詹曙　雷超　楊雄

摘 要：數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程理論性強(qiáng)、概念抽象、學(xué)習(xí)難度大。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，本文通過(guò)反思教學(xué)實(shí)際，分析了數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程在教授時(shí)所存在問(wèn)題的形成原因，然后就此提出解決方法。并且將解決方法應(yīng)用到本校實(shí)際教學(xué)之中，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)類專業(yè)；數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程；課程的建設(shè)與改革

中圖分類號(hào)：TP642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程具備了豐富的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景，是IT行業(yè)中人工智能，計(jì)算機(jī)視覺(jué)，虛擬現(xiàn)實(shí)等熱門領(lǐng)域中的重要理論和實(shí)踐基礎(chǔ)[1]，同時(shí)該課程在就業(yè)市場(chǎng)中的重要地位都使得廣大學(xué)生重視該課程，有強(qiáng)烈的深入學(xué)習(xí)意愿，因此加強(qiáng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程的建設(shè)與改革意義重大。然而現(xiàn)如今高校在教授數(shù)字圖像工程相關(guān)課程時(shí)，主要存在著重視程度不夠、教授內(nèi)容過(guò)于陳舊，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容欠缺三方面的問(wèn)題，本文通過(guò)分析該課程在相關(guān)領(lǐng)域的重要應(yīng)用、對(duì)于學(xué)生能力提升的意義，并且緊密結(jié)合本校教學(xué)實(shí)際，對(duì)于以上三方面問(wèn)題探討了形成原因并且提出了針對(duì)性的解決方法。最后，將這些方法應(yīng)用到了教學(xué)實(shí)踐中，取得了良好的教學(xué)效果。

2 圖像處理在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用（Application of

image processing in related fields）

數(shù)字圖像處理是指通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)，除了基礎(chǔ)的應(yīng)用，比如常見(jiàn)的圖像處理軟件photoshop，智能手機(jī)里面常見(jiàn)的美圖秀秀等修圖軟件，在其他領(lǐng)域也有著不可替代的作用。

在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，首先大部分圖像處理算法，比如各種平滑算法，常常作為機(jī)器學(xué)習(xí)中第一個(gè)步驟，也就是預(yù)處理步驟，從而使得最終的實(shí)驗(yàn)效果更加可靠準(zhǔn)確；另外，將機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到圖像處理方面，目前是圖像處理研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，比如采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者條件隨機(jī)場(chǎng)方法，用于分類和分割等任務(wù)中[2，3]。

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，也常常需要利用數(shù)字圖像處理來(lái)做一些雜活，比如對(duì)需要識(shí)別的照片進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)對(duì)比度、去除噪聲等[4]。國(guó)內(nèi)不少公司比如中科視拓、face++等已經(jīng)可以將比較成熟的人臉識(shí)別相關(guān)產(chǎn)品運(yùn)用于實(shí)踐生活中來(lái)，而這些產(chǎn)品是離不開(kāi)數(shù)字圖像處理中的基本方法和技術(shù)的。

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，如今大量的3D游戲?yàn)榱嗽黾颖憩F(xiàn)力都會(huì)疊加全屏的后期特效。這些技術(shù)看似高級(jí)，其實(shí)背后的基本原理就是數(shù)字圖像處理，只是將計(jì)算量放在了計(jì)算機(jī)的顯卡端。通常的做法是首先繪制一個(gè)全屏的矩形，然后在pixel shader中進(jìn)行數(shù)字圖像處理。

在虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，同樣需要數(shù)字圖像處理進(jìn)行一些預(yù)處理，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)跟蹤物體的識(shí)別于姿態(tài)獲取，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)進(jìn)行虛擬三維物體的疊加，從而最終豐富了人們的感官體驗(yàn)。

從以上所述的一些應(yīng)用領(lǐng)域不難得出結(jié)論：數(shù)字圖像處理處理除了自身的直接應(yīng)用之外，對(duì)于其在機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的作用，就如同數(shù)學(xué)中基本的加減乘除運(yùn)算一樣。它為進(jìn)行其他方向的研究提供了基本的工具和方法，基于這些工具和方法，相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人士才可以在各自的天地內(nèi)更加踏實(shí)更加自由的進(jìn)行創(chuàng)作和開(kāi)發(fā)。

