《數(shù)字圖像處理》課程思政教學(xué)案例（一等獎）

一、課程基本情況

"數(shù)字圖像處理”是電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)課,是計算機視覺、多媒

體技術(shù)、人工智能等學(xué)科的基礎(chǔ)，同時也是一門涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。本課程共

40學(xué)時，學(xué)分2.5分。

本課程以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)知識和基本分析方法為基礎(chǔ)，在教學(xué)中

注重培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字圖喙處理基本原理的深入理解和對數(shù)字圖像處理工程問題的解

決方案的分析和設(shè)計能力，使學(xué)生具備針對復(fù)雜工程領(lǐng)域的問題，綜合各類信息進(jìn)

行研究開得到合理有效結(jié)論的能力。

在教學(xué)過程中，從科學(xué)本源出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生〃求真”的科學(xué)探索精神，同時培

養(yǎng)學(xué)生實時了解科技領(lǐng)或前沿成果的能力增強學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。此外，

依托當(dāng)前計算機視覺、人工智能領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)的知識轉(zhuǎn)化為推

進(jìn)社會發(fā)展動力的責(zé)任感和使命感。

相關(guān)思政元素：團隊合作、實踐探索精神、科技創(chuàng)新、造福于民、近朱者赤近

墨者黑、權(quán)威、大道之行在于簡、物以類聚、人以群分、高度

二、德融教學(xué)設(shè)計及內(nèi)容

（一）德融教學(xué)總體設(shè)計

德融課堂以專業(yè)課程教學(xué)為基本載體，將德育和智育有機結(jié)合，貫徹落實"立

德樹人〃的根本任務(wù)。根據(jù)學(xué)生對象的特點，借助具體教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，從科

學(xué)本源出發(fā)，從“求真”出發(fā)，融入德育。具體設(shè)計方法如下。

1.內(nèi)容設(shè)計

在內(nèi)容上，主要包括社會主義核心價值觀、傳統(tǒng)文化、科學(xué)精神、團隊意識、

協(xié)作精神等方面。

2.教學(xué)方法設(shè)計

在方法上，有機融合，尋找合適的專業(yè)知識與德育教育的結(jié)合點，不搞與教學(xué)

內(nèi)容脫節(jié)的“填充料〃與〃插曲〃，要〃結(jié)合"得然，"進(jìn)行"得適度，不能喧賓奪

主，讓學(xué)生通過自己的學(xué)習(xí)、思考和實踐，在學(xué)習(xí)專業(yè)知識和技能訓(xùn)練過程中提升

思想修養(yǎng)。設(shè)計的具體落腳點與對應(yīng)的切入方法主要有三類：

(1)理論算法要置于整個知識體系中，講清來龍去脈，加強學(xué)生對知識的系統(tǒng)性

理解。如算法的提出者有相關(guān)勵志的故事，或算法提出時不凡的經(jīng)歷、遭遇等都可

作為德育內(nèi)容。

(2)算法原理本身所隱含的某些哲學(xué)道理，從科學(xué)本源出發(fā)，從科學(xué)上升到哲學(xué),

自然結(jié)合到現(xiàn)實生活，融入德育，要有理有據(jù)。科學(xué)技術(shù)與人文領(lǐng)域的很多思想實

際上是相通的，可以采取課堂討論的方式加強德育教育。

(3)理論算法的具體落實在應(yīng)用實例上，給予生活的某些啟示。

(二)德融教學(xué)內(nèi)容

德融教學(xué)的具體內(nèi)容如表12-1所示。

表12-1靛教學(xué)內(nèi)容

3X11

早T>知識點劉蛾式

數(shù)圖像處理前沿技術(shù)，科技是把雙刃劍，科

例子引申課

緒論具體應(yīng)用舉例，技術(shù)也會技創(chuàng)新的目的是造福

堂討論

被居心不良的人利用于民

視覺感知特性，馬赫帶眼見不一定為實，M例子引申上

數(shù)字圖像基礎(chǔ)效應(yīng)等，以及人眼錯覺知來源于實踐機實蛉

圖像的均值濾波、中值

近朱者赤，近墨者黑原理引申

到像空域增強濾波等平滑濾波

傅里葉的理論首次提出敬課演示與

到像頻域處理不要迷信權(quán)威

時的遭遇討論

1Q

早T>知iR點則形式

圖像去霧算法的發(fā)現(xiàn)過從問題出發(fā)啟發(fā)

