第三章 研究方法與步驟
第一節 研究設計
本研究採用準實驗研究法（quasi-experiment），探討以實驗策略進行教學對高 中生學習影像處理原理的影響。首先參考文獻探討中的 SIVA 系統，發展一套影 像處理實驗活動與實驗軟體。然後隨機挑選兩個班為實驗組，兩個班為控制組，
實驗組在教師講解完影像處理基本概念後，採兩人一組，輪流扮演操作者與記錄 者的角色，各小組依照實驗學習單的步驟操作實驗軟體，觀察與討論執行過程中 的變化並加以記錄，再回答實驗學習單所引導的關鍵概念性問題；而控制組則採 傳統講述法，由教師講述影像處理的基本概念，再讓學生針對控制組學習單的問 題進行討論。課程內容分影像處理簡介與四個子主題（直方圖與像素值轉換對照 圖、降階與二元化、雜訊的去除、邊界偵測）進行。
教學活動結束後，分別對兩組舉行影像處理成就測驗。另外，實驗組還需填 寫影像處理教學問卷，以便瞭解學生對於本次實驗的看法。成就測驗採共變數分 析，考慮到學生先前的能力可能影響其學習成就的表現，因此以學生高一的電腦 課總成績作為統計分析時的共變量，以排除其對實驗結果所造成的影響。而教學 問卷則含有封閉式與開放式兩種類型的問題，其中封閉式問題以量化的方式進行 分析，開放式問題則以歸納方式整理。
第二節 研究樣本
本研究以高中學生為研究對象，研究樣本是國立新店高級中學二年級四個班 級的學生，共161 人。四個班級的任課教師為同一位，畢業於資訊研究所，曾修 過影像處理課程，具有兩年高中電腦科教學經驗。參與實驗的學生均已修習過高 一的電腦課，正在修習電算概論的課程。在實驗過程中，由於有些學生因病或因 公請假，最後全程參與整個實驗的共有學生143 人。
第三節 影像處理教學規劃
本研究教學實驗是以影像處理的原理為學習內容。在經過文獻探討，並且與 影像處理專家及二位高中電腦教師討論之後，挑選出影像處理領域中比較基礎且 重要的子主題，並篩選出適合高中生程度的子主題內容。課程教授大綱除了影像 處理簡介外，還包括直方圖與像素值轉換對照圖、降階與二元化、雜訊的去除、
邊界偵測等四個子主題單元。簡介與每個單元的進行時間皆為一堂課（五十分 鐘），課程教學時數為五堂課。其教學的內容與各子主題的重要性分述如下：
一、影像處理簡介：影像的組成與影像處理基本概念
影像處理有兩大目的：(一)改善影像資訊，使人能理解。例如：調整照片的 亮度與對比、去除照片中的雜訊、修復受損的影像等等；(二)處理景物數據，使 電腦能感知。例如：自動字元辨識、利用臉部或指紋辨識的安全管理、圖片辨識 等等。這些應用不但範圍相當廣泛，而且與我們的生活息息相關。
因此第一堂課主要在簡介這些影像處理的應用，並且介紹在影像處理領域裡 的專有名詞與定義，讓學生對影像處理的重要性及基礎知識有初步的了解。教學 活動主要由教師配合投影片進行，介紹影像與數位影像的定義、影像處理的目 的、取樣與量化的意義、像素尺寸與解析度及色彩模型等概念。此部份實驗組與 控制組的上課方式皆相同，都是由教師以講述法進行。教學投影片內容如附錄一 之一。
二、單元一：直方圖（histogram）與像素值轉換對照圖
此單元主要在介紹直方圖與像素值轉換的概念。對一張256 階的灰階影像而 言，其每個像素點的灰階值範圍在0 到 255 之間。灰階值 0 代表純黑，而灰階值 255 則代表純白。若我們統計一張影像中每一種灰階值的像素點個數，就可以得 到256 個數據。若再將這些數據以「灰階值為 X 軸、像素點個數為 Y 軸」繪製成 圖，即成為直方圖。從直方圖中可以看出影像所蘊含的一些資訊，例如：圖3-1(b) 的直方圖形狀明顯偏向左邊，表示其原始影像的亮度偏暗。目前市面上許多數位 相機與影像處理軟體也有直方圖功能，其重要性可見一斑。
(a)原始影像 (b)直方圖 圖3-1 雙駿圖影像及其直方圖
另外，影像的像素值經由某些特定函數的轉換，可以產生不同的效果。例如：
