蕴含辩证唯物主义的图像频谱教学实践

［摘 要］ 图像频谱蕴含丰富的辩证唯物主义基本原理，为课程思政与专业知识的深度融合提供平台。近年来，基于结构光照明的单像素成像技术发展迅猛，该技术为逐个提取图像频谱分量提供了途径。针对图像频谱分析和处理，提出基于结构光照明的教学方案。此方案通过结构光图案空域和频域的联系，阐述图像信息空域频域这两种表现形式的对立统一。依据结构光照明逐步获取图像频谱的具体步骤，此方案进一步深入阐述图像信息空域和频域所对应的事物普遍联系和对立统一的辩证唯物主义基本原理，实现专业知识和思想政治教育的双重目标。最后，通过分析不同频谱分量在表达图像信息中的地位，联系辩证唯物主义抓住主要矛盾、兼顾次要矛盾的方法论，阐明图像频域处理的指导思想。此方案将图像频谱分析处理与辩证唯物主义原理相结合，将专业知识学习与政治素养培育相结合，以辩证唯物主义指导图像分析和图像处理，从科学世界观和方法论的角度审视图像频谱分析和处理，有助于引导学生将思想政治学习与专业学习有机融合，成为具有马克思主义世界观的综合型人才。

［关键词］ 结构光照明；图像频谱；对立统一；辩证唯物主义

［基金项目］ 2021—2024年国家自然科学基金项目“基于时空调制技术的生物组织光声显微成像研究”（12074191）；2022年度教育部产学合作协同育人项目“光电专业创新实验课程规划及校内实践基地建设”（221003584104912）

［作者简介］ 姚 洁（1977—），女，江苏无锡人，博士，南京师范大学物理科学与技术学院副教授，硕士生导师，主要从事光声信息处理研究；朱 婕（1999—），女，江苏南通人，南京师范大学物理科学与技术学院2021级光学工程专业硕士研究生，研究方向为结构光照明光声显微成像；张昕健（2002—），男，江苏泰州人，南京师范大学物理科学与技术学院2020级光电信息科学与技术专业本科生，研究方向为结构光照明单像素成像。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）36-0109-05 ［收稿日期］ 2023-07-30

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，做好高校思想政治工作，要因事而化、因时而进、因势而新［1］。2020年5月，教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，提高高校人才培养质量［2］。在专业课程中融入思政教育，是高校实现德育与智育相融合、协同育人的有效途径。课程思政改革紧跟科技发展前沿，融入新研究成果，也是高等教育发展的根本要求。

频谱是信号所携带信息的另一种表现形式，它与时域（一维信号）或空域（二维信号）所展现的强度分布截然不同，充分体现矛盾对立统一这一辩证唯物主义核心规律。“信号与系统分析”“数字信号处理”和“数字图像处理”等课程是涉及信号频谱最多的专业课程，也是当前实施课程思政教学改革比较活跃的领域［3-7］。目前，相关课程思政的研究尚未涉及信号频域的辩证唯物主义内涵，频域蕴含的丰富的马克思主义基本原理有待进一步挖掘。近十年，基于结构光照明的单像素成像技术以其广泛的适用性和优异的灵活性得到图像研究领域的广泛关注［8-9］。不同于常用的傅里叶变换，基于傅里叶条纹的结构光照明，能够独立提取图像的频谱分量，便于学生体会空域、频域的相互关系，从而理解图像信息空域与频域的对立统一。因此，采用结构光照明分析图像频谱，有助于构建桥梁，连接图像频谱专业知识与辩证唯物主义矛盾论，在专业课程中塑造科学世界观。

笔者提出运用结构光照明单像素成像技术来阐释图像信息空域、频域的对立统一，引导学生运用事物普遍联系、对立统一这一基本原理去理解图像频谱的意义和地位。在此基础上，通过分析不同频谱分量对图像信息的贡献不同，展现矛盾的普遍性和特殊性，进而引导学生运用抓住主要矛盾、兼顾次要矛盾的科学方法论指导图像分析和处理。本教学方案尝试将图像信息处理的专业知识与马克思主义基本原理相结合，切实践行高等教育立德树人根本任务。