綜上所述，數(shù)字圖像處理是一門基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)也在不斷與時(shí)俱進(jìn)，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。因此，越來(lái)越多不同領(lǐng)域的人投身于對(duì)數(shù)字圖像處理的研究中來(lái)，因?yàn)槠渲兴幕舅枷?、基本方法、基本理論?duì)他們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和發(fā)展有著重要的作用。

3 圖像處理課程對(duì)于學(xué)生的意義（The significance

of image processing for students）

數(shù)字圖像處理的一門綜合性學(xué)科，內(nèi)容包括物理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)編程等相關(guān)知識(shí)，應(yīng)用涉及計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。從數(shù)字圖像處理的知識(shí)范圍和涉及領(lǐng)域不難看出，該門課程要求學(xué)生必須同時(shí)具備理論分析和編程實(shí)踐兩個(gè)方面的能力[5-7]：一方面，學(xué)習(xí)圖像處理的基本理論，比如傅里葉變換、小波變換等，有利于學(xué)生回憶起之前先修的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等內(nèi)容，從而幫助學(xué)生掌握不同學(xué)科的之間的緊密聯(lián)系共同提高，同時(shí)也鍛煉了思維的能力，使學(xué)生主動(dòng)思考主動(dòng)學(xué)習(xí)。

另一方面，高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，一直以來(lái)編程實(shí)踐能力的欠缺一直為公司所詬病，這也是很多畢業(yè)生找不到理想工作的原因所在[8]。國(guó)內(nèi)某公司圖像處理職位的招聘要求，如圖1所示?？梢钥闯?，除了一些基本技能之外，明確要求具備實(shí)現(xiàn)算法的能力。而數(shù)字圖像處理是一門理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，可以利用matlab、opencv等常用軟件進(jìn)行實(shí)踐自己的想法，鍛煉自己的編程能力。

此外，當(dāng)你在瀏覽前程無(wú)憂、智聯(lián)招聘等學(xué)生求職網(wǎng)站，可以發(fā)現(xiàn)如今各大公司對(duì)于圖像處理相關(guān)專業(yè)的學(xué)生需求很大。單就合肥而言，在本文寫作過(guò)程中，在智聯(lián)招聘網(wǎng)站上搜索欄搜索圖像處理相關(guān)鍵詞后就顯示有148個(gè)職位可以提供，如圖2所示；在前程無(wú)憂網(wǎng)站上則有131個(gè)職位，如圖3所示。這一方面得益于圖像處理自身在日常生活中用處廣泛，同時(shí)也得意于上述提到的機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域持續(xù)火熱的發(fā)展。需求決定市場(chǎng)，而高校的一個(gè)重要任務(wù)就是訓(xùn)練學(xué)生擁有足夠能力去就業(yè)謀生，二者不謀而合，因此圖像處理這門課程對(duì)于學(xué)生提升就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)說(shuō)是非常重要。

綜上所述，數(shù)字圖像處理學(xué)科有助于提高學(xué)生思考問(wèn)題和編程實(shí)踐的能力，同時(shí)現(xiàn)如今就業(yè)市場(chǎng)對(duì)于該專業(yè)人才需求量也很大。因此，于學(xué)生于高校，開(kāi)展endprint

