项目实践驱动教学法在数字图像处理课程中的应用——以“中值滤波”为例

孙 鹏，段洪英，赵喜清，黄文文，杨晶晶

(1.河北北方学院 信息科学与工程学院，河北 张家口 075000；
2.张家口市人防(民防)指挥信息保障中心，河北 张家口 075000；
3.河北建筑工程学院 电气工程学院，河北 张家口 075000)

数字图像处理是电子通信类本科专业的一门综合应用性课程，通常设置于计算机科学与技术、电子信息科学与技术、电子信息工程和通信工程等专业的高年级学年中。该课程包含了大量的抽象概念、数学公式和图形演示，涉及的算法较复杂，且其中的很多重要概念和核心算法都需要通过较为繁琐的数学公式推导来阐述。传统的教学方法一般以教师为主导，按照教材的组织结构和编排顺序展开课堂教学的各个环节。但在教学中，教师需要对教学知识点的历史演变和存在意义、相关的数学基础以及对应的算法描述等作完整的理论铺垫，再进行应用实例的介绍与讲解，学生以课后习题和实验课的形式进行学习实践[1]。与传统教学方法较为不同，实践驱动教学法是以实践项目为主导的方法。教师在教学过程中起辅助作用，学生则需要按照教师设计的实践项目自主学习并完成相应的实验任务。实践证明，实践驱动教学法在实际教学中取得了良好的效果，得到了教师与学生的肯定。

实践驱动教学法是授课教师根据授课内容设计难度适宜的实践项目的教学方法，在授课内容的组织形式和组织顺序上都与传统教学方法有较大的不同。在教学过程中，教师针对课程某环节的核心知识设计难度逐级递进的教学任务，并布置给学生自行完成。学生在完成实践项目的过程中需要自行查阅参考资料和学习软件的使用方法，组成学习小组分析讨论并解决问题，逐一完成实践项目中教师布置的各项任务。这种实践性学习过程的目的是让学生自主学习，遇到问题后去查找资料并逐一弄清各个知识点。因此，实践驱动教学法是“先实践，后理论”的方法，也可以讲是“实践和理论同时进行”的方法[2-4]。

文章选取“数字图像处理”课程第二章“空间域图像处理”中的“中值滤波”降噪算法[5]作为授课内容，设计实践驱动教学案例。在教学中，具体设计了“图像加噪实验”“掩模尺寸对滤波效果影响的实验”和“多次中值滤波实验”3个实践内容，并使用MATLAB软件进行模拟仿真[6]。

(一)图像加噪实验

在图像加噪实验中，首先，教师简单介绍MATLAB图像处理工具箱中的加噪函数imnoise( )[6]；
其次，教师布置学生查看MATLAB帮助文档学习此函数的基本功能、参数用法与应用示例；
最后，教师演示使用imnoise( )函数对图像分别添加椒盐噪声和高斯噪声(图1)。其中，图1(a)是未添加噪声的原始图像，图1(b)是向原始图像添加了0均值和0.1方差椒盐噪声的图像，图1(c)是向原始图像添加了0均值和0.1方差高斯噪声的图像。由图1可知，椒盐噪声和高斯噪声均对图像产生了一定程度的污染，降低了图像的显示效果。但由于椒盐噪声和高斯噪声有不同的统计特性，其对图像的污染效果并不相同。

图1 教师引导演示1

基于教师演示，学生进行实验的内容为：1.使用imnoise( )函数为图像增添噪声。噪声类型为椒盐和高斯两种。噪声参数为：均值都为0，方差依次为0.01、0.05、0.1、0.5和0.8。实验要求将加噪声的图像分别在MATLAB环境中显示出来，并保存图像，图中需作出对应标注以显示图像的噪声类型和噪声参数。2.分组讨论相同噪声类型与不同噪声参数的图像的区别，以及相同噪声参数与不同噪声类型的图像的区别。