基于结构光照明的图像频谱教学实践

实现图像频谱处理与辩证唯物主义的教学融合，需要对现有的图像频谱的教学方式进行调整。首先，我们采用结构光照明获得图像频谱分量，阐明图像空域与频谱信息的联系。其次，我们由结构光照明获取的图像频谱反向重构图像，通过对比原图和重构图，进一步深化学生对图像空域和频域联系的认识，引导学生认识到两种表现形式的对立统一。再次，我们采用图像频谱的不同部分重构图像，帮助学生认识到不同频谱分量对图像的贡献，进而引出主要矛盾和次要矛盾，引导学生以马克思主义方法论指导图像处理。最后，根据课后作业，我们从专业知识和思想政治两个角度对学生进行综合评价，并作为过程性考核的一个组成部分。

（一）图像空域与频域的对立统一

结构光照明单像素成像是将照明光调制成特定的图案，照射到成像对象上，通过单个换能器接收包含目标空间分布的信号，经信号处理获取目标图像的成像手段。傅里叶条纹是常用的结构光照明图样，表现明暗相间的条纹图，条纹沿横向变化的周期个数对应空间频率分量kx，同样，纵向变化的周期个数对应纵向分量ky。图1分别给出空间频率（kx，ky）分别为（3，0）、（0，3）和（3，3），在这三种情况下空域的光强分布和频域的频谱分布。由图可见，空域的条纹在频域中对应两个亮点，每对亮点关于中心对称，表示一个频率分量。

傅里叶条纹充分体现了图像信息空域和频域的对立统一。首先，空域的光强分布和频域的频谱分布都表征了相同的图像信息。数学上，它们可以通过二维傅里叶变换相互转换，且一一对应，这是二者的统一。其次，图像的空域和频域是截然不同的表现形式，其变化规律也相互对立。空域充满整个图像的明暗条纹在频域仅仅对应一对亮点，形貌大相径庭，充分体现二者的对立。傅里叶条纹空域形式和频域形式这一对矛盾有助于理解傅里叶条纹的正交性。不同的傅里叶条纹（kx，ky）不同，对应频域不同的亮点。因此，从频域角度看，不同的傅里叶条纹相乘为零，从而能够将它们所携带的信息完全区分，这也是结构光照明单像素成像的基础。

正交的傅里叶条纹结构光为获取图像任意频率分量提供的方法。例如，空间频率为kx=ky=3的傅里叶条纹结构光具有四个不同的初相位——0，π/2，π和3π/2，如图2第一行所示。将这四种结构光照射到图像上（Matlab图像“照相者”），得到结果如图2第二行所示，对应所有像素光强求和即为探测器获得四个测量值D0，D1，D2和D3。根据D0～D3，采用下式，可以获得相应图像频谱系数F（kx，ky）。

F（kx，ky）=（D2-D0）+i（D3-D1）

通过四次结构光照明，可以得到图像的一个频率分量，即图像频谱中的一个点。对于由256×256个像素构成的图像“照相者”［图3（a）］，其频谱大小也是256×256。依据频谱的共轭对称性，测量一半的频谱分量即可获得完整的图像频谱，一共需要进行4×128×256次结构光照明。在这一过程中，教师可以选择在任一环节将图像频谱通过傅里叶反变换观察重构图，体会图像空域与频域的联系。

当所有频谱分量均获取后，图像的原图、频谱图和重构图分别如图3（a）、（b）和（c）所示。对比原图和重构图可见，从人物到背景，从天空到海水，原图与由频谱重构的图像处处吻合。这表明，由单独获取的频谱分量组合的图像信息是完备的，它与图像空域所表达的信息一致。对比图像及其频谱，结合频谱的获取过程，有助于深化对图像空域和频域这一对矛盾的理解。首先，频域分布与空域分布不存在简单的对应关系。由结构光照明获取傅里叶系数可知，对于频域中每一个频谱分量，我们必须采用整幅图像与傅里叶结构光相乘，才能得到对应的系数。空域中的每一个点对每个频谱分量都有贡献，二者存在紧密联系。其次，频域和空域遵循的规律不同。频域存在对称性，经一半频谱分量，即可获得整个图像信息。图像空域不存在任何对称性，256×256个像素元少任何一个，图像都是不完整的。空域和频域没有任何相似之处，充分展现了二者的区别。最后，原图、频谱和重构图这三者有力证实频域和空域的统一，充分反映事物是普遍联系的这一辩证唯物主义原理。图像空域和频域相互区别、相互对立，是图像信息的不同表达方式，二者本质上是一致的。

