数字图像处理课程实验教学过程设计

　　摘要：根据“数字图像处理”课程理论性与实用性的特点，在分析其课程教学体系结构的基础上，充分利用现代新技术和教学理念，文章介绍综合多层项目教学法的设计，以及在“数字图像处理”课程实验教学过程的实践。结果显示，该方法结合武汉大学国家电工电子实验教学示范中心教改项目的实践获得较好效果。 　　关键词：数字图像处理 综合多层项目教学法 教学过程 FPGA Simulink 　　文章编号：1672-5913(2011)18-0074-04 中图分类号：G642 文献标识码：A 　　建设”(2011007)；湖北省教学改革项目“通信工程特色专业建设研究”(2009016)。 　　 　　“数字图像处理”是高校电子信息类本科生的重要专业课，在信号处理系列课程中扮演重要角色，它的任务是为相关硕士博士点培养专业研究人才打下坚实基础，它是一门理论性和实践性都很强的课程。同时，由于该课程理论性强，且在培养体系中处于最后阶段，因此，如何设计理论实践相结合的实验教学过程，如何培养学生扎实的专业理论基础和实践创新能力，成为一个亟待研究的课题。 　　目前，新型教育理念和技术手段的发展为提高教育质量提供了新的机会。如计算机技术的发展为教育系统创造了许多新概念[1]，包括“虚拟教育”、“虚拟教室”、“因特网教育”，这些概念为传统意义的教育铺设了新的发展道路；新技术使很多新的教育理念的发展实践成为可能。如基于网络的综合学习方法模型[1]、合作与竞争学习的教育方法[2]、基于项目或者问题的学习[3]，等等。新技术的发展使学生不再依赖教育地点和时间，他们可以在任何时间地点获取知识。 　　基于多年的教学实践，笔者把握课程特点和发展趋势，充分利用Simulink软件和FPGA硬件等试验设备与技术的发展，结合项目教学法等先进教学 　　理念，设计并实践了一种利用综合多层项目教学法的“数字图像处理”课程的实验教学过程，希望学生系统地把握和深入理解这门课程的基本理论和方法。 　　1 “数字图像处理”课程的教学体系结构 　　“数字图像处理”课程的前置课程除了“高等数学”等公共基础课，还包括信息与通信工程学科方向的“信号与系统”、“数字信号处理”、“信息论与编码”等专业基础课。瑞典布莱金格理工学院对这些前置课程与学生的接受能力之间的关系进行了研究[4]。通过本课程数字图像及成像基础、二维数字信号处理基本理论、灰度及彩色图像压缩、增强、分割等基本处理算法的学习，学生熟悉并掌握数字图像处理方面的基本知识、基本理论和基本技能，重点掌握基于图像变换理论的图像增强、图像压缩和图像分割等处理算法，它为深入学习数字图像处理及其在专业中的应用打下了基础。 　　在教学实践中，我们将“数字图像处理”的教学体系结构分为三个模块[9-10]：1)绪论部分：这一部分主要介绍数字图像处理的发展历史、研究内容和基本 　　 　　基金项目：武汉大学教学研究项目“信号处理系列课程实验体系的研究与建设”(201135)；武汉大学电工电子实验教学示范中心教学改革研究项目“信号处理系列课程实验体系的研究与建设”(201001)；湖北省教学改革项目“基于多层次项目教学法的信号处理系列课程实验体系的研究与概念，力争帮助同学把握学科发展沿革和应用方向，了解整体架构，建立研究和实践的兴趣。2)理论部分：按照空域处理(包括直方图、点处理、代数处理、几何处理)、频域处理(傅立叶等离散正交变换、滤波器处理)、统计模型方法的顺序进行讲解。在这一部分，我们遵循系统深入的原则，基于图像处理的例子，帮助学生系统复习总结并领会各种理论方法之间的逻辑顺序与本质。由于图像处理具有理论性和可视化强的特点，在这个部分教学中，我们希望加强学生对前置课程所学基本理论和方法的深入理解，使其充分认识理论知识在实际应用中的指导意义，并体会理论本身的魅力。3)应用部分：在这一部分教学中，我们充分发挥图像处理应用性强的特点，选择基础性和典型性强的图像压缩、图像增强、边缘提取与图像分割、图像特征提取等应用，重点讲述应用基础理论和方法解决实际问题的常用系统与方法，进一步训练同学的动手实践能力，激发学生学习兴趣。 　　在教学中，我们可以看到应用部分涉及并会应用到各部分理论，同样，各理论部分也会在技术应用中发挥作用。我们可以将理论部分和应用部分作为一横一纵，并从两个角度向同学们展示“数字图像处理”这样一个立体而丰富的专业方向。 　　 　　2 多层项目教学法的实验教学过程实践 　　2.1 多层项目设计 　　项目教学法是针对课程体系结构设计出一系列学习单元项目，项目设计围绕着具有典型性、启发性的关键问题，学生通过参与项目完成的全过程实现对课程内容系统而深入的掌握[7]。项目教学法真正实现了以学生为中心、以教学目标为中心，实现理论方法学习与实践动手能力培养的紧密结合，同时，它培养具有扎实理论功底和实践创新能力的高水平人才。有学者设计了一个利用两个获取链的问题学习框架用来进行仪器课程的实验教学[3]，利用虚拟(仿真)模块获取链和真实的模块链共同帮助学生在较高的认知水平上解决问题。 　　