本文是一篇職業(yè)教育論文范文，論述了視覺測量與“數(shù)字圖像處理”課程相結(jié)合的研究與實(shí)踐，選自期刊《寧夏教育》。職業(yè)教育期刊推薦《高教探索》[1]（雙月刊）是一份全國公開發(fā)行的高等教育研究的綜合性期刊，它熱誠為廣大讀者提供廣東及全國高等教育理論研究和高等教育改革發(fā)展的最新信息。
　　【摘要】在視覺測量領(lǐng)域中，信息的主要來源是圖像，數(shù)字圖像處理技術(shù)是視覺測量的前提和基本手段，視覺測量是數(shù)字圖像處理理論的典型應(yīng)用。因此，文本研究將該領(lǐng)域的相關(guān)研究成果引入數(shù)字圖像處理的課堂教學(xué)中，并引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，處理視覺測量領(lǐng)域中的實(shí)際問題。通過在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容以及實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革嘗試，開闊了學(xué)生視野、提高了學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力和解決問題的能力，在實(shí)踐中取得了良好的效果。

　　【關(guān)鍵詞】視覺測量,數(shù)字圖像處理,開放性實(shí)驗(yàn)

　　一、引言

　　數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期，并首次在航空航天領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展除了與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展密切相關(guān)以外，還得益于其在航空航天、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事、通信工程、商務(wù)、環(huán)境、林業(yè)等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，正是這些應(yīng)用需求，促進(jìn)了數(shù)字圖像處理技術(shù)的深入研究和快速發(fā)展。“數(shù)字圖像處理”課程是隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一門新興課程，已成為信息類專業(yè)本科生的重要專業(yè)課。通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的基本概念和原理，能夠?qū)�圖像進(jìn)行各種處理，如圖像增強(qiáng)、圖像運(yùn)算、圖像編碼、邊緣檢測等，為圖像通信、模式識別、計(jì)算機(jī)視覺以及其他交叉學(xué)科等工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

　　“數(shù)字圖像處理”課程的理論教學(xué)很抽象，僅僅通過理論教學(xué)學(xué)生很難掌握數(shù)字圖像處理的基本原理。如果把數(shù)字圖像處理的廣泛應(yīng)用引入課堂理論教學(xué)，將具體知識點(diǎn)與其在實(shí)踐中的使用相結(jié)合，同時(shí)為學(xué)生提供邊學(xué)邊實(shí)踐的機(jī)會(huì)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對抽象理論知識的理解，增強(qiáng)其動(dòng)手實(shí)踐的能力，還可以拓展學(xué)生的視野，與目前學(xué)科前沿技術(shù)相銜接。

　　二、視覺測量技術(shù)

　　在現(xiàn)代三維測量新技術(shù)中，視覺測量是由計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理、模式識別等多學(xué)科交叉結(jié)合而形成的科學(xué)。圖1所示，視覺測量是一種非接觸性測量手段，以數(shù)字圖像作為信息載體，對被測目標(biāo)進(jìn)行成像，通過提取多個(gè)像面的二維像點(diǎn)信息，標(biāo)定相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)，并重建、優(yōu)化被測目標(biāo)的三維信息，實(shí)現(xiàn)測量。視覺測量基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摵同F(xiàn)代的硬軟件設(shè)施，可以達(dá)到相當(dāng)高的精度和可靠性，便于對大型工件、設(shè)備的尺寸、位置、三維輪廓等進(jìn)行高精度測量，而且移動(dòng)方便，可快速靈活地構(gòu)建適于不同測量對象的系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場測量。目前，視覺測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑工程、航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、考古等各個(gè)領(lǐng)域。[1～5]因此，視覺測量技術(shù)正在深入工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，研究和應(yīng)用新的基于光學(xué)、數(shù)字圖像和視覺信息融合的三維測量方法，既具有重要的理論意義，又具有重大的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景非常廣闊。

　　根據(jù)視覺測量的基本原理，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取的二維信息是視覺測量中相機(jī)標(biāo)定、三維重建等環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，對于系統(tǒng)的測量精度、穩(wěn)定性等方面具有決定性的影響，是視覺測量領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在長期的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)以及視覺測量研究工作中發(fā)現(xiàn)，可以將視覺測量中關(guān)于數(shù)字圖像處理的應(yīng)用內(nèi)容引入課堂教學(xué)中，與具體理論知識相結(jié)合，加深學(xué)生對于課程理論的理解，使其接觸到科學(xué)研究的前沿內(nèi)容。此外，通過設(shè)置開放性實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)有興趣和能力的學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力的培養(yǎng)，使學(xué)到的知識“活”起來。