圖像復(fù)原大道之行在于簡

程與算法的基本思想式教學(xué)

基二K均值聚類的圖像

現(xiàn)像分割物以類聚，人以群分

分割算法的原理敝課演示法

結(jié)合模式識別，圖像的

型像的表示多方面特征決定了人

特征決定了圖像的分類原理引申

與特征提取的高度

結(jié)果

綜合本課程學(xué)習(xí)的算

圉像處理應(yīng)案例教學(xué)分組合

法，解決一個實際應(yīng)用探索精神、團隊合作

用實例作

的問題

三、教學(xué)方法及手段

案例1:緒論

1.本章總體教學(xué)內(nèi)容

對本課程進(jìn)行全面了解，包括數(shù)字圖像處理發(fā)展史、發(fā)展現(xiàn)狀，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域

的前沿動態(tài)，社會發(fā)展的技術(shù)需求在本領(lǐng)域的體現(xiàn).

2彳惠育切入點

在數(shù)字圖像處理發(fā)超現(xiàn)狀與應(yīng)用實例部分，開展課堂討論，請同學(xué)們介紹自己

了解的最新的應(yīng)用實例。例如，手機中美圖軟件（圖像增強）的功能、百度搜索中

的以圖搜圖功能、各種刷臉功能，以及娛樂功能等，以此開展課堂討論，可以發(fā)現(xiàn)

有些技術(shù)有可能被壞人利用，從事不法活動。

3彳惠融教學(xué)內(nèi)容

激發(fā)學(xué)生的使命感與責(zé)任感,讓學(xué)生明白科學(xué)技術(shù)是把雙刃劍，科技本身沒有

好壞的屬性，科技的好壞決定于掌握科技的人，這也是在加強智育的同時，德育一

定要跟上的意義所在。因此，教育學(xué)生我們不僅要專注于知識和技能的學(xué)習(xí)，還要

有正確的方向，科技創(chuàng)新的最終目的是造福于民。

4德融教學(xué)過程

把應(yīng)用實例分成正反兩方，引入德育內(nèi)容：科學(xué)技術(shù)，既可以像工業(yè)革命的例

子一樣，幫助人類走上一個新的臺階；也可能被不正當(dāng)使用，這時越高明的技術(shù)后

果也會越可怕。

（1）正能量應(yīng)用實例：讓盲人能"看見"。Facebook發(fā)布了一款新型屏幕閱

讀工具，可對照片進(jìn)行目動文本處理，從而讓用戶聽到照片上的內(nèi)容描述（見圖12-

1）o另一個是由牛津大學(xué)開發(fā)的智能眼鏡，能夠利用視覺影像幫助盲人識別物體,

以及判斷物體距離的遠(yuǎn)近（見圖12-2）。

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圖12“卜acebook的忖公間i；IH

圖12-2智能眼鏡

對于盲人用戶而言，當(dāng)好友上傳了聲音添加任何文字描述的照片時，即使能從

中獲取少量信息其意義也是重大的。雖然目前還無法識別圖片中的所有內(nèi)容，然而

這卻是發(fā)展科技的真正動力所在！

以此開展課堂討論，引發(fā)學(xué)生思考，并留下問邈（課后作業(yè)）。學(xué)生查閱相關(guān)

資料，充分發(fā)掘數(shù)字圖喙處理的應(yīng)用方向，并確定一個自己感興趣的小課題（也可

以按小組確定課題），探討其研究意義，并初步了解和設(shè)計解次方案，作為學(xué)習(xí)這

門課程之后的案例總結(jié)。希望通過本門課程的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生加入到實現(xiàn)"中國夢"