本项目基于上述研究成果并给予发展，设计出一个多层项目教学方法，并用于“数字图像处理”课程的实验教学过程实践。第一层次基于Simulink软件工具，设计多种虚拟模块，帮助学生对图像处理中的主要问题进行快速全局的理解；第二层次基于FPGA硬件工具，设计并提供真实的模块，构成一个完整的处理过程，学生在实践中通过测试这些模块并做适当改进，以获得完善的结果。 　　2.2 项目设计与分析 　　针对前面分析过的“数字图像处理”课程教学体系结构，并结合教学大纲与教学目标要求，同时参考了部分美国康奈尔大学和哥伦比亚大学相关课程的项目[6,8]，本文设计了以下项目：1)图像旋转；2)频域图像增强；3)视频传输；4)实时边缘提取；5)实时图像分割；6)人脸检测；7)车辆跟踪。 　　 　　2.3 多层项目教学法的教学过程 　　研究表明[1]：认知方式因个体而不同。有些个体仅仅利用阅读材料就能有效的学习，而有些人需要实际经验。然而，心理学研究指出，人们一般能够记住他们阅读内容的10%、听到内容的20%，而他们会记住实际尝试和实践内容的90%。因此，本文的设计方法也充分利用了学生从理论内容到实际教学多方面的训练，充分考虑学生在计算机科学、电子工程等多方面的学科知识，培养从软件编程到硬件调试、从理论基础到方法探索、从数学、计算机等基础方法到信号处理、图像处理等专业理论技能的综合。 　　通常，学生完成一个项目需要4个过程：1)项目原理分析，2)项目具体流程设计，3)基于Simulink或者DE2平台的软硬件设计，4)结果展示与分析，每个阶段学生都会提交阶段报告；在第一个阶段和第二个阶段，师生结合该项目的原理分析与流程设计系统把握和深入理解“数字图像处理”课程关键知识点；根据学生报告反映出的问题，老师有针对性地指导，在解决问题中帮助学生真正掌握所学知识，并提高动手能力。在项目法教学过程中，我们特别要注意克服项目无法完全覆盖全部知识点的局限，因此，要在项目选择与设计中综合考虑，并结合项目原理研究建立对教学体系框架和全部知识点的整体把握。 　　3 利用Simulink软件的“数字图像处理”软件模块实验链 　　Simulink软件是Matlab重要组成部分，它提供一种可视化仿真工具，提供动态建模、仿真和综合分析的集成环境。本文利用其内置的video image processing blockset，并基于教材[9]提供的实验案例编写了大量基本模块。学生可以通过简单直观的鼠标操作，调用系统提供或者预先编制好的模块组件，构造出复杂的系统。该系统具有结构和流程清晰、效率高、仿真精细等优越性。 　　本文设计的模块主要包括基础模块、基本处理模块、应用模块三大类。其中基础模块包括调用封装video image processing blockset的各类输入输出、数据变换、彩色图像空间变换等基本操作；基本处理模块包括亮度变换与空间滤波、频域滤波、小波变换。数学形态学等基本图像处理操作；应用模块在上述两个模块组合的基础上，构建的单一应用处理模块，包括图像复原、图像压缩、图像分隔、特征描述以及识别模块。 　　 　　4 基于FPGA硬件的“数字图像处理”硬件模块实验链 　　现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)是一种大规模可编程逻辑器件，用户可以反复配置，灵活地实现不同功能。随着成本下降和逻辑规模的剧增，它被越来越多地独立应用于各类电子系统。可编程片上系统(System On Programmable Chip, SOPC)技术更使系统集成于一片可编程逻辑芯片中成为可能[5]。采用FPGA作为信号处理系列课程的实验平台实现基本的图像处理功能，在实现效率、成本、能耗以及与实际应用开发顺利衔接等方面都具有一定的优越性。如美国康奈尔大学、哥伦比亚大学都基于Altera公司的DE2开发板开展了相关课程试验环节的教学实践活动，最终实践项目类别主要集中在图像及视频处理、语音处理、网络传输等应用领域上[6,8]。 　　针对“数字图像处理”课程特点，参考美国康奈尔大学、哥伦比亚大学相关课程实验项目设置及其完成情况，项目组基于Altera公司的DE2开发板设计构建了一个数字图像处理实验平台，提供了平台所需的电路设计、基本模块开发和典型实验系统，建立以项目为导向的拓展实验架构。该平台以DE2开发板为核心，通过外围接口接入摄像头采集模块，通过VGA输出接口将图像输出到显示器单元。同时，该平台还提供了丰富的接口可以实现多个平台 　　之间信息信号的网络传输，对外部扩展单元的控制信号输出，等等。项目组在此平台上进一步开发了系列基本模块帮助学生完成各类项目所需的视频图像输入输出、网络传输、接口转换等基础功能。 　　 　　5 结语 　　“数字图像处理”不仅是电子信息类的一门重要专业课程，也是目前信息技术领域一个重要的研究方向。该课程的教学面临着信息技术飞速发展所带来的迫切需求。基于综合多层项目教学法进行“数字图像处理”课程的教学过程设计，可以很好地体现该门课程理论性和实践性很强的特点，我们应充分发挥该课程研究对象――图像信息在教学认知等方面的优越特性，强化课程作为理论深入理解以及培养动手实践创新能力的桥梁作用，实现培养“厚基础、宽口径、高素质、强技能”和具有“三创”(创新、创造、创业)精神和能力的人才目标。 　　