图像处理教学与科研共建模式研究

黄朝兵　杨杰　李庆　郑林　许建霞

摘要：针对图像处理课程体系理论抽象、应用性强的特点，分析传统教学注重理论和概念而忽略实现过程和应用实践的问题，提出建立图像处理教学与科研共建模式的观点，阐述丰富课程教学体系内容、将科研思想方法运用于教学过程、让学生在项目研究开发中选题等3个方面的具体实施方法。关键词：教学；科研；共建模式；图像处理

0 引言

教学是高校的基本任务，而科研则是高校深化教学改革、提高办学水平的强劲动力。教学和科研是相互依存、相互促进、不可分割的统—体。坚持教学与科研并重，科研为教学服务的思想，一方面可以实现教学资源与科研资源共享，丰富和更新教学内容，改善教学条件；另一方面有利于拓展学生的知识面，提高学生学习的主动I生和创造性，为科研提供人才资源。图像处理课程体系与科研实践结合非常紧密，适于进行教学与科研相互促进的研究与实践，我们在这方面进行了一些探索和尝试，取得了良好的效果。

1 分析课程体系特点，规划教学内容，吸纳优秀科研成果，使课程内容具有先进性和实践性

1.1 课程体系的特点

图像处理课程体系由数字图像处理、模式识别、数字视频处理等课程组成，涉及到数据结构与算法、数字信号处理、信息论与编码、VC++程序设计等支撑课程，主要内容包括包括数字图像、视频处理与识别技术的基本概念、原理、算法及应用，具有如下特点：

1）内容抽象，理论性和实践性很强。

该课程体系内容涉及面广、理论抽象、算法实现过程不直观，同时与实际生活联系十分紧密。传统教材内容以理论介绍为主，强调理论的体系和概念，忽略理论的实现步骤、基本的编程代码和应用过程，导致学生在学习时，理论与实践脱节，对理论的理解仅限于表面认识，不知道如何去应用，也看不到应用的效果。遇到实际问题时，学生不知从何下手，更谈不上创新。

2）内容发展更新快，应用领域不断拓展。

随着计算机技术的发展和硬件成本的降低，图像、视频处理与识别技术的应用领域不断拓展，理论和技术不断推陈出新。目前在工业和工程、智能交通、军事和公安、航天和航空、生物和医学工程、通信工程、电子商务、文化艺术等方面有着广泛的应用，新的理论和方法不断涌现。

1.2 教学内容的规划和设计

教师将最新科研成果引入课堂教学并介绍新知识和学科前沿，同时将学术论文等科研成果作为参考材料布置给学生课后阅读，进而达到丰富课程内容的目的。教学内容要保证理论的系统性和实际应用的可操作性，同时还要在一定的程度上反映新的科研成果和学科前沿，如图像分割、运动目标检测、目标特征计算与识别、运动目标跟踪、运动估计与补偿等方面的经典算法和新算法，以及在Matlab或VC++编程环境下各种算法的实现过程。

1.3 教师的科研方向与主讲课程紧密结合

大学教师有别于专职科研人员，不能脱离教学搞科研，教师的科研选题应该尽可能与教学内容相关联，将研究方向与主讲课程相结合，积极开展与授课内容相关的图像视频处理与识别领域的课题研究。教师在自己的专业领域通过较长时期的研究与探索，熟悉内容并有深入的见解，形成自己的特色，并取得一些研究成果，可以很方便地将优秀科研成果充实到教学内容中，增强课程内容的先进性和实践性，使教学和科研相互促进，同步发展。

2 将科研思想、方法和成果运用于教学过程中，增强学生学习的主动性和创造性

2.1 将科研思想、方法渗透到教学过程中

在图像、视频处理与识别相关课程的绪论和主要技术章节的开头部分给出问题产生的背景介绍以及在现实生活中的应用，让学生思考、分析探究各种不同算法产生的思路和实现过程，使学生了解知识的背景、形成和发展。

2.2 在教学中引入科研实例和科研成果

教师在教学中引入科研实例和科研成果，理论联系实际，从而使学生明确学习目的，激发学习和探究的兴趣，如车牌识别、指纹识别、运动船舶识别等问题。在车牌识别问题中，有如下几个步骤：对获取的含有车牌的图像依次进行增强处理、车牌区域定位、车牌区域分割、字符分割、字符识别，包括图像增强、图像分割、汉字英文字符和数字的识别等技术。在指纹识别问题中，要依次进行指纹图像增强、指纹区域分割、指纹细节点特征提取、指纹匹配等处理，涉及图像增强、图像分割、细节点的判别和坐标计算、基于点模式的细节点特征匹配等技术方法。在运动船舶识别问题中，需要进行如下处理：运动船舶检测、运动船舶特征计算、与获取的AIS信息关联匹配、运动船舶识别，涉及运动目标检测、目标特征计算、AIS信息解析、特征关联匹配等技术方法。

