数字图像处理典型案例详

数字图像处理典型案例详

一、课程概况

□通识必修口通识选修0专业必修

课程性质

□专业选修口集中实践教学

授课对象计算机科学与技术专业本科生授课人数210

思政案例教学内容计算机是如何表示图像的？

案例所属教学大纲专题1数字图像基础一数字图像的表示、位平面、LSB图像水印算

中的章节及知识点法

课程思政元素爱国情怀、文化自信和法治意识

课程简介：

数字图像处理即用计算机处理视觉信息，是实现物联网、

机器视觉和人工智能等相关应用的基本支撑技术。主要教学

内容包括图像增强、图像复原、图像编码、图像分割等方法

和技术，涉及线性代数、随机过程、概率论和信号处理等理

论知识。知识体系繁杂，内容抽象，前沿技术更新快，理论

与实践并重，对学生数学基础与编程能力要求高。

课程教学目标以立德树人为宗旨，知识、能力、素质三

位一体，致力于培养人工智能时代具有科技报国使命的创新

型信息科技人才。其中，能力目标聚焦复杂问题求解、算法

设计、算法实现和算法创新，突出了实践能力和创新能力培

养要素。素养目标立足于立德树人，侧重培养学生的工匠精

神、法治意识和科学精神，提高学生的团队协作能力，提升

文化自信，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

二、教学设计

(-)教学内容“计算机是如何表示图像的”知识点属于

《数字图像处理》课程专题1“数字图像基础”的一部分，主要

讲述像素的概念、像素的属性、彩色模型、二值图像、灰度

图像和彩色图像的表示。在此基础上，层层递进讲述位平面

和LSB图像水印嵌入算法的原理及其编程实现，并进而分析

LSB图像水印算法的改进思路。(二)教学目标本讲的教学

目标包括知识、能力和素养目标，如图1所示，具体描述如

下。

能力

法制意识

文化自信

爱国情怀

图1教学目标

1.知识目标：理解像素的概念，了解彩色模型的内涵，

掌握二值图像、灰度图像和彩色图像的表示方法，理解位平

面和LSB图像水印算法的原理。

2.能力目标：掌握位平面提取和位平面重建图像的

Matlab编程实现，掌握LSB图像水印嵌入和提取算法的实现,

并通过课外学习理解LSB算法的改进方法。

3.素养目标：从教学手段（课件所有图片标注来源）和

教学内容（图像水印）两方面增强学生的版权保护意识，培

养学生的法治意识。在课程中展示中国古典色系和文化艺术

作品，并自然过渡到中国文化，增强学生的文化自信，激发

学生的爱国热情。

（三）课程思政融入策略《数字图像处理》课程思政主

要从教学手段、教学内容和课程知识等方面着手融入思政元

素，具体思路如下：

1.教学手段：挖掘思政的“法治意识”，例如在教学PPT

中引用的资料全部标注来源，身体力行教育学生尊重知识产

权、尊重知识。

2.教学内容：挖掘思政的“爱党爱国情怀”、“文化自信等，

如处理的图像选用故宫照片、我国古代文化和艺术方面的图

像等。加强学生的文化认同感，强化爱国主义教育，激励学

生努力学习、为国争光。

3.课程知识：挖掘知识中本身的思政元素，如图像水印

处理就是思政的“法治意识”，只有保护知识产权才有科学技

术的进步与发展。

（四）课程思政嵌入实例

1.处理的图片大部分选用中国建筑、文化艺术作品（如

图2所示）等图片。

2.所有图片均标注来源（版权保护），授课时插入版权

保护讲解。

3.简述RGB知识点时介绍中国古典色系和对应的RGB

值（如图3所示），使用“指尖涂色”微信小程序让学生动手

体验中国传统配色，引导学生欣赏中国艺术作品，并自然过

渡到中国文化（图4）,提高学生对中国文化的认同感，激

发学生的爱国热情。

4.讲述图像水印算法，让学生亲身体验其版权保护特性，

呼应课程开头的版权保护，进一步强化学生的法治意识。

油48H族白K红**外加wA喂岱景更口五博版黑工影响消■魅凝府弃校

石我叱双耳花浇SH±3J!B■不存•花外炉云龙花果仅fll大AM。电

骞.