若將一張影像中原本灰階值為 0 的像素點，全部改變為灰階值 255、原本灰階值 為 1 的像素點，全部改變為灰階值 254、…、原本灰階值為 255 的像素點，全部 改變為灰階值 0，則原始影像會與轉換後的影像互為反相。若我們將這類的轉換 函數以「原始灰階值為X 軸、轉換後灰階值為 Y 軸」繪製成圖，即成為像素值轉 換對照圖，如圖 3-2 所示。由於像素值轉換對照圖可以很方便地表達出各種影像 的轉換函數，因此是一種很重要的表示方法。
教學活動一開始先由教師配合投影片進行，介紹直方圖與像素值轉換對照圖 的定義，以及分別應用五種不同的像素值轉換對照圖，包括反相、亮化、變暗、
對比加深、對比減少來操作影像之後，對影像及其直方圖所產生的影響。教學投 影片內容如附錄一之二。
接下來，在實驗組方面，藉由實驗學習單（見附錄二之一）的任務設計與問 題引導，先讓學生以數位相機拍下自己的大頭照，並存成數位影像，再觀察影像
(a)反相(N=255) (b)反相後的雙駿圖 (c)反相後的直方圖
(d)亮化(N=128) (e)亮化後的雙駿圖 (f)亮化後的直方圖
(g)變暗(N=128) (h)變暗後的雙駿圖 (i)變暗後的直方圖
(j)對比加深 (k)對比加深後的雙駿圖 (l)對比加深後的直方圖
(m)對比減少 (n)對比減少後的雙駿圖 (o)對比減少後的直方圖 圖3-2 五種像素值轉換的對照圖及其效果
的直方圖形狀，了解影像與直方圖之間的關係。接著讓學生觀察一張影像經由不 同的像素值對照圖轉換後，對於影像本身及其直方圖會產生何種影響。而在控制 組方面，則是由教師以控制組學習單（見附錄三之一）的問題引導學生共同討論，
引導問題的題目則與實驗組大同小異，以確保兩組有相同的授課內容。
三、單元二：降階與二元化
此單元主要在介紹降階與二元化，以及在二元化過程中占關鍵地位的門檻值 概念。有時為了某些目的，我們會將影像降階，例如：將256 階的灰階影像降為 128 階的灰階影像，則儲存每個像素值所需要的位元數便由 8 位元降為 7 位元；
同樣地，若降為 64 灰階，則儲存每個像素值所需要的位元數便降為 6 位元。以 此類推，可以節省不少儲存空間。
另外，在降階的過程中，影像會開始出現一些假輪廓（如圖3-3），可以把影 像粗略地分為幾個區塊，具有影像分割（segmentation）的效果。而當降階時的灰 階數為二時，又稱為二元化。二元化是影像處理中常見且重要的動作之一，可以 把灰階影像轉成只有純黑與純白兩種顏色的黑白影像。而在二元化過程中，藉由 門檻值（threshold）的調整，可以獲得不同的轉換效果（如圖 3-4）。
教學活動一開始先由教師配合投影片進行，介紹降階的定義與應用時機，以 及在降階過程中所產生的假輪廓現象，並引導出二元化等於「灰階數降階為二階」
的概念，最後講解在二元化過程中占關鍵地位的門檻值意義，以及門檻值的調整 等等。其投影片內容如附錄一之三。
(a)256 階的原始影像 (b)降為 16 階後的影像
(c)降為 8 階後的影像 (d)降為 4 階後的影像 圖3-3 降階過程中的假輪廓現象
(a)門檻值為 160 (b)門檻值為 80 圖3-4 不同門檻值設定的二元化效果
接下來，在實驗組方面，藉由實驗學習單（見附錄二之二）的任務設計與問 題引導，先讓學生把一張256 灰階的影像逐步降階到 128、64、32、16、8、4 階，
並讓學生觀察影像在降階過程中所產生的假輪廓現象。然後在進行二元化的動作
時，讓學生藉由調整門檻值觀察影像及其直方圖所產生的變化。而在控制組方 面，則是由教師以控制組學習單（見附錄三之二）的問題引導學生共同討論，引 導問題的題目則與實驗組大同小異，以確保兩組有相同的授課內容。
四、單元三：雜訊的產生與去除