2.3 采用结合任务驱动的课程考核

在一门课程结束后，教师设计一些由学生完成的小型项目开发任务，作为该课程的考核内容，这种方式要求学生在掌握基本原理和方法后，通过查阅相关资料，解决一些实际的应用问题。我们在硕士研究生选修课数字视频处理的考核中，采用了这种考核方式，提供20个小型项目开发任务，如“混合高斯背景建模及更新方法的实现与分析”“CodeBook码本模型背景建模及更新方法的实现与分析”“Camshift运动目标跟踪的实现与分析”“基于Kalman滤波的运动目标跟踪的实现与分析”“基于团块的运动目标跟踪的实现与分析”“多目标跟踪及计数的实现与分析”“运动目标速度计算的实现与分析”“动态场景下，基于全局运动估计与补偿的运动目标检测的实现及分析”等。开发环境为Visual C++2010、OpenCV或Matlab，考核包括项目应用软件设计、实现、演示运行、结果分析、答辩和提交项目报告。学生通过完成小型项目开发任务，加深了对算法原理的理解，了解了该方面的发展现状，提高了程序设计能力，收到了很好的效果。

3 让学生参加科学研究和项目开发，从科研中选题，提高学生的科研素养、工程应用能力和创新能力endprint

教师可以从科研课题和开发项目中，提炼出一些关键问题作为本科生毕业设计的题目和研究生毕业论文的选题，让学生参加科学研究和项目开发，提高学生自主研究意识和创新能力。 3.1 本科生毕业设计选题

在指导本科生毕业设计时，我们从课题组老师所承担的项目中，提取一些关键问题供学生作为选题，如“基于质心的多目标跟踪及应用”“基于车辆轨迹的交通违法行为检测”“基于MulfiGenCreator视景仿真系统”“虚拟海洋环境视景仿真技术”“基于特征提取的人脸检测与定位技术”“基于视频的水上运动船舶视频检测技术”“基于OpenCV的运动目标跟踪算法的研究与实现”“指纹细节点特征提取算法”“基于区域相关的图像拼接技术”“图像区域特征描述及实现”等。这些选题结合实际课题具有现实意义，将理论与实际相结合，可以引发学生浓厚的兴趣，同时可以做出一些有意义的研究。其中“多目标图像分割”“神经网络在手写数字识别中的应用”“基于FPGA的RS编译码的设计与实现”“基于机器视觉的零部件精密测量技术研究”“基于LabView的瓶口缺陷检测研究”等毕业论文获得湖北省优秀学士学位论文。

3.2 研究生毕业论文选题

在硕士研究生的培养过程中，我们一般要求研究生结合实际科研项目开展研究与开发，从项目研究与开发的任务和问题中选题，一种方法是参加导师承担的项目，第二种方法是到有项目的实习单位实习参加项目研究开发。近3年来，项目组老师与航运学院老师、武汉嘉业恒科技有限公司共同承担海事信息化项目，参与这些项目的硕士研究生的选题有：“船载应急无线示位标（EPIRB）定位算法仿真”“视频监控系统中运动船舶检测与速度提取算法的研究”“海事图像中运动目标跟踪与摄像机标定研究”“基于视频图像的内河石油泄漏检测技术研究”“基于运动船舶视频的背景建模算法研究”“基于机器视觉的手势识别系统”“基于视频的目标运动轨迹提取系统的研究与实现”“内河航道目标的特征识别与分类算法研究与实现”“船桥碰撞检测与预警系统设计与实现”“雾雪天气下视频图像清晰化技术的研究”等。研究生到中国科学院深圳先进技术研究院、中铁大桥局武汉桥梁科学研究院、宁波三星电气股份公司、武汉市尚吉电子研究所等单位实习参与国家自然科学基金和其他地方基金研究及项目开发，选题有“基于PCB板检测的AOI关键算法研究”“脊椎手术导航中的2D/3D图像配准”“基于Hadoop的海量日志分析计算”“图像法动态位移监测系统的实现及其工程应用”“PDF417二维条形码编解码的设计与实现”“基于几何活动轮廓模型的医学图像分割算法研究”“超声弹性成像全局位移场算法研究”“基于视频的车流量统计系统的设计与实现”等。由于参与实际项目的研究与开发，选题和研究开发成果都具有学术意义和实际应用价值，有的论文被评为优秀硕士论文，有的论文发表在国内重要期刊和国际学术会议上。

4 结语

把科学研究引入图像处理课程体系教学中，新的科研成果和学科前沿进教材、进课堂，开阔了学生的视野，拓展了学生的知识面。把从事科学研究所必须具备的知识结构、科学素养、洞察能力渗透到课程教学中，从科研课题中提取关键问题来丰富实践教学的题源，让学生参与项目研究和开发，提高了学生运用理论知识解决实际问题的能力，培养了学生的探究意识、创新精神和研究能力。只有以科研促进教学、教学带动科研、坚持教学与科研并举，才能使培养出来的学生满足社会发展的需要，成为具有工作能力、合作意识、创新能力的专门人才。

参考文献：

[1]徐科军，黄云志.以科研促进DSP课程的教学改革[J].理工高教研究，2007，26（6）：94-96.

[2]张会清，王普，任明荣，等.专业课教学与科研互动的研究与实践[J].电气电子教学学报，2008，30（2）：109-111.

[3]袁修孝.以科研促进教学的探索与实践[J].高教论坛，2008（5）：12-20.

[4]杨淑莹，张桦.“数字图像处理”理论与实践相结合教学模式[J].计算机教育，2009（24）：84-86.

[5]沈晓晶，王艳，赵慧娟.应用型院校数字图像处理本科教学探索[J].计算机教育，2012（1）：86-88.

（编辑：孙怡铭）endprint