理基礎、圖像變換、圖像分割等主要內(nèi)容掌握后，可向?qū)W生提出這樣的問題：如果給定一張轎車照片如圖5所示，如何設計一個車牌識別系統(tǒng)能獲得轎車的車牌。在該系統(tǒng)中需要解決如下問題：1）牌照定位技術(shù)，涉及到圖像邊緣提取和形態(tài)學處理，圖6包含了車牌處理過程中邊緣提取與形態(tài)學處理的相關圖。2）牌照字符切分技術(shù)，涉及車牌圖像的二值化和傾斜校正，計算傾斜角度的方法有Hough變換和Radon變換，圖7包含了二值化和濾波等相關圖。3）車輛牌照字符識別技術(shù)，可采用模板匹配和神經(jīng)網(wǎng)絡的方案。車牌識別系統(tǒng)處理步驟簡述如下：1）圖像采集。2）圖像預處理。3）車牌定位。4）字符分割。5）字符識別。6）輸出識別結(jié)果。

圖5　車輛示例

圖6　車輛檢測過程相關圖

3　結(jié)束語

教學實踐表明，項目是提供數(shù)字圖像處理教學效果的非常好的方法，但教學效果與項目引入的數(shù)量、難度以及時機等因素密切相關。通過在數(shù)字圖像處理教學的三個不同階段分別引入相應精選的項目，確確實實提高了學生學習興趣并很好地鍛煉了學生實踐能力。

［1］岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理［M］.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］李俊山，李旭輝.數(shù)字圖像處理［M］.2版.北京：清華大學出版社，2013.

［3］龔聲蓉，劉純平，趙勛杰.數(shù)字圖像處理與分析［M］.2版.北京：清華大學出版社，2014.

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［6］賈永紅.現(xiàn)代化教學手段在數(shù)字圖像處理教學中的應用研究［J］.測繪通報，2006，1：62-65.

［7］楊淑瑩，張樺.數(shù)字圖像處理教學軟件的開發(fā)設計［J］.天津師范大學學報：自然科學版，2009，29（4）：76-80.

［8］鄧繼忠，金濟，陳羽白.基于PBL模式的數(shù)字圖像處理實踐教學探索［J］.實驗室研究與探索，2012，31（9）：139-141.

［9］李露，謝鳳英，姜志國，等.關于在實驗課程中培養(yǎng)研究生創(chuàng)新實踐能力的探索［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（11）：235-237.

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［責任編輯：桂傳友］

G642

A

1674-1102（2015）06-0147-02

2014-10-21

安徽省高校自然科學基金項目（KJ2012Z116）。

高勇鋼（1970-），男，安徽蕪湖人，安徽師范大學數(shù)學計算機學院講師，碩士，研究方向為圖像處理。