　　三、視覺測量與數(shù)字圖像處理課程的融合

　　為了改善數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)效果，提高教學(xué)效率，將視覺測量技術(shù)與數(shù)字圖像處理課程相融合，本文主要在教學(xué)方法和教學(xué)手段改革、視覺測量需求與理論知識點(diǎn)結(jié)合、實(shí)踐動(dòng)手能力提高等方面進(jìn)行了研究。

　　1.教學(xué)方法和教學(xué)手段改革

　　為了貫徹學(xué)生是教育主體的教育思路，使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，并充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和素質(zhì)培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性的發(fā)展，同時(shí)有利于師生彼此促進(jìn)共同進(jìn)步的原則，針對數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，采取了以下措施：

　�。�1）重視數(shù)字圖像處理課程的基礎(chǔ)理論教學(xué)。數(shù)字圖像處理內(nèi)容豐富，應(yīng)用靈活廣泛，但學(xué)生在掌握某些具體應(yīng)用技術(shù)時(shí)感到理解困難。因此，在實(shí)際教學(xué)上，首先需要注重相關(guān)的基礎(chǔ)理論教學(xué)。[6]例如，數(shù)字圖像的本質(zhì)是數(shù)字信號，所以在課程前期階段，專門有針對性地復(fù)習(xí)和講解了信號分析與處理方面的基本理論，包括數(shù)字信號處理的常用方法、離散傅里葉變換和快速傅里葉變換、離散余弦變換等，這些理論在數(shù)字圖像處理課程中有具體應(yīng)用。這不僅有利于對數(shù)字圖像處理內(nèi)容的掌握，也可以反過來加深對相關(guān)理論的理解。另一方面注意授課內(nèi)容的精選，內(nèi)容不在于多，而在于少而精，突出重點(diǎn)，使學(xué)生在有限學(xué)時(shí)內(nèi)有最大的收獲。例如，在頻域空間進(jìn)行圖像增強(qiáng)時(shí)，不能將頻域空間的所有方法都對學(xué)生講授，而是突出講解了關(guān)于頻域空間與時(shí)域空間處理之間的關(guān)系，針對頻域圖像平滑介紹一種低頻濾波器，分析其原理和特點(diǎn)。這樣不僅節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，而且重點(diǎn)突出，同時(shí)也引導(dǎo)學(xué)生查閱其他相關(guān)方法，讓他們自己去動(dòng)腦思考，提高其思維能力。

　�。�2）完善和改革課堂教學(xué)方法。在課堂教學(xué)過程中，我們始終重視啟發(fā)式教學(xué)，遵循“提出問題”、“啟發(fā)式思考”、“解決問題”的教學(xué)過程，使用“問題教學(xué)法”引導(dǎo)學(xué)生去思考、分析問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果。課堂開始時(shí)，根據(jù)授課內(nèi)容，提前向?qū)W生拋出相關(guān)問題，在講課過程中則圍繞該問題講解課程內(nèi)容，最后提出問題的解決方法。例如，在講解“直方圖均衡化圖像增強(qiáng)技術(shù)”一節(jié)內(nèi)容時(shí)，首先向?qū)W生展示了兩幅曝光不足和曝光過量的圖片，并且為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)識數(shù)字圖像處理的實(shí)際應(yīng)用，圖片取自于視覺測量、航空交會(huì)對接定位等領(lǐng)域的實(shí)際圖片，向?qū)W生提問，“如果實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境光的影響，拍攝到了這樣的圖片，應(yīng)該怎么辦？”課堂講解過程中，隨著直方圖、直方圖增強(qiáng)技術(shù)的理論、直方圖均衡化方法等內(nèi)容的展開，使學(xué)生逐漸理解并掌握直方圖均衡化方法，最后，給學(xué)生演示了直方圖均衡化方法的實(shí)現(xiàn)，并看到了利用該方法對圖片增強(qiáng)前后的圖片效果。這種啟發(fā)引導(dǎo)式的課堂教學(xué)方法，取得了良好的效果。（3）傳統(tǒng)和現(xiàn)代化教學(xué)手段相結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)應(yīng)用的迅速普及，國內(nèi)高校的課堂教學(xué)已普遍采用了多媒體技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)、投影儀、幻燈機(jī)等現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）展示教學(xué)內(nèi)容。這些現(xiàn)代化技術(shù)的確為課堂帶來了很多豐富多彩的教學(xué)手段。數(shù)字圖像處理是以圖像為處理對象，其輸出的形式主要以圖像和圖形為主，該課程也十分適宜將教學(xué)內(nèi)容制成課件，采用多媒體計(jì)算機(jī)開展現(xiàn)代化教學(xué)。借助多媒體，使學(xué)生較直觀地看到各種圖像的處理需求、處理過程、處理效果等，這是普通教材和參考資料所無法比擬的。因此，我們針對課堂教學(xué)需求，進(jìn)行了多媒體課程教學(xué)資源建設(shè)，如教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、授課教案和課件等通過多媒體平臺完成，便于講課，同時(shí)也便于學(xué)生課后的復(fù)習(xí)。例如，將視覺測量原理、過程等，通過多媒體課件的形式演示出來，相比較口頭介紹等方法具有更加直觀的效果。除了多媒體教學(xué)手段，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)作為補(bǔ)充手段也在數(shù)字圖像處理課程中得到應(yīng)用，主要用在課堂教學(xué)內(nèi)容框架展示、理論推導(dǎo)等方面。

