DSP數(shù)字圖像處理案例教學(xué)改革與實(shí)踐

李大湘邱鑫趙小強(qiáng)

[摘 要]針對(duì)DSP圖像處理理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中建立了圖像處理案例庫(kù)，且以“中值濾波”為例，詳細(xì)描述了案例教學(xué)改革思路及案例教學(xué)應(yīng)用模式。每個(gè)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(jī)試驗(yàn)等5個(gè)主體部分組成，通過(guò)對(duì)案例的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不但能夠掌握DSP及圖像處理的理論知識(shí)，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目的。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字圖像處理；案例教學(xué)改革；數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）02-0052-03

引言

近年來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和工藝水平的飛速發(fā)展，以高速數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor， DSP）為平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)迅速發(fā)展，且廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、圖像傳輸、圖像編解碼、圖像通信、醫(yī)學(xué)圖像和遙感圖像處理等系統(tǒng)。[1]所以，學(xué)習(xí)與掌握DSP原理及數(shù)字圖像處理技術(shù)是自動(dòng)控制、電子與通信工程、信號(hào)與信息處理及電子類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)基本要求，也是自動(dòng)化技術(shù)高技能人才必須具備的基本技能。[2]

在DSP數(shù)字圖像處理相關(guān)課程教學(xué)中輔以案例教學(xué)，主要是針對(duì)當(dāng)前“DSP原理及應(yīng)用”教材與數(shù)字圖像處理相脫離的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的案例均基于DSP硬件平臺(tái)，以圖像處理為應(yīng)用目標(biāo)，對(duì)案例所涉及的圖像處理算法原理、編程步驟和DSP編程進(jìn)行詳細(xì)講解。在案例教學(xué)過(guò)程中，以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，推進(jìn)大學(xué)專業(yè)課程教學(xué)模式改革，促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)融合。[3]

一、案例教學(xué)改革思路

在案例教學(xué)題材的選擇與設(shè)計(jì)過(guò)程中，貫徹“工學(xué)結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向”的課程教學(xué)模式，結(jié)合授課教師在DSP圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)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(tǒng)性、科學(xué)性的基礎(chǔ)上，更要突出實(shí)用性與可操作性，其宗旨在于培養(yǎng)學(xué)生基于DSP的編程與實(shí)踐能力。[4]

每個(gè)案例均單獨(dú)組織成一個(gè)完整的教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)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(jī)試驗(yàn)等5個(gè)主體部分組成，學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)和上機(jī)試驗(yàn)，使其不但能夠掌握DSP的基本知識(shí)，而且能夠掌握?qǐng)D像處理算法的基本原理與編程方法，培養(yǎng)學(xué)生DSP圖像處理算法設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開發(fā)能力，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目的，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。[5] [6]

二、案例教學(xué)應(yīng)用模式

以我院64學(xué)時(shí)DSP數(shù)字圖像處理技術(shù)課程教學(xué)為例，其教學(xué)內(nèi)容分二大部分：①DSP基本原理（32學(xué)時(shí)），該部分將詳細(xì)地講授DSP硬件原理、指令系統(tǒng)、編程方法等基礎(chǔ)知識(shí)；②圖像處理實(shí)例（32學(xué)時(shí)），該部分采用案例教學(xué)方式，每個(gè)案例將詳細(xì)地講授一個(gè)以DSP為核心的圖像處理實(shí)例，包括算法原理、編程方法與上機(jī)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的實(shí)用性與指導(dǎo)性。

下面有“中值濾波”為例，來(lái)描述一下案例教學(xué)的應(yīng)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(shù)字圖像或數(shù)字序列中每個(gè)點(diǎn)的值都用該點(diǎn)某鄰域內(nèi)各值的“中值”來(lái)代替[5]，即：

（x，y）=|g（s，t）| （1）

因?yàn)橹兄禐V波對(duì)很多類型的隨機(jī)噪聲，均具有優(yōu)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(diǎn)）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(jì)算方法：

設(shè)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(shè){x，（i，j）}∈I2表示二維的數(shù)字圖像，若要對(duì)其進(jìn)行中值濾波，先定義濾波窗口A，則x點(diǎn)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(jiàn)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(gè)3×3的濾波窗口的中值濾波示意圖。以像素（2，3）這個(gè)點(diǎn)為中心，選取一個(gè)3×3的窗口，就是要對(duì)9個(gè)數(shù)排序，取第5個(gè)數(shù)替代原來(lái)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(gè)數(shù)3為排序后的中值，用3取代原來(lái)的中心值2，完成中值濾波過(guò)程。

