DSP數字圖像處理案例教學改革與實踐

李大湘邱鑫趙小強

[摘 要]針對DSP圖像處理理論性與實踐性都很強的特點，在教學過程中建立了圖像處理案例庫，且以“中值濾波”為例，詳細描述了案例教學改革思路及案例教學應用模式。每個案例均由算法引入、基本原理、算法步驟、流程圖、DSP代碼分析與上機試驗等5個主體部分組成，通過對案例的學習與實驗，學生不但能夠掌握DSP及圖像處理的理論知識，而且還能培養學生的編程能力，達到理論與實踐相結合的教學目的。

[關鍵詞]數字圖像處理；案例教學改革；數字信號處理器（DSP）

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）02-0052-03

引言

近年來，隨著超大規模集成電路技術和工藝水平的飛速發展，以高速數字信號處理器（digital signal processor， DSP）為平臺的實時數字圖像處理系統迅速發展，且廣泛應用于視頻監控、智能交通系統、圖像傳輸、圖像編解碼、圖像通信、醫學圖像和遙感圖像處理等系統。[1]所以，學習與掌握DSP原理及數字圖像處理技術是自動控制、電子與通信工程、信號與信息處理及電子類專業學生的學習基本要求，也是自動化技術高技能人才必須具備的基本技能。[2]

在DSP數字圖像處理相關課程教學中輔以案例教學，主要是針對當前“DSP原理及應用”教材與數字圖像處理相脫離的問題，設計的案例均基于DSP硬件平臺，以圖像處理為應用目標，對案例所涉及的圖像處理算法原理、編程步驟和DSP編程進行詳細講解。在案例教學過程中，以學生為中心，以案例為基礎，將理論與實踐緊密結合，引導學生去發現問題、分析問題、解決問題，從而培養學生的實踐能力，推進大學專業課程教學模式改革，促進教學與實踐有機融合。[3]

一、案例教學改革思路

在案例教學題材的選擇與設計過程中，貫徹“工學結合、任務驅動、項目導向”的課程教學模式，結合授課教師在DSP圖像處理系統的開發經驗，以實用案例為主線，介紹基于DSP的圖像處理算法原理與編程方法，在注重系統性、科學性的基礎上，更要突出實用性與可操作性，其宗旨在于培養學生基于DSP的編程與實踐能力。[4]

每個案例均單獨組織成一個完整的教學與實踐內容，由算法引入、基本原理、算法步驟、流程圖、DSP代碼分析與上機試驗等5個主體部分組成，學生通過理論學習和上機試驗，使其不但能夠掌握DSP的基本知識，而且能夠掌握圖像處理算法的基本原理與編程方法，培養學生DSP圖像處理算法設計與系統開發能力，達到理論與實踐相結合的教學目的，從而培養學生的動手能力，激發學生的學習興趣。[5] [6]

二、案例教學應用模式

以我院64學時DSP數字圖像處理技術課程教學為例，其教學內容分二大部分：①DSP基本原理（32學時），該部分將詳細地講授DSP硬件原理、指令系統、編程方法等基礎知識；②圖像處理實例（32學時），該部分采用案例教學方式，每個案例將詳細地講授一個以DSP為核心的圖像處理實例，包括算法原理、編程方法與上機實驗等內容，具有較強的實用性與指導性。

下面有“中值濾波”為例，來描述一下案例教學的應用模式：

（一）原理講解

中值濾波是由圖基（Turky）在1971年提出的，中值濾波的基本原理是把數字圖像或數字序列中每個點的值都用該點某鄰域內各值的“中值”來代替[5]，即：

（x，y）=|g（s，t）| （1）

因為中值濾波對很多類型的隨機噪聲，均具有優秀的去噪能力，則在圖像平滑中使用非常普遍，特別是處理椒鹽噪聲（黑白點）非常有效。顯然，要掌握中值濾波原理，首先要理解中值的定義與計算方法：

設x，x，…，x為一組序列，先把其按大小排列為： x≤x≤x≤…≤x，則該序列的中值y定義為：

y=Med{xx…x}

設{x，（i，j）}∈I2表示二維的數字圖像，若要對其進行中值濾波，先定義濾波窗口A，則x點的中值為：

y={x} =Med{x（j+r）* （j+s），（r，s）∈A，i，j，∈I2} （3）

其中濾波窗口A通常選為3×3，5×5的鄰域，可以取方形，也可以取近似圓形或十字形[5]。以5×5窗口為例，常見的鄰域形狀如圖1（A）方形、（B）菱形及 （C）十字形所示：

（A）方形 （B）菱形 （C）十字形

如圖2所示，是一個3×3的濾波窗口的中值濾波示意圖。以像素（2，3）這個點為中心，選取一個3×3的窗口，就是要對9個數排序，取第5個數替代原來的像素值。模版中的灰度值依次為{2，1，4，2，2，3，7，6，8}，排序后新的灰度值為{1，2，2，2，3，4，6，7，8}，第五個數3為排序后的中值，用3取代原來的中心值2，完成中值濾波過程。