　　2.視覺測量與理論知識點(diǎn)結(jié)合

　　為了提高算法對于目標(biāo)特征的識別效果，視覺測量通常采用圓形或方形特征點(diǎn)（圖2），在獲取的圖像中對特征的成像位置進(jìn)行識別和精確定位。視覺測量對于圖像處理的要求主要包括圖像預(yù)處理、特征粗定位、特征精定位等內(nèi)容，對應(yīng)數(shù)字圖像處理課程中的圖像增強(qiáng)、邊緣檢測、特征識別、幾何運(yùn)算等知識點(diǎn)。[7]

　　圖2視覺測量常用特征點(diǎn)

　�。�1）圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理的主要方法包括彩色圖像灰度化、圖像增強(qiáng)等，為此，在講解彩色圖像內(nèi)容時(shí)，介紹了RGB、HSI等彩色模型以及不同彩色模型之間的轉(zhuǎn)換，并引出如何將彩色信息轉(zhuǎn)換成灰度信息。通過分析彩色表示模型，建立了彩色到灰度圖像的轉(zhuǎn)換。

　　向?qū)W生展示常用視覺測量圖像效果的基礎(chǔ)上，為了減少圖像噪聲的影響、提高圖像識別效果，提出改善圖像質(zhì)量的目標(biāo)，需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)。結(jié)合圖像增強(qiáng)中常用的直方圖增強(qiáng)技術(shù)、空域和頻域圖像增強(qiáng)方法在視覺測量圖像處理中的實(shí)際應(yīng)用，給學(xué)生展示直觀的處理效果，加深對圖像增強(qiáng)方法的理解。

　�。�2）特征點(diǎn)粗定位。數(shù)字圖像處理的邊緣檢測是該課程比較重要的一部分內(nèi)容，邊緣檢測中包含了多種方法，便于學(xué)生對不同邊緣檢測算法的作用效果有直觀印象，將各種算法應(yīng)用于視覺測量圖像中特征點(diǎn)的邊緣檢測，并有針對性地選擇相應(yīng)參數(shù)，使學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了各種邊緣檢測算法的使用，也看到了算法的特點(diǎn)。

　　根據(jù)視覺成像的特點(diǎn)，圓形特征點(diǎn)成像后一般為橢圓，所以，利用邊緣檢測得到的邊緣像點(diǎn)數(shù)據(jù)，講解用邊緣點(diǎn)進(jìn)行指定特征識別的方法，如基于Hough變換的特征檢測方法。為了引導(dǎo)學(xué)生思考，采用啟發(fā)式講課方法，講解了Hough變換檢測直線的方法，引出如何用Hough變換檢測像面上的圓或橢圓，并鼓勵(lì)有能力的學(xué)生實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法。

