新工科背景下《数字图像处理》课程的案例化建设研究_张俊生.pdf
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1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术246|新工科背景下数字图像处理 课程的案例化建设研究张俊生,赫英凤,张晓娟,郭彩萍,翟丽红太原工业学院电子工程系,山西太原,030008摘要:新工科建设对高校人才培养提出了更高的要求,本文在分析应用型本科院校数字图像处理课程现有教学模式弊端的基础上,精心构建典型工程案例辅助理论教学,在线上和线下两个环节引导学生加强动手能力的训练。并介绍了部分工程案例的具体内容及涉及的知识点,并以其中的图像手绘特效案例为例,详细说明了案例的具体构成过程及表现形式。在经过两个教学周期的实践后,结果表明引入案例后
2、教学效果显著改善,学生的学习兴趣明显提高,有利于学生综合应用分析能力的培养。关键词:新工科;图像处理;案例化;课程建设中图分类号:TP391.4文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.057 0引言教育部于2017年首次提出新工科建设的概念,它以面向新技术、新产业、新业态和新模式为特点,通过对智能制造、人工智能、虚拟现实等前沿工程学科的教育探索而逐步形成一个完整的框架体系1。新工科建设作为现阶段高等学校工科教育改革的行动指南,既针对新兴工科专业的创建,也包括传统工科专业的升级,要求各高校从自身定位出发,以学生的全面发展和企业的用人需求来构建全新的人才培养
3、模式,充分利用网络资源和新一代信息技术,打破传统教学的时空限制,优化相关课程的教学方案,全面提升教学质量,培养科学基础宽厚、工程实践能力较强、服务新经济发展的复合型工科人才2-3。数字图像处理作为一门典型的多学科交叉课程,涉及的数学原理和基础知识多,理论性强,概念抽象,是计算机科学与技术、电子信息工程等专业的必修课,在机器视觉、智能制造、机器人导航等诸多领域应用广泛。随着数字图像处理技术的快速发展,传统的课堂讲授模式已经无法满足教学需求,国内诸多高校纷纷展开教学改革,如加强线上线下教学联动4、突出工程实践5-6、引入深度学习技术7、设计教学案例8-9等,取得了一定成效。本文从应用型工科院校的人
4、才培养角度出发,充分利用“互联网+”和虚拟仿真技术10,构建面向新工科应用的教学案例,实施数字图像处理的课程教学改革。1数字图像处理课程的教学现状分析数字图像处理主要研究图像的获取、增强、恢复和目标识别等内容,与高等数学、线性代数、数字信号处理等课程紧密衔接,理论性较基金项目:本文系教育部高教司产学合作协同育人项目新工科背景下数字图像处理课程实践案例建设(项目编号:201802022018);教育部高教司产学合作协同育人项目新冠疫情下开展云课堂混合式实验教学的研究(项目编号:202102326008);教育部高教司产学合作协同育人项目基于 Proteus 的线上虚拟仿真实验平台建设(项目编号:
5、202102583004);太原工业学院应用性课程建设项目工程背景下数字图像处理的案例化教学(项目编号:2018YJ08Y)作者简介:张俊生,男,汉族,山西神池,博士,副教授,研究方向:图像信号智能处理及应用。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|247技术应用与管理强,知识点众多,同时与工业生产和日常生活中的具体应用直接相关。现有的教学模式依然以课堂讲授为主,借助多媒体幻灯片阐述相关概念,侧重于单方面的理论教学,学生参与度很低,动手能力重视程度不够。同时,数字图像处理技术发展日新月异,以智能手机上美颜相机、人脸识别等日常应用为例,图像获取、图像优化、目标识别等核心算法被高度封装,常规的课堂
6、讲授很难将这些热门工程实践与图像处理的基础理论知识建立联系,最终导致课堂教学理论性强、应用性差,学生学习兴趣不足,综合分析问题的能力得不到锻炼。实践教学是培养综合分析能力和创新能力的有效途径,同时也是理论教学的延续、拓展和深化。受限于现有应用型本科院校的人才培养方案和教学大纲,数字图像处理这门课程的实践环节无法像职业院校一样开展长学时的技能训练,只能在现有理论教学为主的条件下进行。在环境受限、学时受限的情况下,精心设计教学案例可以分解实际工程项目中涉及的知识点,通过互联网线上课前发布、课堂上结合理论知识重点介绍、课后引导学生自行设计类似课题的教学模式,实现实践教学和理论教学的有机结合。2工程化
7、教学案例的构建数字图像处理课程的主要教学内容按模块来划分,第1模块是图像基础理论知识,包括像素与图像、采样量化、灰度图像与彩色图像、图像工程等基本概念,主要介绍数字图像作为二维信号的一些表述方式以及图像处理、图像分析和图像理解之间的关联;第2模块是图像基本处理方法,包括图像间的运算、图像的灰度变换、图像的模板增强、频域增强、图像的恢复重建等,涵盖了常规图像处理软件中大部分像质优化功能的核心算法;第3模块是图像编码,包括图像编码的基本原理介绍、图像的正交变换编码、无损预测编码和有损预测编码等常用编码算法,主要涉及图像数据的存储、读取和传输;第4模块是图像分割部分,包括图像的二值化、目标的描述与识
8、别、数学形态学处理等内容,涉及图像处理过渡到图像分析的一些常用算法;第5模块是拓展技术,包括图像水印、彩色图像处理、视频图像处理和多尺度图像处理等,介绍图像处理研究领域中涌现出的新理论、新技术和新方法。数字图像处理课程教学内容丰富,在构建工程案例时应该以学生为中心,按照工程性、先进性和知识覆盖全面性的原则,选择应用广泛、学生熟知的场景设计案例,引导学生发现问题和分析问题,深刻体会理论方法与实际应用之间的联系。按照上述原则,本次教学实践共构建了12个典型案例,基本涵盖了上述5个教学模块涉及的理论教学知识点,同时每个案例紧贴学生实际,容易在课堂上产生共鸣。选择其中5个案例来说明本次案例的构建特点和
9、过程,案例名称、应用场景、具体内容和涉及的理论教学知识点如表1所示。构建的教学案例在Matlab平台上或以OpenCV为基础函数库来实现,算法流程以单独PPT的形式和算法源代码、可执行程序一并发布,构成案例的全部内容。具体以表1中的图像手绘效果案例为例,其输入的原始图像为图1中的(a)图,经过灰度化处理提取的梯度图像为图1中的(b)图,对梯度图像进行线性缩小来表征人类视觉的远近程度,叠加光源效果后得到最终手绘特效图像,如图1中的(c)图所示。整个案例的算法核心代码标注详细注释,包括涉及的算法名称及知识点对应的章节内容,并对可能调整的参数做充分说明,引导学生去尝试实现不同的图像效果。3案例化教学
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