最后，中值濾波算法編程步驟總結如下：

Setp1：選擇一個（2n+1）×（2n+1）的窗口（通常為3×3或5×5），并用該窗口沿圖像數據進行行或列方向的移位滑動；

Setp2：每次移動后，對窗內的諸像素灰度值進行排序；

Setp 3：用排序所得中值替代窗口中心位置的原始像素灰度值。

（二）編程實驗

讓學生根據上課PPT原理講解與案例上機指導手冊，啟動CCS，建立DSP項目文件，對相關案例進行編程與實驗，且觀察分析實驗結果，首先，讓學生以濾波窗為例，基于以下中值濾波子程序接口定義，編寫基本的中值濾波子程序。

void MedianFilter //中值濾波子程序

（ unsigned char *F， //原始圖像

unsigned char *G， //中值濾波后圖像

int cols， int rows //圖像寬度與高度

）

然后，通過以下方法運行程序且查看相關試驗結果[5]：

（1）編譯、鏈接程序：執行菜單“Rebuild All”，若沒有語法錯誤。則編譯后將在Debug目錄中產生MedianFilter.out文件。

（2）加載程序：執行File/Load Program，選擇MedianFilter.out并打開，即將可執行文件加載到DSP軟件仿真器simulator中，此時CCS將自動打開一個反匯編窗口。

（3）將圖像的數據從dat文件讀入到內存：執行File/data/load，將原始圖像數據從Data160x160.dat （說明：*.dat格式，內部存放了某圖像各像素的灰度值）文件中加載入到數據存儲器。

（4）運行程序：執行Debug/Run。為了便于觀看試驗前后的結果，可以在程序中設置斷點，采用單步執行的方法運行程序。

（5）顯示噪聲圖像：執行View/Graph/ Image，在彈出的對話框中按圖3所示方法設置相關參數，則原噪聲圖像顯示如圖4（A）所示。

（6）顯示中值濾波之后的圖像：執行View/Graph/Image，在彈出的對話框中采用類似于按圖3所示方法設置相關參數，則中值濾波之后的圖像顯示如圖4（B）所示。

（A）原噪聲圖像 （B）中值濾波后圖像

（7）程序編譯過程中若有錯誤，根據CCS給出的錯誤提示進行修改。

（三）拓展編程

針對每個案例，給學生指出一條拓展思路，讓學生自己動手編寫新程序，提高編程能力；在中值濾波案例中，其拓展編程任務是：參考上課PPT，編寫通用的中值濾波圖像平滑子函數，即：

void MedianFilter_R

（ unsigned char *F， //帶有噪聲的原圖像

unsigned char *G， //中值濾波后的新圖像

int cols， int rows， // 圖像寬度與高度

int R //鄰域半徑

）

要求：①編寫通用的中值濾波子程序，就是將鄰域半徑R為作子函數的參數，在調用時，可隨意設置；②改變半徑R的值，分別用帶有椒鹽與高斯噪聲的圖像，進行比對實驗。

（四）提交報告

實驗后學生對算法原理、操作步驟與實驗結果進行分析總結，提交實驗報告。

三、教學效果

在DSP數字圖像處理技術教學過程中，通過對DSP基本原理及8個圖像處理案例的學習和實驗，學生不但能夠掌握DSP的硬件原理，而且還能夠掌握圖像處理算法原理與編程方法，使學生具備DSP知識和直接從事DSP圖像處理系統開發的基本技能，幫助學生理論與實踐相結合、培養編程動手能力與項目開發能力。教學效果體現為：①增強了學生對DSP的興趣，提高了學生學習的主動性與積極性；②提高了學生的編程與實踐能力。

四、結束語

本文針對DSP數字圖像處理技術課程具有理論性與實踐性都很強的特點，在教學過程中建立了彩色圖像灰底度化、圖像平滑、圖像銳化、中值濾波、灰度變換、直方圖均衡化、邊緣檢測及圖像分割等8個案例庫，并以“中值濾波”為例，詳細描述了案例教學改革思路及案例教學應用模式，通過本案例的建設與教學，達到的目標有：①為DSP圖像處理課程實驗教學，提供素材；②學生通過對案例庫的學習與實踐，培養學生的編程動手能力；③在后續案例庫擴建中，利于將團隊的科研成果應用于教學。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王超.《DSP原理及應用》課程開放式教學模式探索[J].產業與科技論壇，2017，16（9）：201-202.

[2] 顏健毅.基于PBL教學法的DSP原理及應用課程改革探索[J].大學教育，2017，80（5）：51-53.

[3] 王培容，曹陽.DSP技術及應用課程教學改革研究[J].電腦知識，2016，12（6）：158-159.

[4] 何金保，駱再飛，諸葛霞.基于“翻轉課堂”的DSP課程的教學方法改革[J].大眾科技，2016，18（2）：131-132.

[5] 趙小強，李大湘，白本督.DSP原理及圖像處理應用[M]，人民郵電出版社，2013.

[6] 王子赟.以實踐為導向探索《DSP原理技術及應用》課程實驗教學改革[J].教育教學論壇，2017，6（2）：265-267.

[責任編輯：黃緊德]