的改革大潮中的參與感和使命感，提高學(xué)生實現(xiàn)自我價值的自信心。

（2）反面應(yīng)用實例。人臉表情捕捉Face2Face，是2016年CVPR最炫酷的技

術(shù)，可實時捕捉的僉者的面部表情，并將現(xiàn)有視頻中的人物表情替換成捕獲的表情

（見圖12-3）。圖像或視頻里的內(nèi)容完全可以以假亂真。

R??nactment

12-3&情皆換

然而，該技術(shù)誕生以來，卻使造假臉、假視頻的惡搞消息不斷。而基于GAN的

相關(guān)技術(shù)讓這種惡搞更上一層樓，甚至出現(xiàn)了火遍全美乃至全世界的〃教皇抽桌布

戲法"的虛假視頻（見圖12-4）。

POPEFRANCISARRIVESFORUSBISHOPS1MEETINGIOW■

圖12-4虛假視頻

案例2:數(shù)字圖像基礎(chǔ)

L總體教學(xué)內(nèi)容

視覺感知基礎(chǔ)、圖像的獲取、圖像的采樣與量化、數(shù)字圖像的表示，圖像數(shù)據(jù)

在計算機中的存儲、數(shù)字圖像的分辨率、像素間的關(guān)系。

2彳惠育切入點

從人類視覺模型中可以看出，人類視覺并不完全是真實景物的直接反映，而是

包括大腦加工部分。因此，出現(xiàn)了有很多對環(huán)境反映的修正，如馬赫帶效應(yīng)、同時

對比度，以及視覺錯覺等，可見眼見也不一定為實.

3彳惠融教學(xué)內(nèi)容

即使沒有被別人故意欺騙，自己的眼睛也有可能騙自己，所以在日常生活中要

學(xué)會透過現(xiàn)象看本質(zhì)，看的同時要多思考、多實踐，正所謂〃實踐出真知〃。

4德融教學(xué)過程

舉例說明人類感知與真實圖像數(shù)據(jù)之間的差異（見圖12-5）,圖像都是真實圖

像數(shù)據(jù)，不存在篡改或者故意欺騙，但是我們依然會產(chǎn)生錯覺。然后通過上機實驗，

讀取計算機中存儲的這些圖像數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)的真實性，印證眼見確實不能為實，

實踐才能出真知的道理.

還可以通過古人的例子為學(xué)生證明眼見不一定為實的道理。例如，大家都熟悉

的"小辯日"的故事、孔子弟子顏回偷吃粥的故事等，都告訴我們不要只看眼前

看到的場景，要學(xué)會思考。

而作為教師，更要身正為范，可以給學(xué)生講述自己在科研工作中相關(guān)的例子。

此外，在教學(xué)評價中對學(xué)生的評價也要綜合全面，不要帶有任何成見。

案例3:數(shù)字圖像的頻域處理

L總體教學(xué)內(nèi)容

學(xué)習(xí)圖像的傅里葉變換、傅里葉變換的性質(zhì)，以及圖像的頻譜分析和頻域濾波

方法。

2彳惠育切入點

傅里葉級數(shù)展開，是由法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家博里葉在1807年提出的，但是