此單元主要在介紹雜訊對影像的影響，以及三種去除雜訊的方法。當一張影 像受到某些干擾後，就會產生雜訊。例如：當太空梭把火星圖片傳回地球時，這 張火星圖片就可能受到太空中的電磁波干擾，而產生規則的垂直雜訊；利用電子 顯微儀器觀察細胞時，若受到其他電子訊號的影響，會讓細胞影像因雜訊而變得 模糊；照片如果保存不當，也可能受到磨損或者沾上指紋等等（如圖3-5），這些 都會在影像上產生雜訊。因此，如何把影像中的雜訊去除，讓影像回復原本的面 貌也是影像處理領域中很重要的「前處理」課題之一。目前許多數位相機也陸續 加入影像雜訊抑制或消除的功能，其重要性可見一斑。
教學活動一開始先由教師配合投影片進行，介紹雜訊的定義與影響，以及可 能產生雜訊的情況，接著再分別解釋「均化處理」、「高斯處理」與「中間值法」
三種去除雜訊方法的原理，以及其效果與執行效率的比較等等。其投影片內容如 附錄一之四。
接下來，在實驗組方面，藉由實驗學習單（見附錄二之三）的任務設計與問 題引導，先讓學生瞭解何時會產生雜訊，以及不同的雜訊類型對影像與其直方圖 造成的影響，再讓學生分別利用均化處理、高斯處理及中間值法三種方法對受損
(a)受電磁波干擾的火星照片 (b)受電子訊號干擾的細胞照片
(c)磨損後的小孩照片 (d)留下指紋的沙灘照片 圖3-5 不同雜訊類型的影響
影像進行去除雜訊的動作，並比較這三種方法的效果與執行效率。另外，也讓學 生比較每一種方法，在不同維度的遮罩參數下的去除雜訊效果與執行效率。而在 控制組方面，則是由教師以控制組學習單（見附錄三之三）的問題引導學生共同 討論，引導問題的題目則與實驗組大同小異，以確保兩組有相同的授課內容。
五、單元四：邊界偵測
此單元主要在介紹邊界偵測的應用，以及三種邊界偵測的方法。影像裡的邊 界是一項很重要的資訊，在臉部辨識或指紋辨織的安全系統中，常利用邊界偵測 的技術來突顯影像的特徵，以做為後續比對處理的依據；而智慧型交通系統（ITS）
也常利用邊界偵測的技術來強化物體的輪廓，以利後續判斷車輛與行人位置等資
訊。因此，邊界偵測可說是影像處理中相當重要的前處理之一，其應用範圍非常 廣泛且普遍。
教學活動一開始先由教師配合投影片進行，介紹邊界偵測的目的與應用，進 而引導出在「強調物體輪廓」與「突顯細部特徵」兩種不同的目的下進行邊界偵 測時所注重的考量點。接著再分別解釋Prewitt、Sobel 及 Roberts 三種邊界偵測方 法的原理，並比較其執行效果，最後導入單元二的二元化動作來強化邊界影像。
其投影片內容如附錄一之五。
接下來，在實驗組方面，藉由實驗學習單（見附錄二之四）的任務設計與問 題引導，先讓學生在強調物體輪廓與突顯細部特徵兩種目的下對影像進行邊界偵 測，體會各自的考量重點。接著再讓學生分別利用Prewitt 法、Sobel 法及 Roberts 法的遮罩對影像進行邊界偵測的動作，並比較這三種方法的執行效果。而在控制 組方面，則是由教師以控制組學習單（見附錄三之四）的問題引導學生共同討論，
引導問題的題目則與實驗組大同小異，以確保兩組有相同的授課內容。
第四節 研究工具
本研究使用的工具包括：上課簡報、影像處理實驗軟體、影像處理實驗學習 單、控制組學習單、影像處理成就測驗、影像處理教學問卷及教師晤談紀錄等。
各項工具說明如下：
一、上課簡報
上課簡報為研究者針對影像組成與影像處理基本概念、直方圖與像素值轉換 對照圖、降階與二元化、雜訊的去除、邊界偵測等五個部份所設計的教學簡報（見 附錄一之一至附錄一之五），提供參與實驗的教師授課之用。
二、影像處理實驗軟體
影像處理實驗軟體是研究者針對直方圖與像素值轉換對照圖、降階與二元 化、雜訊的產生與去除、邊界偵測等四個子主題單元的實驗活動所設計的軟體（如 圖3-6），提供實驗組學生配合影像處理實驗學習單操作之用。為了讓軟體具有跨 平台性，因此本實驗軟體乃利用Java 程式語言開發完成。實驗軟體所提供的功能 如附錄四所示。
圖3-6 實驗軟體執行畫面
