图像工程是一门系统地研究运用各种图像理论、技术和设备的综合学科[1]。图像技术的应用范围已非常广泛, 它涉及到通信、教育、文档、生物、医学、遥感、测绘、军事、公安、交通、工业自动化和办公自动化等诸多领域。因此, 图像工程所涵盖课程很多, 主要有数字图像处理、遥感图像处理、模式识别、数字成像原理、计算机图形学、医学图像处理、计算机视觉等。这些课程中, 有的是电子信息工程、生物医学工程、遥感科学技术等专业的专业基础课, 有的是电子信息科学与技术、计算机科学与技术、通信工程、自动化、信息与计算科学等专业的专业课或专业选修课。
图像工程类课程都具有前沿性和交叉性的特点, 内容涉及面广且相关理论技术发展速度快, 其内容既需要较深的数学知识, 又与工程实际有着密切的联系。针对这些特点, 本课程组通过近年来的探索和实践, 确立了“夯基础, 强实践, 重创新”、“理论教学与实践教学并重”以及“融知识传授、能力培养、素质教育于一体”的教学理念, 构建起适合我校专业需求、符合社会人才需求的包含数字图像处理、医学图像处理、遥感图像处理、数字成像原理、模式识别、计算机图形学、机器视觉等合理的课程群, 建立了与之配套的实验实践教学平台, 在充分发挥现有教学方法手段的基础上, 进行坚持不懈的教学研究和探索。经过10多年的努力, 逐渐形成了“融理论教学、实验教学、基本技能和创新能力培养为一体”的教学模式, 在图像工程类课程群建设和人才培养方面取得了一定的成绩。下面对我校图像工程课程群建设的主要思路和措施进行阐述, 希望能起到抛砖引玉的作用, 对该课程群以及其他课程的建设起到借鉴和启发的作用。
1 图像工程课程群建设思路
图像工程是一个较新的、快速发展的领域, 知识更新快, 在进行课程群建设时, 在遵从教育教学规律的基础上, 要充分体现现代教育思想, 使其具有科学性和先进性。结合我校“以工为主, 矿业见长”的特点, 课程群建设的主要思路如下:
(1) 紧跟时代步伐。随着时代的发展和需要, 及时修订培养计划和教学大纲, 完善和整合课程体系及有关课程内容, 对传统内容进行整合和适当压缩, 适度增添最新的前沿成果。
(2) 构建知识模块。面向不同专业, 构建了不同的知识框架和模块。主要有面向一般要求的“数字图像处理”模块, 面向生物医学的“医学图像处理”模块, 面向遥感的“遥感图像处理”模块。在不同模块中, 侧重点和案例等会有所侧重和不同。
(3) 融合课程体系。图像工程类课程往往是专业基础课或者专业课, 在学生所学的课程体系中处于承前启后的位置, 课程具体的授课内容以及重点的选择要充分考虑该专业的前期和后续课程, 做到照顾全局、不重复、不避难, 和专业的整个课程体系有机融合。
(4) 打造精品课程。有步骤、分层次的将课程群中的课程打造成校级、省级、国家级的精品课程。目前“数字图像处理”课程已成为校级和省级精品课程, 也得到山东省教育厅高等学校基础学科建设专项资金资助, 正在冲击国家级精品课程。
(5) 强化实践环节。图像工程类课程具有理论较深、实践性较强的特点, 强化实验实践环节, 能够加深、巩固理论知识的理解, 培养学生分析问题、解决实际问题和创新能力。本着“因地制宜、因材施教、提高素质、强调能力”的思想, 结合工科学生的特点, 设计了一个立体化、多途径、持续性的实践教学环节。
(6) 建设优秀教材。教材建设是整个体系中的重要组成部分, 随着本学科领域的发展, 教材也要不断更新, 我们坚持高起点的原则, 采用优秀、获奖教材外, 还要编写自己的优秀教材。
2 图像工程课程群建设措施
2.1 课程体系的建设与时俱进
图像工程类课程群所涵盖课程有:数字图像处理、医学图像处理、遥感图像处理、模式识别、数字成像原理、计算机图形学、计算机视觉等, 这些课程都是随着计算机技术、电子技术和信息技术的发展而发展起来的, 都具有很强的前沿性和交叉性特点。根据抽象程度和研究方法等的不同, 图像工程主要可分成紧密联系又有区别的三个层次:图像处理、图像分析和图像理解以及三者的有机结合, 如图1所示。
