基于新工科的数字图像处理教学案例库建设

陈国军 程 琰

（[1]中国石油大学（华东）计算机科学与技术学院 山东·青岛 255580；[2]中海油田服务股份有限公司钻井事业部 河北·廊坊 065201）

教育部发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》以来，各地高校开展了“新工科”的研究实践活动，从而进一步深化工程教育改革，推进“新工科”的建设与发展。与老工科相比，“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通讯、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合。

在“新工科”背景下，多所高校对数字图像处理课程进行了教学目标、方法、实验等方面的改革，特别是案例库建设，从单一的原理算法应用向更具实用性、学科交叉性及先进性的应用发展。如国防科大、电子科大、南航等高校从数字图像处理课程案例库的规范定义、素材来源、实施过程质量控制等方面进行改革。[1-3]随着计算机技术的发展，数字图像处理技术在众多领域起着重要的作用，为此，一些行业特色的院校在图像处理课程建设中增加了具有行业特色的案例，如中国矿业大学的矿井图像的增强与复原、[4]景德镇陶瓷大学的陶瓷生产线检测、[5]武警工程大学的红外图像目标识别与定位[6]等，培养学生在行业特色背景下图像工程的实践能力与创新能力。

随着传统石油石化行业的数字化转型和机械智能化的发展，迫切需要既懂计算机知识又懂石油石化专业理论的复合型人才的加入，为传统的石油石化行业数字化转型和智能制造奉献自己的一份力量。为了引导学生掌握数字图像处理相关知识的同时，也能将数字图像处理与石油石化行业相结合，本文提出建设一套由基础案例、专题案例、综合案例构成的数字图像处理教学案例库，同时，案例库的内容结合新工科理念及石油行业特色，由浅至深引导学生学习和掌握数字图像处理技术及石油类行业知识，使学生加深对数字图像处理技术的理解，引导学生结合多种数字图像处理技术辅助解决石油勘探开发的问题，培养学生的创新能力和实践能力。

1 教学案例库的设计

我校计算机技术专业与软件工程专业开设计算机图像处理课程以来，课程内容不断更新发展。在初期以理论为主的课堂教学活动中，发现学生缺乏对工科行业及图像处理的融合理解，无法将数字图像处理技术与工科行业相结合，在课后的编程过程中仅固守于教师课堂中所讲述的内容。此外，数字图像处理作为一门公共专业选修课程，除了图形图像研究方向的研究生修读本课程外，石油工程、机械自动化等专业的学生选课人数也在逐年增加。

为了使不同领域学生能够系统性学习数字图像处理课程，作者加强案例教学，贯彻“工学结合、任务驱动、项目导向”的课程教学模式，融合石油行业特色，并结合现有的新技术和科研项目，总结出应用性较强的综合案例，以提升学生对数字图像处理的理解，满足不同专业领域学生的课程需求，拓展各领域学生的专业视野及创新能力。

本文教学案例库的设计主要由案例素材选取和案例内容编写两个阶段构成。

1.1 案例素材选取

章毓晋根据抽象程度和研究方法等方面的不同，将图像工程从低到高划分为图像处理、图像分析、图像理解3 个层次。[7]本文依据图像工程3 个层次所涉及的图像技术确定每个案例的主题方向，从基础的图像处理技术出发，针对图像增强技术、图像变换技术、图像分割技术、特征提取技术及其综合的高级图像技术建立教学案例库，以达到提高专业学位研究生课程教学质量的目标。

通过分析石油行业特色，融合互联网、工业智能为核心的新工科理念，并结合现有的新技术和科研项目，根据图像处理的3 个层次对数字图像处理课程的每类案例素材进行选取。

1.2 案例内容编写

每个案例编写的基本内容主要包括：相关图像处理技术的重难点，案例的名称和内容，案例的分析过程，教学方式，思考和讨论内容等。除了这些基本内容外，每个案例还制定了供测试用的数据、算法理论、引例程序。其中，算法的实现结合软件平台（如Visual Studio、MATLAB、OpenCV、Shader）、新技术（如机器学习）和新硬件技术（如GPU）。

在案例库设计方面，结合国内外经典案例、工业应用案例及科研课题，建立1 套由基础案例、专题案例、综合案例构成的数字图像处理教学案例库，提高学生的工程应用及创新实践能力。本课程案例库的建设涉及数字图像处理技术相关的12 个案例，案例素材选自国内外经典案例、工业应用案例及科研课题。案例库的具体分布如表1 所示。

表1 案例库

2 教学方式设计

2.1 教学方式调整

除教学案例进行加强外，课程教学方式也进行了相关的调整，加入课外案例学习、课内专题案例讨论及案例的编程实现，通过丰富的课堂教学内容，拓展不同专业领域学生的软件开发思路，将数字图像处理技术应用至其他专业领域。课程教学方式进行的相关调整如下：

2.1.1 调整课程内容

在初期的课堂教学中，发现学生缺乏图像处理技术的兴趣，对其可应用领域缺乏认知，可拓展性差。针对如上问题，在课程内容方面进行调整：一方面，精简技术相对成熟的知识点，如图像压缩和图像恢复不再作为单独章节介绍，而作为图像变换和图像增强里的案例进行说明；另一方面，开展案例库的教学，案例库的设计融合石油领域行业特色，并与人工智能技术、软硬件新技术及多学科的交叉结合，根据前沿的图像处理技术进行更新变换。通过具有行业特色核心和新技术的案例库教学，提升学生对数字图像处理技术的兴趣。