　�。�3）特征點(diǎn)精定位。特征點(diǎn)精定位的目的是在實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)粗定位的基礎(chǔ)上，對圓形特征點(diǎn)中心在像面上的精確坐標(biāo)進(jìn)行定位。精確定位主要設(shè)計(jì)到數(shù)字圖像處理中的點(diǎn)運(yùn)算，但需要考慮采用的具體定位算法，如灰度重心法、加權(quán)灰度重心法、橢圓擬合法等。引導(dǎo)學(xué)生通過文獻(xiàn)資料查找和實(shí)現(xiàn)相關(guān)定位算法，并且與國際領(lǐng)先的專業(yè)軟件進(jìn)行定位精度對比。通過比較，可以使學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同算法之間的區(qū)別，并分析不同的原因。進(jìn)一步，引導(dǎo)學(xué)生嘗試對定位算法做一定的改進(jìn)，這種改進(jìn)，不需要從算法根本上做出很大的創(chuàng)新，只是從某一方面進(jìn)行微小的變化，使其能夠適合特定的應(yīng)用需求。例如，如果對視覺測量像面上特征點(diǎn)定位采用加權(quán)灰度重心法時(shí)，通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)，得到不用的效果，從而分析加權(quán)系數(shù)對于定位精度的影響，并據(jù)此得出適用于該需求的結(jié)論。

　　四、開放性實(shí)驗(yàn)

　　長期以來，“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)主要采用課堂理論教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容也多為經(jīng)典的內(nèi)容，很難反映課程內(nèi)容的時(shí)代特征。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要組成部分，是抽象思維與形象思維、傳授知識與訓(xùn)練技能相結(jié)合的過程，在人才培養(yǎng)中具有課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的作用，對培養(yǎng)理工科大學(xué)生的創(chuàng)造性是不可缺少的。雖然目前大多數(shù)課程都設(shè)置了實(shí)踐環(huán)節(jié)，但也普遍存在著很多問題，[8]例如，實(shí)驗(yàn)課成績占課程成績比例小，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的重視度不夠，存在著抄襲他人實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告的現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我�，�?shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、呆板，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，學(xué)生完全處于被動(dòng)狀態(tài)，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不認(rèn)真，敷衍了事，所學(xué)的知識和操作技術(shù)遺忘快；不能保證每個(gè)學(xué)生都有充分的時(shí)間和機(jī)會(huì)做實(shí)驗(yàn)，個(gè)別學(xué)生逐漸養(yǎng)成依賴心理，最終只有一部分學(xué)生得到了鍛煉；理論課與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)老師分離，造成理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)等。

　　針對目前“數(shù)字圖像處理”課程實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，根據(jù)視覺測量像面特征點(diǎn)定位需求，開設(shè)相關(guān)開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“視覺測量特征點(diǎn)提取定位實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生結(jié)合數(shù)字圖像處理課程知識理論，對視覺測量采集的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，提取相關(guān)特征點(diǎn)。針對視覺測量中常用的特征點(diǎn)（圓形、方形）進(jìn)行自動(dòng)檢測，并實(shí)現(xiàn)高精度定位，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)粗定位、特征點(diǎn)精定位、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。

　　教師在開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中承擔(dān)的角色主要是方案設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中的指導(dǎo)、監(jiān)督，對方案的具體實(shí)現(xiàn)方法不做限制性要求，主要由學(xué)生結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容以及查閱文獻(xiàn)資料來設(shè)計(jì)并完成。為了提高項(xiàng)目完成的效率，教師可以通過適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)為學(xué)生指出主要方向。

　　對于單個(gè)學(xué)生來說，這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有些困難，“團(tuán)隊(duì)合作”也是新時(shí)期對科技人才素質(zhì)的要求，所以可以通過建立項(xiàng)目小組的方式開展實(shí)驗(yàn)。小組成員將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分工，每人負(fù)責(zé)不同的部分，通過相互合作、幫助，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過這種形式，也在某種程度上鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識和合作方法。

　　五、結(jié)束語

　　通過將視覺測量領(lǐng)域研究成果引入“數(shù)字圖像處理”課程，并在教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容、開放性實(shí)踐等方面的改革和嘗試，逐步做到科學(xué)研究成果與課堂理論教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，不僅豐富了課程的教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對理論知識的理解，而且使學(xué)生接觸到科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，開拓了視野，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)鍛煉等方面也具有重要意義。

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