結(jié)合數(shù)字圖像處理的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程教學(xué)探討

李振江+武光利

摘要：為了進(jìn)一步加強(qiáng)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程和其他相關(guān)課程之間的有機(jī)聯(lián)系，強(qiáng)化“講授—實(shí)踐”教學(xué)模式的效果，本文分析了數(shù)字圖像類定義中的封裝、繼承、多態(tài)的表現(xiàn)形式，探討了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和數(shù)字圖像處理兩門課程相結(jié)合教學(xué)的方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì);封裝;繼承;多態(tài)

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是很多計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程，在該門課程的傳統(tǒng)教學(xué)過程中，很注重相關(guān)概念的講解，同時(shí)輔助以若干示例程序讓學(xué)生動手練習(xí)[1]。這種“講授—實(shí)踐”模式的教學(xué)方式較為成熟并得到很多師生的認(rèn)可，如何在這種成熟的教學(xué)模式基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升，是計(jì)算機(jī)教育工作者探討的方向。

圖1

隨著數(shù)字圖像處理相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展以及需求的增長，數(shù)字圖像處理課程已在很多院校的計(jì)算機(jī)類專業(yè)中開設(shè)，該課程涉及數(shù)字圖像的存儲、增強(qiáng)、分割以及識別等諸多方面的工作，其中很多概念和方法適于使用面向?qū)ο蟮乃悸啡ゾ唧w實(shí)現(xiàn)，這為兩門課程相結(jié)合教學(xué)提供了可能[2]。

面向?qū)ο蟮乃悸酚腥齻€(gè)要點(diǎn)，即封裝、繼承和多態(tài)，它們都可以在數(shù)字圖像處理過程中找到具體落腳點(diǎn)。筆者從這三個(gè)基本要點(diǎn)出發(fā)，對在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)過程中，使用基于數(shù)字圖像處理課程背景的具體示例進(jìn)行教學(xué)，做了一些初步的探討。

一、數(shù)字圖像類的封裝

面向?qū)ο蟮乃枷胝J(rèn)為任何一個(gè)具體的事物都是一個(gè)對象，對相似類型對象的抽象就是類，類中包含兩個(gè)方面，即待描述事物的屬性與方法，將屬性和方法捆綁在同一個(gè)單元中就是封裝。對數(shù)字圖像處理中的“數(shù)字圖像”這一基本概念，也可以進(jìn)行這樣的分析。

數(shù)字圖像的本質(zhì)是對現(xiàn)實(shí)中連續(xù)圖像的離散化表達(dá)，離散表達(dá)的最基本單位是像素，數(shù)字圖像實(shí)際上就是像素的矩陣。矩陣在計(jì)算機(jī)中最簡單的存儲方式是使用數(shù)組進(jìn)行存儲，這個(gè)數(shù)組就是圖像類的最基本屬性。除了該基本屬性外，還會有其他諸如圖像的寬度、高度等的屬性信息需要被圖像類封裝進(jìn)去。

同樣，對封裝好基本屬性的圖像也會有一些最基本的操作，例如獲取圖像某個(gè)坐標(biāo)上像素點(diǎn)的顏色，或者更改某個(gè)點(diǎn)的顏色。這些操作代表了要對數(shù)字圖像進(jìn)行處理，所需要提供的最基本的功能，這些就可以稱為是數(shù)字圖像的方法。按照這樣的分析，一個(gè)基本的數(shù)字圖像類就可以被如下（見圖1）定義，使用C++描述。

二、數(shù)字圖像類的繼承

繼承在面向?qū)ο缶幊讨?，被認(rèn)為是一種類之間的“Is-a”層次級關(guān)系。子類被看作是父類的一種具體，父類則是子類的一種抽象。例如，對于汽車類來說，我們認(rèn)為它是載具類的一個(gè)子類，是載具這一抽象實(shí)體的一個(gè)具體;我們同時(shí)還可以認(rèn)為汽車類是客運(yùn)汽車類的一個(gè)父類，是客運(yùn)汽車的一個(gè)更高級抽象。在數(shù)字圖像類中，也有很多地方有類似的關(guān)系。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像的色彩表現(xiàn)能力逐步提高，從最早的二值圖像，到后來256色的8位圖像，再到目前的32位真彩色圖像，不同類型圖像的數(shù)據(jù)存儲方式和數(shù)據(jù)處理方式在抽象層面上是一致的，但在具體的處理細(xì)節(jié)上又是迥異的，因此可以將數(shù)字圖像這一概念抽象為一個(gè)基類，在基類中只實(shí)現(xiàn)抽象統(tǒng)一的方法，而把細(xì)節(jié)處理不同的方法納入子類中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

基于BaseImage類，派生出一個(gè)8位數(shù)字圖像子類和一個(gè)32位數(shù)字圖像子類，這樣的一個(gè)繼承關(guān)系就可以被定義（見圖2）。

三、多態(tài)性在數(shù)字圖像類中的體現(xiàn)

同一個(gè)問題在不同的前提下，針對具體情況，會有不同的解決方案。最簡單的解決思路就是針對每一種不同的情況，單獨(dú)定義一個(gè)接口來解決該問題，然而在實(shí)際應(yīng)用中，我們總是希望接口越少越好，同時(shí)功能越強(qiáng)大越好。面向?qū)ο缶幊讨卸鄳B(tài)就是為了解決這個(gè)矛盾，為同一個(gè)接口創(chuàng)建多個(gè)不同的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)由系統(tǒng)自動選擇在何種情況下使用某個(gè)現(xiàn)實(shí)。

在第三節(jié)中定義的三個(gè)數(shù)字圖像類，其基類BaseImage中應(yīng)該包括一些通用方法的實(shí)現(xiàn)，例如獲取當(dāng)前圖像的高寬;同時(shí)也應(yīng)該包含一些邏輯上通用，但具體實(shí)現(xiàn)有差異方法的抽象，例如數(shù)據(jù)的存取方式。這些邏輯上相同但具體實(shí)現(xiàn)不同的方法，就可以基于多態(tài)的思路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

在8位存儲和32位存儲兩種不同的存儲模式下，獲取圖像寬度和高度的實(shí)現(xiàn)是一致的，因此在基類中對其進(jìn)行了統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)。但是在對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，其具體的操作細(xì)節(jié)是不同的，因此這兩個(gè)方法在基類中的定義使用了Virtual關(guān)鍵字，在派生類的實(shí)現(xiàn)也不一樣。但對于調(diào)用者來說，只需要了解Image類有獲取以及設(shè)定某點(diǎn)像素值的功能，具體使用哪個(gè)派生類的實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)自動分配。

在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的教學(xué)過程中，引入數(shù)字圖像處理的具體案例進(jìn)行教學(xué)講解，一方面能強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)課程的應(yīng)用背景，提升學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣;另一方面，也可以將這兩門課程的部分知識點(diǎn)進(jìn)行融匯，提高學(xué)習(xí)效率。如何在這兩門課程之間選擇較好的結(jié)合點(diǎn)展開教學(xué)，是提升該類教學(xué)方法效率的一個(gè)重要因素，接下來的工作就圍繞這個(gè)問題進(jìn)行，希望能夠找到更多合適的切入點(diǎn)，更好地完成教學(xué)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]張會.C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革探討[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（01）：151—153.

[2]張麟華，孔令德，楊慧炯. 面向圖形圖像處理的C++課程案例設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（04）：88—91.