三、影像處理實驗學習單
實驗組學生所使用的影像處理實驗學習單是研究者針對直方圖與像素值轉 換對照圖、降階與二元化、雜訊的產生與去除、邊界偵測等四個子主題單元的實 驗活動所設計（見附錄二至附錄二之四），與影像處理實驗軟體同步發展完成。
活動設計採兩人一組，輪流扮演操作者與記錄者的角色。每一個單元的實驗活動 由數個子任務所構成，每個子任務都有一個學習目標。各小組依照實驗學習單的 步驟操作實驗軟體，觀察與討論執行過程中的變化並加以記錄，再回答實驗學習 單所引導的關鍵概念性問題。如此，即可讓小組成員藉由共同討論實驗步驟與結 果來驗証所學到的概念。此外，在每個單元的最後，還有單元綜合問題來引導學 生反思從實驗中所學習到的心得。
例如：單元三「雜訊的產生與去除」的實驗學習單總共分成四個子任務：第 一個子任務目標為認識雜訊產生的時機。藉由一個虛構的故事，讓學生討論在不 同的情況下，會造成何種雜訊；第二個子任務學習目標為認識不同種類雜訊對影 像及直方圖造成的影響。讓學生依照學習單的步驟開啟一張影像，並且分別選擇 三種不同的雜訊（黑點、白點與隨機），讓學生觀察影像與直方圖分別受到這三 種雜訊干擾後的變化；第三個子任務學習目標為三種去除雜訊方法（均化處理、
高斯處理及中間值法）的比較。讓學生依照學習單的步驟開啟一張影像，並且加 入一些點狀雜訊，然後再分別使用這三種方法來去除雜訊，讓學生比較不同方法 的效果，並且紀錄下其執行時間，然後比較其效率；第四個子任務學習目標為各
種真實雜訊的去除。讓學生依照學習單的步驟分別開啟幾張受到真實雜訊（例 如：磨損、指紋、電子雜訊）的影像，再讓學生自由使用三種去除雜訊的方法，
找出在不同雜訊下比較好的去除雜訊方法與參數。
其中，在第三個子任務時，學生除了要依照學習單的步驟操作實驗軟體之 外，還要將三種去除雜訊（配合不同遮罩）的處理效果及處理時間填入實驗單上 面的表格（如表3-1），然後再將三種處理方法的執行時間畫成曲線圖（如圖3-7）， 藉由視覺化的曲線趨勢，引導學生了解中間值法的執行時間會隨著遮罩維度變大 而快速增加。
表3-1 三種去除雜訊方法的處理時間與處理效果紀錄表 方法 處理時間(秒) 處理效果
均化處理 ３維 □很好 □好 □可 □差 □很差 均化處理 ５維 □很好 □好 □可 □差 □很差 均化處理 ７維 □很好 □好 □可 □差 □很差 高斯處理 ３維
Ｃ值：9 標準差：1 □很好 □好 □可 □差 □很差 高斯處理 ５維
Ｃ值：9 標準差：1 □很好 □好 □可 □差 □很差 高斯處理 ７維
Ｃ值：9 標準差：1 □很好 □好 □可 □差 □很差 中間值法 ３維 □很好 □好 □可 □差 □很差 中間值法 ５維 □很好 □好 □可 □差 □很差 中間值法 ７維 □很好 □好 □可 □差 □很差
學生在完成操作與紀錄工作之後，還要回答關於此子任務的六個問題，藉由 這些問題的引導，讓學生歸納出這個子任務所要傳達的幾個重要概念。例如：均 化處理與高斯處理除了去除雜訊的效果外，還會產生柔化的效果（問題一）；以
時間 ( 秒
)
請把執行時間曲線 畫在下圖中。均化 處理以藍色表示，
高斯處理以黑色表 示，中間值法以紅 色表示。
維度 3 5 7 9 11
圖3-7 三種去除雜訊方法的處理時間曲線紀錄圖
點狀雜訊而言，中間值法的效果會比較好（問題二）；若去除雜訊的效果越好，
則處理過後的直方圖會越接近原直方圖（問題三）；遮罩的維度越大，並不能保 証去除雜訊的效果會越好（問題四）；均化處理的遮罩最簡單，不需大量計算，
因此執行速度會最快（問題五）；中間值法因為需要將資料排序，因此當維度變 大時，會最耗時。