數(shù)字圖像處理課程勢(shì)在必行。

4 成因分析（Cause analysis）

4.1 重視程度不夠

首先，現(xiàn)如今高校“考試”氛圍嚴(yán)重，很多學(xué)生上課并不認(rèn)真聽(tīng)講或者說(shuō)根本無(wú)心聽(tīng)講，而僅僅選擇在期末突擊一星期以應(yīng)付考試。也就是說(shuō)，數(shù)字圖像課程于學(xué)生而言只不過(guò)是類似中國(guó)特色社會(huì)主義、自然辯證法等“無(wú)關(guān)緊要”的課程，并無(wú)多大用處又何必白費(fèi)心思去學(xué)；反過(guò)來(lái)，這也直接影響到了教授老師的“心情”，也許本想認(rèn)真上課，于是對(duì)學(xué)生就嚴(yán)格一點(diǎn)，結(jié)果卻受到學(xué)生的抱怨，使得教授老師開(kāi)始懷疑自己，于是也漸漸放低了要求。如此反復(fù)循環(huán)，最終數(shù)字圖像處理課程也“泯然眾人矣”。但事實(shí)卻并非如此，從上文分析可知，數(shù)字圖像處理的重要性不言而喻。

4.2 教授內(nèi)容過(guò)于陳舊

一般高校采用的都是岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》作為自己的教材，經(jīng)典教材固然好用，但卻存在一些問(wèn)題。其中最大的問(wèn)題便是水土不服，不僅因?yàn)榻滩谋旧硎怯赏鈬?guó)相關(guān)專業(yè)人士所編寫，而且因?yàn)闆](méi)有考慮本校實(shí)際比如學(xué)生的先修課程等。

本文對(duì)本校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生做了抽樣調(diào)查，大多數(shù)學(xué)生都反映有這樣的兩種情況：一是岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》比較全，但不夠細(xì)，有些地方應(yīng)該多講一些結(jié)果卻只是一筆帶過(guò)，比如關(guān)于邊緣檢測(cè)、區(qū)域分割、灰度共生矩陣分析法和圖像的模板匹配介紹太少；二是本書的編排也不夠合理，比如常見(jiàn)的處理算法完全可以將時(shí)域和頻域放在一起講而不是各自放在獨(dú)立的兩章節(jié)中，這樣在學(xué)習(xí)中更容易對(duì)比從而獲得更加深刻的印象。

同時(shí)，圖像處理是一門與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)，很多舊方法早已不用，很多新方法源源不斷的出現(xiàn)，而由于教材本身的滯后特性，是無(wú)法兼顧與此的[9]。

與此對(duì)應(yīng)的，也導(dǎo)致教學(xué)方法過(guò)于呆板，考察方式單一。與其他學(xué)科一樣，數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的教授方式基本也是采取“教師滿堂灌，學(xué)生記筆記”的模式，缺乏師生之間的互動(dòng)。對(duì)于這門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程來(lái)說(shuō)，學(xué)生顯得過(guò)于被動(dòng)。至于考察方式，很大程度也是采取最后的卷面考試成績(jī)，這也直接導(dǎo)致了學(xué)生同其他學(xué)科一樣是為了應(yīng)付考試而學(xué)，最終換不來(lái)學(xué)生能力的提升。

4.3 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容欠缺

國(guó)內(nèi)某大學(xué)關(guān)于數(shù)字圖像處理課程的授課計(jì)劃表，如表1所示。表中數(shù)據(jù)顯示，如今高校大多采用的是平時(shí)正常上課教授教材中的理論知識(shí)，然后期末安排一次大作業(yè)，或者直接安排為期一周的課程設(shè)計(jì)。學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成就算是完成了數(shù)字圖像處理課程的學(xué)習(xí)[10]。

相比其他“無(wú)關(guān)緊要”的課程僅僅多了大作業(yè)或者課程設(shè)計(jì)，這顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。首先，學(xué)生容易蒙混過(guò)關(guān)，因?yàn)閮H僅一周時(shí)間去完成一個(gè)之前沒(méi)做編程練習(xí)對(duì)于大部分學(xué)生還是較有難度的，于是學(xué)生會(huì)滋生“懶惰”的心理。既然設(shè)置這個(gè)“多余項(xiàng)”，就有必要利用好否則只是走形式又有多大意義；其次，由于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生本身需要學(xué)習(xí)的課程較多，這直接導(dǎo)致了學(xué)時(shí)安排的考慮，并且往往達(dá)不到數(shù)字圖像所必需的最少課程安排；最后，結(jié)合章節(jié)1中所談到的，由于教師授課本身的側(cè)重點(diǎn)不在于實(shí)踐，部分教師對(duì)此重視不夠甚至忽略了該問(wèn)題，往往都是相同的題目一年又一年，而學(xué)生交上來(lái)的作業(yè)也是一篇似一篇。這樣長(zhǎng)期以來(lái)結(jié)果就是：學(xué)生知道學(xué)過(guò)這些東西，但卻連簡(jiǎn)單的復(fù)現(xiàn)都無(wú)法做到，更加別提與實(shí)際應(yīng)用做出結(jié)合了。