参考文献： 　　[1] O.Yilmaz, K.Tuncalp. A Mixed Learning Approach in Mechatronics Education[J]. IEEE Transactions on Education, 2011(54):294-301. 　　[2] L.M.Regueras, E.Verdu, M.J.Verdu, et al. Design of a Competitive and Collaborative Learning Strategy in a Communication Networks Course [J]. IEEE Transactions on Education,2011(54):302-307. 　　[3] A.Nonclercq, A.V.Biest, K.D.Cuyper, et al. Problem-Based Learning in Instrumentation: Synergism of Real and Virtual Modular Acquisition Chains[J]. IEEE Transactions on Education,2010(53):234-242. 　　[4] N.Lavesson. Learning Machine Learning: A Case Study [J]. IEEE Transactions on Education,2010(53):672-676. 　　[5] 李德识,曹华伟,陈健,等. EDA实践[Z]. 武汉:武汉大学电子信息学院实验讲义,2008. 　　[6] 美国康奈尔大学课程[EB/OL]. [2011-05-12]. http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/ece576/FinalProjects/#f2009. 　　[7] 郭艳光,赵希武. 在高等计算机基础教学中实施项目教学法的探索[J]. 计算机教育,2008(6):48-49. 　　[8] 美国哥伦比亚大学课程[EB/OL]. [2011-06-13]. http://www.cs.columbia.edu/～sedwards/classes/2009/4840/index.html. 　　[9] 冈萨雷斯. 数字图像处理[M]. 北京:电子工业出版社,2005. 　　[10]卡斯特曼. 数字图像处理[M]. 北京:电子工业出版社,2008. 　　The Design of the Teaching Process of Digital Image Processing 　　HE Chu, FENG Qian, YANG Fang, CAO Huawei, XU Xin 　　(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430079, China) 　　Abstract: Due to the theoretical property and practicality of “digital image processing” curriculum and on the basis of the analysis of its course architecture, we designed and implemented an experimental teaching method of “digital image processing” utilizing integrated multilayer project didactics, with full use of modern new technology and teaching philosophy. Combined with the education reform research project of Wuhan University’s National Demonstration Center of Experimental Teaching of electrics and electronics, we achieve good performance in “digital image processing” curriculum experiments. 　　Key words: digital image processing; integrated multilayer project didactics; teaching process; FPGA; Simulink 　　(编辑：郭小明) 转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-8709231.htm