最后，中值濾波算法編程步驟總結(jié)如下：

Setp1：選擇一個(gè)（2n+1）×（2n+1）的窗口（通常為3×3或5×5），并用該窗口沿圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行行或列方向的移位滑動(dòng)；

Setp2：每次移動(dòng)后，對(duì)窗內(nèi)的諸像素灰度值進(jìn)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(shí)驗(yàn)

讓學(xué)生根據(jù)上課PPT原理講解與案例上機(jī)指導(dǎo)手冊(cè)，啟動(dòng)CCS，建立DSP項(xiàng)目文件，對(duì)相關(guān)案例進(jìn)行編程與實(shí)驗(yàn)，且觀察分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先，讓學(xué)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(guò)以下方法運(yùn)行程序且查看相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果[5]：

（1）編譯、鏈接程序：執(zhí)行菜單“Rebuild All”，若沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤。則編譯后將在Debug目錄中產(chǎn)生MedianFilter.out文件。

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

（3）將圖像的數(shù)據(jù)從dat文件讀入到內(nèi)存：執(zhí)行File/data/load，將原始圖像數(shù)據(jù)從Data160x160.dat （說(shuō)明：*.dat格式，內(nèi)部存放了某圖像各像素的灰度值）文件中加載入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

（4）運(yùn)行程序：執(zhí)行Debug/Run。為了便于觀看試驗(yàn)前后的結(jié)果，可以在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，采用單步執(zhí)行的方法運(yùn)行程序。

（5）顯示噪聲圖像：執(zhí)行View/Graph/ Image，在彈出的對(duì)話框中按圖3所示方法設(shè)置相關(guān)參數(shù)，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(zhí)行View/Graph/Image，在彈出的對(duì)話框中采用類似于按圖3所示方法設(shè)置相關(guān)參數(shù)，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(guò)程中若有錯(cuò)誤，根據(jù)CCS給出的錯(cuò)誤提示進(jìn)行修改。

（三）拓展編程

針對(duì)每個(gè)案例，給學(xué)生指出一條拓展思路，讓學(xué)生自己動(dòng)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(wù)是：參考上課PPT，編寫通用的中值濾波圖像平滑子函數(shù)，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(shù)的參數(shù)，在調(diào)用時(shí)，可隨意設(shè)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(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

（四）提交報(bào)告

實(shí)驗(yàn)后學(xué)生對(duì)算法原理、操作步驟與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

三、教學(xué)效果

在DSP數(shù)字圖像處理技術(shù)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)DSP基本原理及8個(gè)圖像處理案例的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不但能夠掌握DSP的硬件原理，而且還能夠掌握?qǐng)D像處理算法原理與編程方法，使學(xué)生具備DSP知識(shí)和直接從事DSP圖像處理系統(tǒng)開發(fā)的基本技能，幫助學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合、培養(yǎng)編程動(dòng)手能力與項(xiàng)目開發(fā)能力。教學(xué)效果體現(xiàn)為：①增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)DSP的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性；②提高了學(xué)生的編程與實(shí)踐能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)DSP數(shù)字圖像處理技術(shù)課程具有理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)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(cè)及圖像分割等8個(gè)案例庫(kù)，并以“中值濾波”為例，詳細(xì)描述了案例教學(xué)改革思路及案例教學(xué)應(yīng)用模式，通過(guò)本案例的建設(shè)與教學(xué)，達(dá)到的目標(biāo)有：①為DSP圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提供素材；②學(xué)生通過(guò)對(duì)案例庫(kù)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的編程動(dòng)手能力；③在后續(xù)案例庫(kù)擴(kuò)建中，利于將團(tuán)隊(duì)的科研成果應(yīng)用于教學(xué)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王超.《DSP原理及應(yīng)用》課程開放式教學(xué)模式探索[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017，16（9）：201-202.

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

[3] 王培容，曹陽(yáng).DSP技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革研究[J].電腦知識(shí)，2016，12（6）：158-159.

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

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

[6] 王子赟.以實(shí)踐為導(dǎo)向探索《DSP原理技術(shù)及應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2017，6（2）：265-267.

[責(zé)任編輯：黃緊德]