5 方法探討（Method study）

5.1 針對(duì)重視程度不夠的問(wèn)題

“考試”氛圍固然難以改變，但是卻可以做出彌補(bǔ)。本文認(rèn)為最好的方法就在于如何去提高學(xué)生對(duì)于數(shù)字圖像處理的興趣，只要興趣有了，學(xué)生才會(huì)認(rèn)真的對(duì)待課堂，進(jìn)而甚至?xí)谡n下進(jìn)行自我練習(xí)，而不會(huì)把數(shù)字圖像也當(dāng)作一門普通課程，而教授老師要主動(dòng)承擔(dān)起提高學(xué)生興趣的這項(xiàng)責(zé)任。具體來(lái)說(shuō)，比如如今學(xué)生都喜歡拍照，教授老師就可以利用Photoshop等軟件進(jìn)行修圖，讓學(xué)生知道數(shù)字圖像處理與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合如此緊密；教授老師也可以介紹自己近年來(lái)做過(guò)的或者一直關(guān)注的前沿課題的進(jìn)展，比如計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向就可以介紹人臉識(shí)別最新的研究動(dòng)態(tài)以及相關(guān)的產(chǎn)品，讓學(xué)生開(kāi)拓了自己的眼界和見(jiàn)識(shí)。本文認(rèn)為提高學(xué)生對(duì)于數(shù)字圖像處理的興趣是當(dāng)前最為緊要的任務(wù)，因?yàn)檎n程最大的功勞在于領(lǐng)學(xué)生入門，真正實(shí)用的技能及其與具體情境的結(jié)合應(yīng)用是要靠學(xué)生自己的努力的。學(xué)生由于自身局限無(wú)法兼顧到這些，因此教授老師需要多費(fèi)心，哪怕花費(fèi)時(shí)間多一些，效果也是值得期待的。

5.2 針對(duì)教材陳舊的問(wèn)題

首先編寫教材應(yīng)該考慮本校學(xué)生的先修的基礎(chǔ)課程和基本能力等方面，因此提倡高校教師自己進(jìn)行內(nèi)容的編排和取舍，打造一本適合本校校情的教材。另外，由于學(xué)科之間交叉性的存在，比如一般開(kāi)設(shè)數(shù)字圖像處理課程的專業(yè)同時(shí)也會(huì)開(kāi)展多媒體信息技術(shù)，模式識(shí)別等相關(guān)課程，這些課程之間往往聯(lián)系緊密，因此要求教師具備一人多授課的能力，這樣教師有助于把握學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，同時(shí)也能夠節(jié)省時(shí)間避免重復(fù)做無(wú)用功。

同時(shí)，現(xiàn)如今授課教師都是根據(jù)所制作的ppt提供思路然后進(jìn)行口述授課，因此，教材陳舊沒(méi)關(guān)系，解決方法在于教師，授課教師應(yīng)該及時(shí)關(guān)注數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的相關(guān)研究動(dòng)態(tài)，及時(shí)刪除一些舊的，更新一些新的，最終凝聚在所制作的ppt之中。也許教師平時(shí)時(shí)間比較緊張，此時(shí)可以將一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或者前沿方向等以閱讀材料的形式補(bǔ)充在課件末尾供學(xué)生自己選擇性的閱讀，從而更好的開(kāi)拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的興趣。