仇

F侑毋强统方彳

B清乾哓满我正饮。毒餐

网筑仕女玉山玉蜜屯麻

•K

产下？,

■金K”馆实W宋M青玉宙水他值育玉侪四更紫

fsaibffi

X

G

；.y£-73■

vttps://wv»wdpmOFnl

图2中国古典艺术作品图片

（图片来源：故宫官网/lights/royal.html>

图3中国古典色系RGB值

中国文化中的“中国色”

月门•尤二姐一瓶，只见夫上皆是素白像2S,由上月白缎祇，方堪披

K,白绒素初。"一格•由雪芹《红楼分》

童，染贵苹也.紫，昌眉也，从黑.一汉•许蜻《说文解字

才近中秋月巳出，鸦田*投一阳冰・

——宋・杨万史《八月十二日我黄斋坐月，

达彼法您缥竹汴*.—《日经》

图4中国文化中的“中国色”

三、教学方法

（-）教学方案设计教学方案的设计遵循“立德树人、成果导

向、以学生为中心、持续改进”的本科教学新理念，总体设计

思路如图5所示。大体包含以下几部分，首先基于成果导向

理念在培养方案和课程体系的基础上设计课程教学目标，并

细化为学生的每周学习目标；接着基于每周学习目标设计每

周学习内容，规划学生的学习路径，并选择合适的教学模式

和相应的考核方法；然后实施教学方案，依据学习结果评价

教学质量，并进而根据评价结果反馈持续改进教学过程。

反馈改进

课程教学目标<-------

（细化

反馈改进教

每周学习目标<--------

学

以

学习内容j质

学

生学习路径专馈改进量

为教学模式|

评

中

考核方法]]

刍价

学习结果

教学实施

图5教学方案设计总体思路

（二）混合式教学实施

我们在传统课堂教学与机房实践的基础上结合了超星学习

通、雨课堂和QQ群等平台。教学过程分为备课、课前、课

中、课后和反思五个环节，如图6所示。

规划学生碎片化知识点设计章节

备课设计制作授课PPT学习通上传资料

学习路径制作短视频等预习资料测试题

课前反馈上次课学习情况学习通和QQ群发布每周学习任务学生学习通在线预习

_______■

教师启发式教学学生雨课堂参与课堂互动

课中学生雨课堂扫码签到

学生探究式学习随堂测+弹幕+投稿功能+课件标注

收集统计设计每周QQ群+学习通学生完成学习通

课后雨课堂发布宫习资料

学情信息复习资料互动管珞一章力测试题—

反思改进下次的教案设计、课件制作、视频录制、测试度设计

图6教学实施过程

1.备课：规划学生学习路径，设计制作PPT,碎片化知识点

制作短视频，设计章节测试题并将资料上传超星平台。在线

资源组成如图7所示。超星课程章节信息如图8所示。

在线资源组成

教

每

学

周

课

更

件

习

图7在线资源组成

MAILAWB•效埃

3.1

13空S®.-«•*

24

a^2：

3.4

<HtD

4：；5忘卯：nmrMx*

g效忖

44

实习田尊分数等播工9

46

110

3.11

3.13

4.104rM

工14fhKtMf

B•分别

7(jr«

63面■方皿

64

图8超星学习班课程章节信息

2.课前：通过QQ群反馈学生学习情况，发放本周学习任务

清单，学生在线预习。课前环节里学生是主体，学生主动学

习，教师是引导者和督促者。

3.课中：学生扫码加入雨课堂，教师启发式教学，学生探究

式学习，使用雨课堂随堂测、弹幕、投稿、课堂分组讨论等

方式互动（如图9所示）。4.课后：教师分析学情，设计融

入知识点检测题的每周复习课件（如图10所示）并通过雨

课堂发布。学生课后复习并完成学习通上章节作业。答疑在

QQ群和学习通进行。5.反思：教师综合学情反思教学效果,

以持续改进教学质量。五个环节形成一个闭环，践行'以学生

为中心”的教学理念。

教学日志

Xlf¥WfitProceesing3imageEnhince..・，XlrmfitProceesing31ma^«Enhanc«..

•预警•学生

<2019计料345班

6月08日星期一

,07:55回豆］WBAft

施源项径宇201983.

翦5・图像•原^129^

6月01日星期一

习题数据

,07:55自互〕

•m•IM

速入・量AH&•危人ItlnagePYCKeM4r»9>»n0^Cnhanceme..