2.1.2 加强案例教学

为使学生系统性学习数字图像处理课程，作者摒弃初期的单一案例教学方式，将案例教学进行加强，贯彻“工学结合、任务驱动、项目导向”的课程教学模式，融合石油行业特色，并结合现有的新技术和科研项目，总结出应用性较强的综合案例，如：基于OpenPose 的人体姿态监控、数字岩心三维重建、基于图像的钢材腐蚀检测等综合案例。

以数字岩心三维重建为例，该综合案例基于OpenCV对采集的致密油藏储层岩心CT 图像进行图像增强处理、优选切片组、对骨架孔隙进行分割，并基于OSG 重建低分辨率的3D 数字岩心。该案例利用数字图像处理的关键技术解决石油勘探开发中所遇到的实际问题，通过生产实际案例，加深学生对石油领域以及多领域融合应用案例的理解。

案例库的教学，由浅至深引导学生学习和掌握数字图像处理技术，加强各案例之间的关联度，开拓学生的思路，使学生更加系统地掌握数字图像处理技术，并能够自主地将各个案例进行串接，进行与专业领域相关的图像处理开发，解决自身专业领域相关的图像处理问题。

2.2 案例教学实施

为了更好地培养研究生的自学能力、独立分析问题和解决工程实际问题的能力，除课程教学方式进行相关调整外，实施案例教学的方式方法也需要进行调整，教师应以课程相关案例进行教学任务，研究生则应围绕案例进行学习与实践，以提升自身的综合实践能力。在案例教学的实施方面，作者在教学内容、教学模式两个方面进行如下调整：

2.2.1 教学内容的调整

在案例教学中，引入实用性和前沿性的教学案例，并将案例贯穿于整个教学内容之中，有利于学生系统地、深入地掌握数字图像处理技术，如：在专题案例部分，引入机器学习的相关案例，并展示该方法在其他专业领域的应用，使学生加深对机器学习的理解与应用；在综合案例部分，结合最新的科研课题，引入数字岩心三维重建、钢材腐蚀检测等内容，实用、前沿的教学案例则有利于开阔学生的创新思维。

2.2.2 教学模式的调整

打破常规的教学模式，建立并实施开放型的案例教学模式，采取课外阅读、集中授课、专题讨论与编程相结合的教学方式。

在授课之前，要求学生通过课外阅读，思考案例内容，并自学一款数字图像处理工具（如OpenCV、MATLAB 等），运用自学的工具制作自拟的数字图像作品，通过亲身实践体验数字图像处理技术带来的乐趣，培养学生对数字图像处理课程的兴趣、自主学习能力和应用创新能力。在集中授课时，教师首先在课堂中采用动画课件、录像教学、程序演示等多媒体教学方法，向学生展示图像处理在实际生产生活中的应用，如：车牌识别、数字岩心三维重建、钢材腐蚀检测、姿态分析等，以经典案例说明图像处理应用的广泛性，同时，教师对课程所涵盖的案例进行解析，编程展示不同算法下的图像处理效果，并对其进行分析对比，使学生加深对各经典图像处理算法的印象，使其在自主编程过程中能够选取合适的算法进行图像处理或创新。在专题讨论时，学生可将课前实践、课后思考时遇到的问题向教师进行提问，与教师进行专题讨论，加深其对案例要点的理解与应用。在编程实践环节，学生通过编程完成教学案例或自拟项目的实现。

在授课过程中引入教学案例库资源，将各个案例进行串接，贯穿于整个教学内容之中，不仅能够改变单一案例教学的古板、枯燥，也有利于激发学生对数字图像处理课程的学习兴趣，培养学生的创新思维。

3 案例库教学成效

通过数字图像处理课程的学习与案例库的实践，师生双方进行互动讨论，学生通过分析并做出决策，从而更好地培养研究生的自学能力、独立分析问题和解决工程实际问题的能力。通过在课堂中进行多领域图像处理技术的案例解析，学生结合自身的研究方向、项目实践，进行了数字图像处理相关的研究与创新，如：在头部姿态估计方面，将基于几何的方法与基于学习的方法相结合，进行实时头部姿态估计；[8]在石油钻采方面，融合了数字图像处理技术提高钻井效率，如基于随钻方位伽马测井的地层倾角自动识别。[9]

数字图像处理作为一门专业选修课程，在加入案例库的教学后，选课人数从2014 年的16 人增加至2018 年的41 人，占我院研1 年级学生人数的一半左右。此外，除图形图像研究方向的硕士生修读本课程外，其他研究方向的学生选修本课程的人数也在逐年增加。

4 总结

通过反思课堂教学，以石油高校背景为依托，结合新工科理念及石油行业特色，提出建设一套由基础案例、专题案例、综合案例构成的数字图像处理教学案例库。并将案例库融入到课程实际教学之中，为学生搭建易实践、易拓展的案例库平台。通过案例教学，激发学生对数字图像处理课程的兴趣，引导学生结合多种图像处理技术处理工程问题，使得学生能在掌握课程理论的基础之上，充分掌握图像处理的相关方法与技术，并能够结合前沿技术（如机器学习、GPU 技术）进行图像处理算法的创新研究，使图像处理算法的执行效果和性能得到提高。

同时，通过及时跟踪数字图像处理技术的发展前沿，不断更新和丰富本课程的教学内容、教学模式，兼收并蓄，不断探索，在教学内容、教学模式等方面更符合企业人才需求，提高学生的工程实践能力及创新能力，为培养多领域融合的优秀工程师打下了基础。