本文認(rèn)為教師應(yīng)該采取問(wèn)題式教學(xué)的方式，而不是自說(shuō)自話。具體說(shuō)來(lái)，課前教師可布置思考題鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)看書和查找資料去尋找答案，課堂上也要善于啟發(fā)式的引導(dǎo)學(xué)生去思考而不是直接拋出結(jié)論。教師同時(shí)也應(yīng)該善于利用多媒體來(lái)豐富自己的教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用視頻、聲音、圖像等信息給予學(xué)生不同的刺激，有利于學(xué)生注意力的提高，從而更加高效的學(xué)習(xí)[11]。

至于考察方式，卷面考試必不可少，但應(yīng)降低卷面成績(jī)的最終比例，本文認(rèn)為卷面成績(jī)與平時(shí)成績(jī)?yōu)?：1的比例更為合適，其中平時(shí)成績(jī)不僅包括出勤情況，也包括每周的實(shí)踐作業(yè)。這樣或許時(shí)間會(huì)比較緊張，因?yàn)閷?shí)踐作業(yè)要求學(xué)生必須付出更多的時(shí)間和精力，本文提供的一個(gè)解決方法就是只要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論的關(guān)鍵部分，其余的部分統(tǒng)一給出即可。endprint

5.3 針對(duì)輕實(shí)踐重理論的問(wèn)題

首先教師應(yīng)該轉(zhuǎn)變觀念，充分認(rèn)識(shí)到數(shù)字圖像處理的理論與實(shí)踐同等重要，而不是忽視該問(wèn)題；此外學(xué)時(shí)固然無(wú)法改變，但教師教授應(yīng)有所側(cè)重，有所舍棄。

一些簡(jiǎn)單的知識(shí)點(diǎn)完全沒(méi)必要大講甚至不講，比如一開(kāi)始章節(jié)的關(guān)于圖像的基本概念直接一兩句話帶過(guò)即可；一些學(xué)生努點(diǎn)便可以懂的知識(shí)小講，或者交給學(xué)生制作ppt由學(xué)生自己去講；而真正令人困惑的或者程度還不夠的可以重點(diǎn)講，比如前文提到的涉及到先修數(shù)學(xué)知識(shí)的傅里葉變換等需要教師做出推導(dǎo)和在實(shí)際中的具體應(yīng)用。這樣結(jié)合前面第二點(diǎn)，把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，可以節(jié)省出時(shí)間用于提升學(xué)生的編程能力[12，13]。

至于如何去提升學(xué)生的編程能力，本文認(rèn)為可以從兩個(gè)方面入手。一是每周可以提前布置與本周教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的小實(shí)驗(yàn)，給出大部分代碼，其中關(guān)鍵的部分由學(xué)生自主完成，每周末作為作業(yè)交上來(lái)納入平時(shí)的成績(jī)之中；二是期末應(yīng)有一個(gè)課程設(shè)計(jì)大作業(yè)，為其一周左右，讓學(xué)生根據(jù)自身的興趣去選題，編程語(yǔ)言不限，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新精神，運(yùn)用本課程學(xué)習(xí)到的基本知識(shí)和方法去實(shí)現(xiàn)自己感興趣的一個(gè)方向。

6 結(jié)論（Conclusion）

本文首先論述了數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及對(duì)于學(xué)生自身的意義，據(jù)此明確了設(shè)置數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程的主要意義；然后指出了現(xiàn)如今計(jì)算機(jī)類專業(yè)數(shù)字圖像工程類專業(yè)課程存在的三個(gè)問(wèn)題，即重視程度不夠、教授內(nèi)容過(guò)于陳舊，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容欠缺，表明建設(shè)與改革勢(shì)在必行；最后針對(duì)存在的三個(gè)問(wèn)題分別探討了三個(gè)問(wèn)題的形成原因，以及對(duì)應(yīng)的解決方法，并且將方法應(yīng)用到了教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生反應(yīng)良好，學(xué)習(xí)積極度、勤奮度大大提升，取得了良好的教學(xué)效果。

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作者簡(jiǎn)介：

詹 曙（1968-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖像分析，計(jì)算機(jī)視覺(jué).

雷 超（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：三維人臉識(shí)別.

楊 雄（1992-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖像分析.endprint