第4亶绳蟠像*(3T域的锐化

Hl8XBJK•正

5月25曰星期一1969%;r

学生诙事全修网

,07:54匹〕

与”

优秀学生284%feSI

第4直域图像考强——傅里Of安检

源件数抠

5月18日星朋一®@Q

knaoepfocessino3-lmaoefnh

，五

,07:54<300<3O□

(a)课堂教学日志(b)课堂教学统计信息(c)课堂互动记录

图9雨课堂教学记录横图

X・点・灯-・1・x・森■与・i・

5月21日星期四

20:57<计H18(3)(4)(5)均

要点震习10傅里叶师1分析

4月10日星期五

第8周集点震习

rxip的么时长.・干

■.««1«

10C

4月02日星期四

19:54

B»RT4O32'3O24府・4的个1»

«?4032m点.3024个**%

第7周要点卷习4一”

为什么可分・・・40373024?

3月26日星期四这不■尺寸大，J*?

19:53

(a)课后复习发布记录(b)复习答题记录(O复习答题记录(d)复习反愦记录

图10雨课堂部分辅助教学信息

四、思政融入

(一)教学设计设计动画导入知识点、画图3D演示RGB模

型、画图演示HSI模型、指尖涂色游戏体验、编程练习、算

法创新分组讨论和雨课堂弹幕、随堂测等多种教学活动，采

用启发式教学方法，寓教于乐，激发学习兴趣，培养创新思

维，同时嵌入“文化自信”、“法治意识”和“爱国情怀”思政元素。

(二)实施过程实施具体细节如下：

1.动画导入主题：动画展示人工智能应用，说明机器是通过

图像感知世界的，点明图像的重要性(动画截图如图11所

示)，从而导入本节课主题——计算机是如何表示图像的。

图11人工智能动画截图

2.像素知识引入：由一幅故宫的图片的拼图动画引入像素概

念，通过逐步放大图像引导学生“看见”像素，此处嵌入课程

思政元素，法治意识”。课件中所有图片均标明来源，同时讲

解中使用文字和语言融入思政元素——版权保护法治意识,

如图12(a)所示。

3.像素知识分析：由看见的像素信息引导学生分析并概括像

素的两个属性，如图12(b)所示。

(a)像素的概念(b)像素的属性

图12像素

4.数字图像演示：从像素值属性入手讲述二值图像和灰度图

像的表示并演示实例，如图13和图14所示。

图13二值图像的表示示意图

灰度图像灰度图像的像素值用［0,255］之间的整数来表

图片拿埠件自行M像t

图14灰度图像的表示示意图

5.雨课堂随堂测：使用雨课堂发布随堂测试题1,一方

面巩固所学灰度图像知识，另一方面为后面讲述图像水印应

用打基础。6.画图演示RGB模型：讲述RGB彩色模型，使

用画图软件展示RGB色彩构成，如图15所示；在此基础上,

介绍彩色图像的表示并演示实例，如图16所示。

彩色图像的像素值如何表示呢?

•采用RGB色彩模式(红绿/三基色模W)

•年一个像素值包含三个分0,分别为R、G.B分ftRGB三A色

•每个分■分配一个0*255的整数强度值.

图15RGB彩色模型

彩色图像

彩色图像RGB什量就提

■=>

图M/JS.M*Ub软件白带可包线

图16彩色图像表示示意图

|单选题1分

RGB色彩模型中，每一个分量用8比特表示，一个像素需8*3=24位，这样表

示的颜色称为24位真彩色.请问，下列RGB颜色中，哪一个是5戋灰色？

。(200,200,200)

❶(200,233,200)

Q(128,128,128)

0(50,50,50)