从图1可看出, 图像工程类各课程其深浅和侧重各不同, 而且其针对的问题、适用的场合也是不同的。这些课程的开设与否是科技发展、时代进步、社会需求等各方面因素促成的, 在我校的开设基本上也都经历了从研究生再到本科生的过程。比如, 数字图像处理最早是在1991年开始在研究生中开设, 本科生还没有接触到这门课程, 当时是请清华大学容观澳教授来我校集中授课, 选用的教材为容观澳编写的《数字图像处理》讲义, 部分青年教师也参加了集中培训。此后的几年间, 教师开始从事图像处理方面的研究, 在该方向培养研究生, 并取得了部分研究成果, 教师队伍也在不断发展壮大。随着信息技术、图像处理技术应用面的深入铺展, 就要求本科生也具有一定的数字图像处理方面的基本知识, 以适应社会和用人单位的需求, 因此, 1999年在电子信息工程本科专业作为专业课开设了此课程, 2000年又在生物医学工程、通信工程、自动化专业开设了此专业课程, 选用的教材是清华大学章毓晋编写的获得普通高等学校优秀教材一等奖的《图像处理与分析》。再如, 计算机图形学是在2001年才开始在研究生中开设, 当时是受到了计算机动画、CAD、三维制作、虚拟现实等领域蓬勃发展的影响, 几年后此课程开始在本科生中以选修课的形式开设。对于其他的几门图像工程类课程, 也经历了同样的过程。
经过10多年的发展, 经过数次修改培养计划和教学大纲, 已经建立起了紧跟技术发展、适应社会需求的图像工程类课程群, 而且对某些专业来说, 有些课程从最初的选修课发展成为专业课, 或从专业课发展成为专业基础课, 在专业课程结构中的位置越来越重要。
2.2 知识结构的调整与专业适应
图像工程在很多专业和领域中有广泛的应用, 可用于工业监控、产品质检、影视制作、宇宙探测、军事侦查、云图分析、灾害预测预报等, 几乎涵盖了所有的领域。但不同的领域不同的专业, 其知识需求是不同的。因此, 图像工程中知识模块的构成需要针对不同的专业有所调整。主要有面向一般要求的“数字图像处理”模块, 面向生物医学的“医学图像处理”模块, 面向遥感的“遥感图像处理”模块。各模块所包含的课程以及侧重点和案例等都会有所侧重和不同, 理论教学为52学时。
对于电子信息工程专业, 业务培养要求是“掌握信号与信息方面的基本理论和一般方法, 具备研究、分析和设计信息系统与技术的初步能力”。可见, 信息与信号处理方面是培养的重点, 需要掌握相关的技术, 并具备一定的设计和科研能力。因此该专业开设“数字图像处理”模块, 由数字图像处理、计算机图形学、模式识别、数字成像原理等课程构成, 它们为专业基础课或专业课, 加强了图像领域相关知识部分的学习, 基本上包含了从低层的图像获取、图像处理到高层的图像分析和理解。通过这些课程的学习, 电子信息工程的学生基本上具备了图像工程领域中基本知识和技术, 结合前期所学的计算机原理、DSP、Vb、Matlab等课程以及实验实践环节的锻炼, 对于毕业后参加工作的学生来说, 可以很快地进入工作状态进行相关课题的设计和研发, 对于想进一步深造的学生来说, 这些课程的学习也为之打造了很好平台。再如, 生物医学工程专业, 针对其培养目标和要求, 开设了“医学图像处理”模块, 由医学成像原理、医学图像处理、医学影像设备、医学超声学、模式识别等课程组成, 除了模式识别为选修课外, 其他课程均为专业课。这些课程紧扣医学影像, 使学生初步掌握了医学领域中图像成像原理和处理技术, 同时对有兴趣或打算进一步深造的同学来说, 通过选修模式识别学习更深层次的图像分析方面的知识。
2.3 重点内容的设置照顾全局
