數字圖像處理課程的多視圖模型
計算機教育
作者：潘翔 趙小敏
摘要：工科教學的一個難題是激發學生興趣，提高其獨立學習和設計能力。以數字圖像處理這一課程為實施對象，提出了以理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線的多視圖教學模型，以解決該課程原有教學模式方法單一、過程枯燥等問題。采用該模型取得了較好的教學效果，實現數學理論模型和編程技術的一體化建模：學生不僅能夠理解如何采用數字圖像處理的基本理論進行工程應用，而且能夠掌握圖像處理基本編程能力。
關鍵詞：多視圖模型；數字圖像處理；教學模式；工程應用
中圖分類號：G642.0 文獻標誌碼：B 文章編號：1006-8228（2014）01-72-02
0 引言
當前，教育部正在啟動“卓越工程師”計劃，其目標是使大學生具有優秀的工程研發能力[1]。因此，需要在高校教學中進一步深入課程改革，在教學過程中引入工程化培養思想，提高大學生的工程開發能力和分析、解決問題的能力。
隨著數字化技術和計算機軟硬件的發展，數字圖像已經成為一種重要的信息載體。以數字圖像為研究對象的數字圖像處理課程逐漸成為軟件工程、信息、機電、計算機和生物醫學等專業一門非常重要的專業課[3]。在實際教學過程中，由於數字圖像處理內容的理論性較強，很多學生認為這門課程很難學，而且學了之後又很難應用所學的知識去解決實際問題，因而失去了繼續學習的信心。另外一方麵，部分學生能夠在考試中取得較好的成績，但是麵對實際問題卻無從下手，形成典型的“高分低能”。顯然，這種教學模式難以培養出適應卓越工程師係列人才。因此本次課程實踐改革以“數字圖像處理”課程為改革試點，貫徹卓越工程師理念，培養學生分析解決問題能力和工程實施能力[4-5]。
本項目針對當前數字圖像處理課程教學中存在的問題，以卓越工程師為培養目標，根據數字圖像處理流程具有不同表達方式這一顯著特性，提出以數字圖像處理理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線，結合數字圖像工程案例，麵向數字圖像處理課程建立多視圖立體教學模型。項目實施解決了數字圖像處理已有教學方法存在模式單一、教學過程枯燥等問題。在教學效果上，學生不僅能夠理解如何采用數字圖像處理的基本理論解決工程實際問題，而且能夠掌握圖像處理基本編程能力，實現數學理論模型和編程技術的一體化建模，大大提高了學生的工程能力。
1 啟發式的多視圖教學模型
目前，圖像處理教學過程存在的主要問題是數學描述過於抽象，學生不易理解。如果單純采用這種理論模型，由於理論過程的抽象性，容易導致學生失去學習興趣。如何把數學模型應用於工程問題也是工科學生的一個薄弱環節。學生雖然知道直線方程、最小二乘、偏導等基礎理論，但是普遍缺乏針對工程問題的快速聯想，缺少理論聯係實際的經驗和能力。本項目采用啟發式教學，引導學生用數學理論基本知識解決數字圖像處理問題，能夠有效提高學生數學分析能力。因此，本文在強調數字圖像處理理論模型基礎上，針對數字圖像處理信息表達方式的多樣性這一特點，提出結合編程模型、可視化模型形成豐富的多視圖立體教學方案，以激發學生學習興趣，幫助學生提高解決問題的能力。
麵向數字圖像處理課程的多視圖教學模型的整體方案。整個模型在傳統的數學模型基礎上，引入了可視化模型和編程模型。采用可視化模型可以有效地和啟發式教學方法相結合，通過圖像處理效果可視化模型引導學生進行問題思考，形成圖像處理效果的逆向分析模型。采用這種編程模型主要是考慮圖像處理課程作為一門學科專業課，大部分學生已經有了較好的編程基礎，這種編程模型可以讓學生進一步消化前麵程序類課程的教學內容，並掌握數字圖像處理基本編程技術。通過數字圖像處理工程案例，提高學生的圖像處理技術綜合建模能力。
本文提出的啟發式的多視圖立體教學模型分為：問題引入、學生分析思考、視覺模型理論化、程序模型重現視覺結果等四個步驟。