該理論提出之初卻受到學(xué)術(shù)權(quán)威的質(zhì)疑。

3彳惠融教學(xué)內(nèi)容

(1)不要迷信權(quán)威，科學(xué)就是要打破迷信。

(2)科學(xué)精神就是從事物的本質(zhì)出發(fā)，研究萬物的規(guī)律。

4德融教學(xué)過程

(1)介紹傅里葉變換的來龍去脈,在傅里葉最初提出理論時，很多權(quán)威專家都反

對他，其中包括拉格朗日、拉普拉斯等數(shù)學(xué)大咖，直到100年后他的論著才被重視

起來。這告訴我們“不要迷信權(quán)威"，當(dāng)然也不要害怕犯錯，科學(xué)的本質(zhì)特點就是

可證偽性，是在不斷地自我否定中前進(jìn)。

(2)在學(xué)習(xí)傅里葉變換原理的過程中，通過微課演示讓學(xué)生理解圖像頻譜的物理

意義。放大/縮小(遠(yuǎn)看/近看)合成圖像，看內(nèi)容發(fā)生的變化，提出問題并討論：究竟

是什么在影響人的視覺判斷？

結(jié)論：合成圖像實際上是一幅圖像的低頻疊加上另一幅圖像的高頻得到的，即

近看由高頻決定判斷結(jié)果，遠(yuǎn)看由低頻決定判斷結(jié)果,由此得到頻譜物理含義.

可以看出工科學(xué)習(xí)不能只停留在公式階段,要去了解它從真實物理世界的提煉

過程，這樣才能從本質(zhì)上理解，才有可能應(yīng)用它解決實際問題。

科學(xué)的精神就是從事物的本質(zhì)出發(fā)，研究萬物的規(guī)律。作為教師，在傳授知識

的過程中也應(yīng)該講究方法和策略，幫助學(xué)生建立理論公式與真實世界連接的橋梁，

激發(fā)學(xué)生的求知欲。

案例4:圖像的復(fù)原

1.總體教學(xué)內(nèi)容

學(xué)習(xí)圖像復(fù)原的基本概念、原理，以及建立圖像退化模型。具體方法是學(xué)習(xí)基

于暗通道先驗的圖像去霧算法。

2彳惠育切入點

暗通道先驗算法的理出獲得了2009年CVPR的最佳論文獎，其最大的特點是

思想簡潔：在絕大多數(shù)非天空的局部區(qū)域里，某一些像素總會有至少一個顏色通道

具有很低的值。換言之，該區(qū)域光強度的最小值是一個很小的數(shù)。見圖12-6為有霧

和無霧圖像的暗通道對比。

圖12心有霧和無舞圖像暗通道對比

3彳惠融教學(xué)內(nèi)容

"大道之行在于簡“，一個正確的數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)在形式上是簡潔而優(yōu)美的，也

許在開始時簡單正確的模型不如一個精雕細(xì)琢過的錯誤模型精美，但如果我們認(rèn)定

大方向是正確的，就應(yīng)該堅持下去，將其制作完成.

4德融教學(xué)過程

圖像去霧是一個真實存在的需求，因此，課程教師從需求出發(fā)啟發(fā)學(xué)生思考：

用已經(jīng)學(xué)過的算法可否解決這個問題？以提問回答的方式查看學(xué)生對學(xué)過的算法的

掌握情況。然后引出本節(jié)的處理方法，從作者提出該算法的動機W過程出發(fā)，讓學(xué)

生體會到該算法模型的簡潔性，相較于其他算法該算法的優(yōu)勢所在，并且介紹該算

法現(xiàn)已成為圖像處理類App的標(biāo)配。

在內(nèi)容講解完成后，舉例輔助說明數(shù)字模型簡潔、優(yōu)美的重要性：托勒密在基

于地心說的基礎(chǔ)上，建模了行星運行軌道，他用40個小圓套大圓的方法，精確地計

算出了所有行星運動的軌跡。然而我們今天知道地心說是錯誤的，站在日心說的角

度上，牛頓最終建立了行星運行軌道模型，僅為一個橢圓，簡潔而優(yōu)雅！這些例子

可給予我們一些學(xué)習(xí)、研究的啟示。

案例5:圖像處理應(yīng)用實例

L總體教學(xué)內(nèi)容

本教學(xué)不以教科書的內(nèi)容為限，學(xué)生分組完成一個完整的圖像處理實例，包括

提出問題、算法設(shè)計和編程實現(xiàn)。實例由學(xué)生課后查閱資料后根據(jù)自己的興趣自擬，

然后跟教師討論，調(diào)整后分組定題，合作完成。

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