在所形成的“数字图像处理”、“医学图像处理”和“遥感图像处理”三个知识模块中, 在调整教学大纲时, 每门课具体的授课内容以及重点的选择充分考虑了该专业的前期和后续课程, 深入考虑课程间关系以及其内容的承接, 做到了照顾全局、不重复、不避难, 既能和专业的整个课程体系融为一体, 又能节约学时突出本课程的要点和特色。
对电子信息工程专业来说, “数字图像处理”是其专业基础课, 理论教学为52学时。图像变换这部分内容是该课程的基础, 是比较重要的部分。但考虑到该专业在上学期已经学过了“数字信号处理”, 对傅立叶变换及其快速算法已经有了深入学习, 因此在“数字图像处理”课程中, 在讲清离散傅立叶变换定义、原理的情况下, 对快速傅立叶变换的具体算法只是一提而不展开, 但围绕变换的性质, 除了讲清内容, 还给出物理含义以及针对图像处理中实际问题的具体应用。而对于K-L变换, 虽然课程中内容并不多, 而且也是比较难理解和掌握的内容, 但是该知识点在后续的“模式识别”课程有比较多的应用, 因此, 在具体授课时对该部分内容进行了补充, 针对人脸识别中的PCA、ICA等技术进行展开, 使学生容易理解和接受, 同时也对该变换的具体应用有了清晰的认识。同样在其他课程、其他知识点的处理上, 也遵循了这样的指导思想, 并把这个思想落实到课程大纲中, 不管哪位老师来承担这门课程, 都能够使得专业课程体系和知识点紧凑而完整。
2.4 精品课程重点突破
有步骤、分层次的将课程群中的课程打造成校级、省级、国家级的精品课程。我们首先选择了实力强、教学效果好的“数字图像处理”课程作为突破, 先在研究生中开设此课程, 培训教师, 鼓励教师在此领域进行科研活动。随后在本科生不同的专业中开设了此课程, 形成了具有特色的教学理念、方法、手段, 并取得较突出的成果。
在校级精品课程的基础上, 2007年申报并得到山东省教育厅高等学校基础学科建设专项资金资助, 2008年“数字图像处理”课程已成为省级精品课程, 并被山东省教育厅推荐参加国家级精品课程的评选。此课程群的前期基础课程“信号与系统”也在2007年成为省级精品课程。目前我们正在规划课程群中的其他课程成为校级和省级精品课程。
2.5 实验实践的设计强调能力
图像工程类课程具有理论较深、实践性较强的特点, 有些内容如不进行一些实验、设计、参观和实习很难理解和掌握, 更谈不上用之分析和解决实际问题。为配合课程教学, 本着“加深、巩固理论知识的理解, 培养学生分析问题、解决实际问题和创新能力”和“因地制宜、因材施教、提高素质、强调能力”的思想, 结合工科学生的特点, 设计了一个立体化、多途径、较为完整的实践教学环节, 主要包括:“实验课、专业方向课程设计、实习、科技制作、竞赛活动、毕业设计、参与科研和实验室建设”等, 可以归纳为:“设计多种实验、安排课程设计、重视实习环节、鼓励科技创新、狠抓毕业设计、参与科研活动”。
实践教学环节制定了灵活、多样的方案, 以满足不同专业、不同层次学生的需要。实验分为不同的类型 (验证性、综合性、设计创新性) , 不同的版本 (DSP版、VB版、Matlab版) , 在加深巩固基本知识的同时, 着重体现综合、创新的能力;专业方向课程设计可全面提高学生查阅资料、分析解决具体问题、动手制作、科技写作、团结合作的能力和素质, 对图像工程类课程某些侧面有更深入的学习和掌握;实习环节让学生走进科研机构、重点实验室、公司企业等, 让他们亲身感受体会此领域的发展和应用, 并在可能的情况下亲自动手, 提高实践能力;积极组织学生参加与本课程体系相关的科技制作和竞赛活动, 使有能力和发展潜力的学生有发挥能力的广阔舞台和空间, 为培养高层次人才提供环境。毕业设计是本科生培养的最后一个环节, 其好坏直接影响甚至决定其深造或就业的取向, 指导老师结合领域前沿、学科建设、实验室建设、科研项目等, 为学生提供了多样化的设计题目, 我们通过这一环节, 让有意在此领域发展的学生得到全面的提高和锻炼。吸收优秀的学生参与实验室建设和老师的科研活动, 鼓励他们学以致用、不断开拓创新, 培养研究的科学态度和求实的精神。
