数字图像处理课程中的实验教学

黄祥林

摘要:本文对计算机专业的“数字图像处理”实验教学内容及方法进行了探讨。主要讨论了如何利用学生的专业特点和个人能力等选择实验课的内容设计、实验方法及组织形式。多年的效果证明,这种实验教学方法很好地配合了课堂教学,提高了学生的积极性、主动性,为学生更好地掌握理论知识和实践能力,提高综合素质和培养创新精神起到了积极作用。

关键词:数字图像处理　实验教学　实验设计

Abstract: This paper discusses how to teach the experimental course of digital image processing for computer science major students according to their knowledge and personal aptitude. It includes the design of experimental contents, the experimental method and so on. With the introduced experimental teaching method, the students have more enthusiasm and go-aheadism, and have a better command of the theories and experimental ability, can be improved with more integrative and creative abilities.

Keyword:digital image processing, experimental teaching, experimental design

一、引言

“数字图像处理”是我院高年级本科生的一门专业选修课,主要包括图像获取、图像变换、图像增强、图像复原、彩色图像处理、图像编码、图像检测与分割、图像表示与描述、图像识别等。本课程的主要目的是使学生掌握数字图像处理的基本概念、理论和方法,并利用计算机知识进行数字图像的处理分析,提高学生的实际动手能力和创新能力。“数字图像处理”课程的理论性和实践性都很强,在本专业学生普遍缺乏信号处理知识的情况下,课堂的理论讲述势必枯燥,学生也缺乏热情。因此,必须将枯燥的理论推导转化为立竿见影的实际操作,大力加强数字图像处理的实验教学,将复杂的算法以最直观的方式展现在学生面前,使学生通过实验来深入理解和掌握数字图像处理的原理和用途,培养、提高学生的学习热情,激励学生的创造性思维。

二、设计具有综合性的实验课题

目前,国内的数字图像处理实验教学软件不尽相同,大致有:(1)Adobe Photoshop、Paintshop等图像处理软件;(2)Matlab图像工具箱;(3)美国南伊利诺伊州大学开发的CVIP tools软件;(4)某些科研成果软件作为教学软件等。但是这些并不能作为数字图像处理的最优教学软件,因为许多商用软件是封闭型的,很难在效果和功能上加入自己的想法,也不利于学生对原理及过程的深入理解。

根据我院学生具有编程能力强的特点,在实验教学中直接选用VC++来编写各种图像处理程序。这样,学生只有在充分理解各算法原理的基础上才能编写出正确的程序,大大提高了学生对各种算法的理解水平和动手编程能力。

为了使学生更快上手,教师为学生提供了通用的图像处理框架程序,主要包括对BMP文件的调入、存盘、显示等基本函数,学生会将主要精力集中在算法理解、编程实现等方面。

在实验教学中,为学生提供一个综合性的实验设计题目——“暗背景的灰度照片增强与压缩”,实验要求学生将一幅背景较暗的照片(8位灰度,文件格式为BMP)进行图像增强,并对其进行压缩。

该综合性实验的目的:一是可以培养和检验学生应用理论知识、掌握实验原理、动手编程等方面的能力;二是能给学生一个较宽阔的思考空间和选择余地,可以发挥他们各自的思维与想象力,使学生的创新意识和综合能力受到启发与锻炼;三是可以培养学生坚韧不拔的意志品质、实事求是的科学态度、相互帮助的协作精神。

在实验中,并不限定图像增强及压缩的具体算法,而由学生自己通过分析所学各种算法而进行适应性选择。其实验的总体框架如图1。(www.daowen.com)

该实验主要是针对灰度图像进行处理,如果调入的BMP图像是彩色图像,则需转换成灰度图像。在灰度图象增强中,学生可选择直接灰度变换、直方图修正等方法,根据实际效果确定具体的增强方案。进行图像压缩实验时,选择的算法比较多,可以选择无损算法、有损算法或综合算法,该实验涉及到的知识点比较多,如图像变换、像素预测、量化、统计编码等等。最后,要对压缩的图像文件进行解压,解压算法与压缩算法是对应的,同时也是检验压缩算法正确性的一种手段。