（二）图像处理与辩证唯物主义基本原理相结合

频域图像处理需要以辩证唯物主义作为指导思想。不同频谱分量在表达图像信息中占据不同的地位，具有不同的影响。以图像“照相者”所表达的信息为例，低频分量占据图像信息的主体，为主要矛盾，高频信息为次要矛盾。将经结构光照明获取的图像频谱分量一分为二，一部分为25％的低频分量，另一部分为剩余75％的高频分量，如图4第一行所示。对应图像频谱经傅里叶反变换获得的重构图，如图4第二行所示。

由25％低频分量重构的图像中，照相者、相机、三脚架、远处的建筑物，以及照相者的面部细节、海水波纹均清晰可辨，重构图保留了原图的大部分信息。由75％高频分量生成的重构图中，海水、远处建筑物毫无踪迹，模模糊糊似乎能够看到有人在用相机照相，但是只能看到轮廓，具体情况无法辨别。以辩证唯物主义的视角来看，25％的低频分量为图像信息的主体，处理好少量低频分量，即抓住了图像处理这一问题的主要矛盾。75％高频分量是图像信息的次要矛盾，图像处理中集中精力处理主要矛盾的同时兼顾次要矛盾，即可满足应用需求。以唯物辩证法抓主要矛盾、兼顾次要矛盾的方法论来指导图像频谱处理，有望得到事半功倍的效果。可见，辩证唯物主义作为基本的世界观和方法论，是专业实践的重要指导思想。

（三）引导学生挖掘图像处理蕴含的辩证唯物主义基本原理

图像频谱和图像处理包含丰富的内容，辩证唯物主义同样博大精深。在结构光照明和图像重构的教学基础上，教师通过小组作业，引导学生主动学习更多的图像处理知识和技能，并挖掘其中所蕴含的丰富的辩证唯物主义基本原理。这些研究可以是一些目前知识的延展。比如，同样的处理，不同的图像效果不同，这对应辩证唯物主义具体问题具体分析的要求。又比如，量变、质变的原理可以通过图像重构体现出来。图5给出了“照相者”在不同采样率情况下的频谱分布和相应的重构图。由图5可见，通过结构光照明采集的频谱分量越多，重构图的恢复质量越好。当保留的频谱分量占比50％时，重构图与原图相似度为0.75左右。随着采样率的下降，重构图质量不断退化。当频域保留的频谱分量仅为1％时，重构图中背景和人体面部糊化严重，与原图的结构相似度下降为0.58，图像信息缺失严重。这一转变充分体现量变引起质变这一辩证唯物主义基本原理。

专业知识与政治教育的融合，需要进一步在评价方式上体现。教师根据学生情况，对学生提交的研究作业从专业和政治思想两个角度进行合理评价，此部分内容应作为过程性考核的一个环节。通过作业，学生在实践图像处理专业知识和技能的同时，能够主动从辩证唯物主义的角度审视这些知识和技能，将专业知识与思想政治理论相结合。这有助于青年学生形成科学的世界观和方法论，成长为国家需要的新型人才。

结语

结构光照明为逐个提取图像频谱分量提供了强有力的工具。采用结构光照明的方式获取图像频谱，能够更为形象地展现图像信息二者表现形式的对立统一，体现辩证唯物主义基本原理。以马克思主义世界观和方法论指导图像频谱分析和处理，能够从图像信息表达到图像信息处理的教学全过程践行教育部对高等教育提出的发挥好每门课程育人作用的要求。

参考文献

［1］习近平在全国高校思想政治工作会议上强调 把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面［N］.人民日报，2016-12-09（1）.

［2］教育部.关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知：教高〔2020〕3号［A/OL］.（2020-05-28）［2023-05-30］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.