2.6 教材建设坚持高起点
教材建设是整个体系中的重要组成部分, 随着本学科领域的发展, 教材也要不断更新, 我们根据专业特点, 始终坚持选用“十五”、“十一五”规划等高起点的优秀教材、获奖教材, 指定国内外优秀经典的专著最为参考书, 另外还积极组织编写出版自己的教材。
“数字图像处理”是最早引入的图像工程类课程, 当时是请清华大学容观澳教授来我校集中授课, 选用的教材为容观澳编写的《数字图像处理》讲义, 同时一些青年教师也参加了培训, 他们现在有的已经成为图像处理、模式识别等学科、方向的带头人。这一措施保证了我校的老师和学生在图像处理领域起步时在一个接近于当时的最高水平的起点上, 而对于后续的学生来说, 他们的授课老师在图像处理方面也受到了一流大学的训练。在图像工程类课程不断引入的过程中, 采用的教材基本都是知名大学编著的, 我校的教师有多名到知名大学中进修和培训。这些都保证了保证课程内容是权威性的, 并紧跟时代步伐, 保证了授课老师始终追踪该领域的最高水平。
对于数字图像处理课程的教材, 先后选择了清华大学章毓晋编著的《图像处理和分析》 (1999第一版, 获全国普通高等学校优秀教材一等奖) 、天津大学刘文耀主编《光电图像处理》 (2002第一版, 十五规划教材) 、阮秋琦编著的《数字图像处理学》 (2001年第一版, 面向21世纪高等学校电子信息类教材) 、清华大学章毓晋编著“十一五”国家级规划教材《图像处理》, 等等。推荐给教师和学生的主要参考书为R.C.Gonzalez的《数字图像处理》 (2002年第二版, 国外优秀经典教材, 英文版及中文版) , K.R.Castleman著, 朱志刚等译《数字图像处理》 (1998年第一版, 国外计算机科学经典教材) , R.C.G o n z a l e z的《数字图像处理》 (2 0 0 4年Matlab版, 国外电子与通信教材, 英文版) , 刘榴娣的《实用数字图像处理》 (2003年) 等。
随着我校学科的发展, 教学水平的不断提高, 并结合我们的科研特色, 本课程组编写并出版了《数字图像处理》教材 (北京大学出版社, 2007.9) , 主编由本课程组负责人曹茂永担任, 副主编由山东科技大学、清华大学、北京航空航天大学的老师组成。该书由本领域权威人士、中国图像图形学学会副理事长、清华大学的章毓晋教授主审。
3 结语
经过近10年的努力, 我校已建设起了比较科学、先进、完善、全面且能与专业适应的图像工程课程群。目前, 图像工程某些课程已经是我校信号与信息处理、模式识别与智能系统等硕士点的考研课程之一, 并且在相应的硕士点中都有对应的研究方向。经过多年的教学改革和实践, 图像工程已成为我校电子信息专业的一个重要的特色鲜明的方向, 而其中的“数字图像处理”课程2006年成为校精品课程, 2007年又得到山东省教育厅高等学校基础学科建设专项资金资助, 2008年成为山东省精品课程并申报了国家级精品课程。
摘要：图像工程在很对专业中都有涉及。文中阐述了我校图像工程课程群建设的思路以及所采取的建设措施。通过这些措施的实施, 我校的图像工程课程群建设取得了较好的成效。
关键词：图像工程,课程群建设,精品课程,教材建设
参考文献
[1] 章毓晋.中国图像工程:1995[J].中国图像图形学报, 1996, 1 (1) :78～83.
[2] 章毓晋.中国图像工程及当前的几个研究热点[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2002, 14 (6) :489～500.
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