图17雨课堂随堂测截图

7.雨课堂随堂测：使用雨课堂发布随堂测试题2,如图

17所示，引导学生分析RGB彩色模型的特性。8.课程思政

嵌入：介绍中国古典色系和对应的RGB值并进而引导学生

欣赏中国艺术作品。在此基础上，让学生使用微信指尖涂色

小程序动手体验RGB色彩的构成，同时发布涂色作品到微

信雨课堂互动题中并使用投屏功能展示给学生，从而自然过

渡到中国文化，润物无声地提升学生的文化自信，激发学生

的爱国热情。如图18-20所示。

(a)讲述彩色模型(b)中国传统色RGB值展示

图18课堂展示传统色RGB值

(a)指尖涂色体验(b)学生涂色作品展示

图19学生课堂使用“指尖涂色”微信小程序体验传统配色

(«)国宝图片展示(h)中国文化嵌入

图20“文化自信”、“爱国情怀”思政元素融入

9.水印主题导入：由日常拍照发朋友圈引入图像版权保护概

念，使用雨课堂弹幕进行头脑风暴启发学时思考，进而引入

图像水印知识点，嵌入“法治意识之版权保护"思政元素，前

后呼应。接着讲述可见水印和不可见水印，引入位平面（见

图21）。

图21水印主题导入

10.位平面辨析：讲述位平面及其提取方法的Matlab实现。

举例讲述位平面的概念，并介绍位平面提取方法Matlab实现。

板书讲解位平面提取使用的位与运算函数用法，展示8个位

平面的内涵，层层递进讲述位平面的组合及其Matlab实现,

揭示LSB图像水印嵌入算法原理（见图22）o

图22位平面引入

11.雨课堂随堂测+课堂编程练习：加入雨课堂测试题进一步

巩固位平面提取方法知识点，编程练习引导学生观察高位平

面组合图像与原图像的外观差异与实际差异，讲解位平面提

取编程练习题，引出LSB图像水印嵌入算法的原理（见图

23）o

图23课堂编程练习

12.水印实例展示：归纳LSB图像水印嵌入算法原理,

演示实例，如图24所示“

像素的应用3图像水印（LSB方法）像素的应用3—图像水印嵌入实例

位32

次-10

像

素1O

值01

数字东印程锦炉倡思安全、女现IB伯霖源.地权保妒的布代办法.

（a）图像水卬原理<b）图像水印实例

图24像素的应用3-图像水印

13.课堂分组讨论：计算载体的嵌入容量，层层深入引

导学生分析LSB水印嵌入算法，头脑风暴得出算法改进思路

（见图25-26）o

图25课重分的讨论

图26课堂分析算法改进思路

14.水印算法实现：引导学生分析水印嵌入算法的实现步

骤，展示实现代码，分析代码组成。这里加入课堂思考题引

导学生进行拓展(见图27)。

图27课堂分析水印算法实现

15.总结与展望：总结展望本讲主要内容，并给出拓展资

源和作业。五、教学评价课程教学质量高，这可以从督导评

价和学生反馈等方面体现出来。教务系统中督导对教师课程

教学的评价均为优秀，如图28所示。

学年学期课程名称上课班级听课人身份总分总体评价

2018-201921数字图像处理计科17(1X2)班督导95优

2018-20192数字图像处理计科17(3)(4X5)15督导92优

2019-20202数字图像处理计算机软件实验17(1)班督导96优

2020-20211数字图像处理计科二学位18(1)班督导95优

［数字图像处理

2020-20211计科二学位18⑴班督导92优

2020-20211数字图像处理计科二学位18⑴班领导90优

［数字图像处理

2020-20211计科二学位18(1)班领导91优

2020-20211数字图像处理计科二学位18(1)班领导96优

2020-20211数字图像处理计科二学位18(1)班领步95优

图28教务系统督导评价

课程结束后我们使用问卷星匿名调查问卷收集了学生

的反馈信息，收回170份有效问卷。问卷调查了学生学习情

况、学生对在线课程的评价和学生对教师的评价，调查问卷

的部分统计结果如图29所示。综合调查结果，我们知道74%

的学生对课程满意度打分5分（满分），24%的学生打分4

分。90%的学生对授课教师的教学态度和教学能力满意度打

分5分（满分）。

此外，课程被学校官微评为神仙课堂（见图30）,并被学校

教师发展与教学评估中心推荐为示范观摩课程。

第1调h俄FK字更像处理淳程程发国（解5分,5分量g）6Pi5£：

»IQ：小its也便

5分1267412%

4分402353%

3分41235%

2»00、

1»00%

♦suntanAftiro

第143：你对《敷字图•处理》蝌含犯的®存专皮和IS字曲的武季度是（1-5分「霞高5分）?i®issr

Ml小itittM

5分1S390%

4分14•824%

3分3I176%

玲00%

1分00%

本籍有91蛤百人次170

图29学生对课程和牧师辟价统计信息图

Basu▼，・B33.S

X-X>•••

上座率爆满的神仙课堂，欢迎

旁听！

住明埼彩

至！喇5I京吃全金安“

出芬邙，履《的ma

aa.ait**小体，i*«?-202.:wai明学，1的■好.•费R

己也蝗肯去b站上石nooc的课