图1　实验的总体框图

该实验选题具有实际意义,既具有挑战性又具有趣味性。一方面,这是个具有挑战性的选题,无论是图像增强还是图像压缩,在实际中具有广泛的应用。但由于应用的环境不同,要想达到理想效果难度较大。另一方面,学生对理论学习比较迷茫,不知道怎样用,不知道何时用。通过对此实验的研究,使学生产生浓厚的兴趣和参与的主动性,其实际技能得到充分训练。通过该实验的训练,可使学生们对所学理论知识进行深入理解、综合实验能力得到锻炼。

该实验所设计的内容具有很好的伸缩性,适应不同能力层次的学生,让每个学生都能根据自己的能力找到自己的着力点,最大限度地挖掘自己的潜力。

学生自己设计实验方案,实验可从易到难分步骤进行。灰度图像增强比较容易,学生可进行直接灰度变换,程序可设计成交互方式,对灰度变换曲线进行分段人工设置。也可以进行直方图修正,采用直方图均衡,或基于手工交互的规定化直方图处理。当然也有其他方法选择。这部分除了直方图均衡外,需要手工交互处理,对VC程序设计要求较高,但对计算机类专业的高年级学生来说不是问题。图像压缩的实验部分相对较难,能力不足的学生可以先直接采用教材提供的统计编码方法,但压缩效果并不理想。具有一定能力的学生可有多种方案选择,如以DCT为基础的变换压缩算法,以小波为基础的变换压缩算法,以矢量量化为基础的压缩算法等。当算法确定后,就要自己设计详细的实施方案,以矢量量化的压缩算法为例,要收集具有足够多的具有代表性的训练图片,确定矢量维数和码书长度,选择矢量分类算法等,最后进行程序编写及调试。在实验过程中,特别是程序编写及调试过程中,每获得一个阶段性成果,学生就会有一种成就感,对自己充满信心,但学生获得的压缩效果与商业压缩软件相比还有一定差距,也让他们看到了努力的方向。

该实验属于较大型的专业课实验,仅靠个人努力和课程时间很难完成。因此,将学生分成若干实验小组,每组3-4人,人员自由组合,组员间相互分工、共同商讨、密切合作。对每组的成绩评价由两部分组成,一是组内人员的相互评分,二是教师对组内随机挑选学生的评分,这两种评分的差值决定了组内评分的正确度。这种方式既能让学生完成实验的压力不大,又能锻炼协作能力,相互促进,共同提高。由于课时的限制,如果学生只利用规定时间做实验,不一定能完成任务,因此,鼓励学生充分利用业余时间,并且将实验任务尽量提早布置,将实验涉及的基础知识提前铺垫。

三、结论

在“数字图像处理”课程的教学中,将理论教学与实验教学有效地结合起来,不仅提高了教学效果,而且培养了学生的团队协作能力和实验动手能力,提高了学生的学习热情和主动性、创新性。通过该综合性的实验教学,加深了学生对课堂的理解,经历了以团队的方式查阅科技资料、选择设计方案、程序编写与调试等一系列工作,培养和锻炼了学生在设计思想、开拓意识、创新思维、科学素养和动手实践等方面的能力。特别是,通过此课程的实验教学,使一部分学生对图像处理产生了浓厚的兴趣,不仅在毕业设计中选择了与图像处理有关的课题,而且在毕业后继续从事图像处理方面的工作。

参考文献

[1]姚敏等编著:《数字图像处理》,机械工业出版社2006年版。

[2]阮秋琦等编著:《数字图像处理学》,电子工业出版社2001年版。

[3]姜姗、双凯:《“数字图像处理”课程的实验教学改革》,《实验室研究与探索》,2006,25(5),第644～646页。

[4]盛利元、李宏言、孙克辉:《“数字图像处理”实验教学探索与实验软件研制》,《电气电子教学学报》,2005,27(3),第75～77页。