(二)掩模尺寸对滤波效果影响的实验

在该教学任务中，首先，教师介绍MATLAB图像处理工具箱中的中值滤波函数medfilt2( )[6]；
其次，教师布置学生查看MATLAB帮助文档学习此函数的基本功能、参数用法和应用示例；
最后，教师演示使用3×3和11×11尺寸掩模对图1(b)进行中值滤波，实验结果如图2所示。通过观察可以看出，3×3尺寸掩模的中值滤波效果很好，图像清晰。而使用11×11尺寸掩模的滤波结果显示效果较差，图像模糊，图像细节大量丢失。为进行定量分析，使用MATLAB中的corr2( )函数[6]计算滤波结果图像与原始图像的相关度系数。图2(a)与原始图像的相关度系数为R1=0.990 8，图2(b)与原始图像的相关度系数为R2=0.867 5。数据显示，使用3×3尺寸掩模的滤波结果即图2(a)与原图的相似度在99%以上，是较理想的滤波结果。而使用11×11尺寸掩模的滤波结果图2(b)与原图的相似度大约为87%，效果较差。简言之，无论是图像的直观显示效果还是通过定量计算对比相似度系数，均可知3×3尺寸掩模的滤波效果更好。由此得出结论，掩模尺寸的大小对滤波效果是有影响的。

图2 教师引导演示2

基于教师演示及分析，学生进行实验的内容为：1.依次使用3×3、5×5、7×7、9×9、11×11以及13×13尺寸的中值滤波掩模对含有高斯噪声和椒盐噪声的图像进行中值滤波。值得注意的是，噪声参数可以使用0均值和0.1方差，也可由学生自主设定；
2.使用MATLAB作出用于表示相关度系数与掩模尺寸关系的函数图。实验结束后，学生分组讨论不同尺寸中值滤波掩模的滤波效果的区别，得出结论并形成报告。

(三)多次中值滤波实验

在此教学任务中，教师需对含有重度椒盐噪声的图像作两次中值滤波，并演示分析结果，实验演示过程如图3所示。其中，图3(a)是未添加噪声的原始图像，图3(b)是添加0均值和0.5方差椒盐噪声的图像。但图像在椒盐噪声的影响下几乎看不清任何图像细节，显示质量很差。图3(c)是对图3(b)作了3×3中值滤波的效果。图像的质量有了明显提高，但仍有明显的椒盐噪声存在。图3(d)是对图3(c)再次进行3×3中值滤波的效果，相对于图3(c)而言，图像质量又得到了提升。对此进行定量分析，计算得出图3(c)与原图的相关度系数为R3=0.755 6，图3(d)与原图的相关度系数为R4=0.877 0。概言之，两次中值滤波的图像质量要比一次中值滤波的图像质量好。由此可以推论：对受椒盐噪声重度污染的图像可进行多次中值滤波，以得到更好的滤波效果。

图3 教师引导演示3

基于教师演示及分析，学生进行实验的内容为：1.设定椒盐噪声为0均值和0.8方差，并将此噪声添加到图像中；
2.对噪声图像进行多次中值滤波。对比实验结果，观察滤波结果图像质量的变化趋势；
3.分组讨论中值滤波次数与图像质量的关系；
4.计算每次中值滤波的输出图像与原始图像的相关度系数，找到最合适的中值滤波次数；
5.讨论相关度系数的变化趋势，并使用MATLAB作出变化曲线图；
6.改变噪声参数，保持均值不变，方差依次为0.01、0.05、0.1和0.5。针对4种不同参数的噪声图像，分别重复上述实验步骤。

通过观察实践驱动项目的教学过程并结合学生的反馈得知，按照教师设计的教学实验流程，学生通过查阅文献资料和小组讨论等方式，基本可以解决项目任务中出现的问题。相对于以教师为主导的传统教学模式而言，实践驱动教学以学生实践为主导，更侧重于培养学生的自主学习能力。在完成任务的过程中，学生表现出较高的学习积极性和主动性，他们的文献查阅、实验验证、数据收集、程序设计与图表制作等各方面能力均得到了很好的提升，进而有效提高了学习兴趣和主动解决问题的能力。同时，小组合作的学习过程能够很好地锻炼学生之间的团队合作与协调能力，对学生未来工作或继续深造都很有意义。教师在教学过程中起到了重要的辅助作用，在学习方法和解决问题的思路上给予学生帮助，如指导学生查阅文献资料解决技术性难点等。值得注意的是，教师应不断完善实践驱动项目设计的合理性和实效性，与学生及时沟通，通过问卷调查与访谈等形式收集学生学习效果的反馈情况，掌握好实践项目学习内容对核心知识的覆盖，从而建立完整的实践教学体系。

在未来的教学实践中，实践驱动教学法可应用于电子通信类本科专业的其它课程中，尤其是信号与信号处理课程体系的信号与系统、数字信号处理、自动控制原理以及语音信号处理等课程中，以激发学生的学习兴趣，提高学生学习的积极性和能动性，为将来投入工作或继续深造打好基础。