而在單元三最後的綜合問題方面則有四題。藉由這些問題來引導學生回想從 整個實驗單元所學習到的心得。例如：均化處理的特性為處理速度快、去除點狀 雜訊效果不太好及附帶有柔化的效果（問題一）；高斯處理的特性為遮罩中心的 權重（weight）最大、處理速度中等、去除點狀雜訊效果不太好及附帶有柔化的 效果（問題二）；中間值法的特性為用排序後的中間值決定像素值、維度變大後 處理速度最慢及去除點狀雜訊效果不錯等等（問題三）。而問題四則希望學生整 理出其他心得。
四、控制組學習單
控制組學生所使用的影像處理學習單是研究者針對直方圖與像素值轉換對 照圖、降階與二元化、雜訊的去除、邊界偵測等四個子主題單元的課堂討論活動 所設計（見附錄三之一至附錄三之四）。每一個單元的討論活動由數個問題所組 成，由教師以問題引導學生共同討論，引導問題的題目則與實驗組大同小異，以 確保兩組有相同的授課內容。而在每個單元的最後，還會有單元綜合問題，引導 學生回想整個單元所學習到的心得。
五、影像處理成就測驗卷
為了評量受測學生是否達到影像處理原理教學的學習效果，因此實驗組與控 制組的學生在教學活動後，都必須填寫影像處理成就測驗卷（見附錄五）。成就 測驗卷共有二大題，第一大題為是非題，共有二十四題，第二大題為配合題，共 有十題。測驗卷內容涵蓋影像組成與影像處理基本概念、直方圖與像素值轉換對 照圖、降階與二元化、雜訊的去除、邊界偵測等五個部份的重要概念。
成就測驗的信度採 Cronbach α的內部一致性（internal consistency）分析，
整份測驗得到的α值為.765。而測驗的效度則採專家效度，經影像處理專家及二 位高中電腦教師給予意見後修訂。
六、影像處理教學問卷
影像處理教學問卷（見附錄六）的主要目的在瞭解實驗組的學生對於本次實 驗活動、實驗軟體及實驗學習單的看法。問卷的問題包括封閉式與開放式兩種，
封閉式問題主要在瞭解實驗活動的價值、實驗軟體的價值及實驗動實施情形；而 開放式問題，主要在瞭解學生對整個活動的意見。問卷中第一題至第二十八題為 封閉式問題，而第二十九題至第三十二題屬於開放式問題。問卷內容包括：
第一至八題：瞭解學生學習影像處理的經驗。
第九至十八題：課堂講解與課程的價值。
第十九至二十八題：實驗活動與實驗軟體的價值。
第二十九題：瞭解學生對授課內容的意見。
第三十至三十一題：瞭解學生對聽講與做實驗的意見。
第三十二題：瞭解學生對整個實驗活動的意見。
七、教師晤談紀錄
教師晤談分三個階段進行：在教學實驗前、教學實驗進行中及教學實驗後。
教學實驗前的晤談目的在達成上課內容及上課方式的共識，並針對實施上的細節 進行討論。教學實驗進行中的晤談目的在了解實驗進行的狀況及學生的反應。而 教學實驗後的晤談則是在所有教學課程結束後，針對學生的學習成效及問卷分析 的初步結果進行討論。
第五節 實施程序
教學實驗的實施程序如圖 3-8 所示。實驗總共實施六週，每週上一堂課，每 堂課五十分鐘。第一堂課為影像處理簡介，第二到第五堂課為四個子主題單元的 教學，第六堂課為成就測驗及填寫教學問卷。
影像處理簡介
（50 分鍾）
教師講解該子主題單元 基本概念
（15 分鍾）
圖3-8 實驗的實施程序流程圖
四個單元共四次
實驗組 配合影像處理實驗 學習單操作影像處
理實驗軟體
（35 分鍾）
控制組 使用控制組學習單
討論
（35 分鍾）
成就測驗（30 分鍾）
教學問卷（20 分鐘）
第六節 資料分析
資料分析包括影像處理成就測驗卷及影像處理教學問卷兩部份。影像處理成 就的資料分析採單因子共變數分析處理。共變數分析中，以實驗處理（學生接受 傳統講述法教學或以實驗策略進行教學）作為自變項，影像處理成就測驗得分為 依變項，並以學生高一時的電腦課總成績作為共變量。共變數分析以二步驟進 行：（1）組內迴歸係數同質性考驗，（2）共變數分析。首先對各組進行組內同質 性考驗，若符合迴歸係數同質性，則進行共變數分析。以上分析皆以α=.05 為顯 著水準。
在影像處理教學問卷的結果分析部份，其封閉式問題以百分比方式分析，而 開放式問題則以綜合歸納方式整理。
