opencv图像处理算法 [《图像处理基本知识》教学案例]

　　本课是浙教版《信息技术基础》第三章第三节《多媒体信息处理》第一课时内容，主要知识点为图像的基本概念（像素、分辨率、颜色）和基本知识（文件格式、位图与矢量图、图形与图像）。高一年级的学生对图像处理有很强的兴趣，但对于图像理论知识的理解不够重视。针对理论学习比较枯燥的问题，本课采用“对比”的教学策略，引导学生在对比中潜移默化地学习理论知识，提高学生观察分析问题、自主解决问题的能力。
　　一、教学目标
　　知识与技能：使学生理解图像的数字化原理，掌握图像的基本概念，了解静态图像的两种存储方式，能区分位图和矢量图，认识图像文件的不同格式，了解网络上常用的图像文件格式。
　　过程与方法：通过模拟图像数字化与还原的层层对比、观察分析，得出结论，验证原理的正确性。
　　情感、态度与价值观：培养学生有条不紊、分析问题的思维习惯。
　　二、教学重点、难点
　　教学重点：理解图像的基本概念（像素、分辨率、颜色），区分位图与矢量图。
　　教学难点：深刻理解像素、分辨率、颜色的概念，以及它们与图像真实性和存储空间的关系。
　　三、教学过程
　　1.问题引入，带动学生主动思考
　　师：计算机可以通过哪些途径获取图像？计算机能直接处理模拟图像吗？计算机是如何将模拟图像存储成数字图像的？
　　学生思考并回答问题。
　　2.对比理解，分析概念，探究原理
　　对比一：相等采样点数，不同黑白图像
　　活动1：准备一张十字形的黑白规则图像，对其进行采样3×3个信息点（以每个区域的中心点为样点），存储样点颜色，然后量化（将颜色信息采用数字表示），黑色用0表示，白色用1表示，那么该图像就用二进制存储了；反过来，将该数字化图像还原成模拟图像，可以获得与原始图像基本一致的模拟图像。如图1所示，这就是图像的数字化原理过程的简单模拟。
　　设计意图：用具体的图像将采样量化过程模拟出来，化枯燥的理论学习为形象、生动，便于学生理解，对比还原图像与原始图像的差异性，以便与下一个例子形成对比。
　　活动2：准备一张圆形的黑白不规则图像，按照以上过程进行采样和量化，存储成数字化图像。如图2所示，我们将该数字化图像还原成模拟图像，发现还原后的图像与原图像相差甚远。
　　设计意图：对比不同的图像采用相同的采样点数，可能导致图像信息不能较真实地被存储和表示。思考要真实的存储图像信息，该如何操作？
　　对比二：相同黑白图像，不等采样点数
　　活动3：仍采用圆形的黑白不规则图像。如图3所示，改变对原图的采样信息点，将采样点数提高到6×6，然后对图像进行数字化存储，还原得到锯齿状明显的“圆”，与活动2中数字化图像还原后的图像进行对比，进一步将采样点数提高到140×140，观察采样量化后所存储的数字图像的真实性。
　　设计意图：对比相同图像不等的采样点数，采样点数高，存储的数字化图像就更接近实际图像，从而得到采样点数与图像真实性的关系。
　　在图像数字化存储的过程中，采样点数直接影响着图像存储的真实性，也影响着图像的存储空间。学生通过前面层层对比，对于基本概念（像素和分辨率）的理解也就清晰明了了。
　　对比三：相同灰度图像，不等颜色数
　　活动4：如图4所示，准备一张灰度图像，对其采样200个信息点。如图5所示，如果分成4种颜色数进行量化，然后将数字化图像还原成模拟图像，得到的灰度图像不能很好表示原图，更不能很好地表示生活中的各种灰度的颜色。如图6所示，如果将颜色数增加到256种，可以将256级灰度图像进行采样量化，还原后的灰度图像与原图像非常接近。一般情况下用256种灰度颜色足以表示自然界中的各级灰度了。
　　设计意图：通过对不同颜色数量化后得到的还原图像进行对比，可以得出颜色数越多计算机描述存储的图像越真实。用2位二进制可以表示4种颜色，用8位二进制可以表示256种颜色……用n位二进制可以表2n种颜色。那么，彩色图像就需要更多的颜色数来表示了，一般的计算机用24位来存储真彩色图像。
　　让学生观察不同的图像文件，对比总像素和颜色值，思考文件大小和总像素、颜色值的关系。
　　设计意图：学生实践探究图像存储空间与总像素和颜色的关系，对比得出结论，提升理论认识。
　　对比四：位图与矢量图
　　学生从计算机中搜索*.wmf文件，并找到一张指定文件名的文件（内容与教师的图像一致），对比教师给定的图像文件，观察扩展名、文件大小、放大若干倍后的效果。
　　对比五：常见的文件格式对比
　　让学生打开素材文件夹，对比snow.bmp与snow.jpg的扩展名和大小。
　　3.课堂总结
　　师：通过以上的对比学习，我们初步理解了图像处理的基本知识，对图像的数字化原理有了深刻的认识。在以后的图像处理中，我们将继续体会像素、颜色、分辨率对图像质量和存储空间的影响。
　　4.课后作业
　　将高考作文《绿叶对根的情义》文字表述转变成用图画来表达。思考选择哪些素材，如何获取，选择什么图像处理软件，具体如何实现。
　　四、教学反思
　　本节课的教学，教师没有一味地告诉学生基本概念是什么，而是在简单介绍的基础上，让学生去进行对比分析，发现基本概念的内在特征进而掌握基本知识。对比教学策略在理论学习中不仅轻松，而且可以更好更快地理解相关内容。但是在具体教学过程中，教师应注意以下几点：
　　1.在事物的对比中要求“同”存“异”，选择合适的比较对象和比较点。
　　2.不仅要进行广度对比，更要加强深度对比，进一步理解基本概念，提升理论认识。
　　3.参与对比分析的主角是学生，教师不能喧宾夺主，要体现学生的主体性，因为学生只有通过自己的努力理解的知识，才能真正转化成自己的知识。
　　（作者单位：浙江宁海中学）
　　注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
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