DSP數(shù)字圖像處理案例教學(xué)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(xué)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(xué)改革思路及案例教學(xué)應(yīng)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(xué)習(xí)與實驗，學(xué)生不但能夠掌握DSP及圖像處理的理論知識，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，達到理論與實踐相結(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(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)字信號處理器（digital signal processor， DSP）為平臺的實時數(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)是自動控制、電子與通信工程、信號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題，設(shè)計的案例均基于DSP硬件平臺，以圖像處理為應(yīng)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(xué)過程中，以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，將理論與實踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，推進大學(xué)專業(yè)課程教學(xué)模式改革，促進教學(xué)與實踐有機融合。[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)計過程中，貫徹“工學(xué)結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動、項目導(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，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(tǒng)性、科學(xué)性的基礎(chǔ)上，更要突出實用性與可操作性，其宗旨在于培養(yǎng)學(xué)生基于DSP的編程與實踐能力。[4]

每個案例均單獨組織成一個完整的教學(xué)與實踐內(nèi)容，由算法引入、基本原理、算法步驟、流程圖、DSP代碼分析與上機試驗等5個主體部分組成，學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)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(yǎng)學(xué)生DSP圖像處理算法設(shè)計與系統(tǒng)開發(fā)能力，達到理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)目的，從而培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，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），該部分將詳細地講授DSP硬件原理、指令系統(tǒng)、編程方法等基礎(chǔ)知識；②圖像處理實例（32學(xué)時），該部分采用案例教學(xué)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(nèi)容，具有較強的實用性與指導(dǎo)性。

下面有“中值濾波”為例，來描述一下案例教學(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)字序列中每個點的值都用該點某鄰域內(nèi)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(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）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(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(shù)排序，取第5個數(shù)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(shù)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(jié)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(shù)據(jù)進行行或列方向的移位滑動；

Setp2：每次移動后，對窗內(nèi)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(xué)生根據(jù)上課PPT原理講解與案例上機指導(dǎo)手冊，啟動CCS，建立DSP項目文件，對相關(guān)案例進行編程與實驗，且觀察分析實驗結(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，通過以下方法運行程序且查看相關(guān)試驗結(jié)果[5]：

（1）編譯、鏈接程序：執(zhí)行菜單“Rebuild All”，若沒有語法錯誤。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CCS將自動打開一個反匯編窗口。

（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)存儲器。

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

（5）顯示噪聲圖像：執(zhí)行View/Graph/ Image，在彈出的對話框中按圖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）程序編譯過程中若有錯誤，根據(jù)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(xué)生指出一條拓展思路，讓學(xué)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(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，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，進行比對實驗。

（四）提交報告

實驗后學(xué)生對算法原理、操作步驟與實驗結(jié)果進行分析總結(jié)，提交實驗報告。

三、教學(xué)效果

在DSP數(shù)字圖像處理技術(shù)教學(xué)過程中，通過對DSP基本原理及8個圖像處理案例的學(xué)習(xí)和實驗，學(xué)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(xué)生具備DSP知識和直接從事DSP圖像處理系統(tǒng)開發(fā)的基本技能，幫助學(xué)生理論與實踐相結(jié)合、培養(yǎng)編程動手能力與項目開發(fā)能力。教學(xué)效果體現(xiàn)為：①增強了學(xué)生對DSP的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性；②提高了學(xué)生的編程與實踐能力。

四、結(jié)束語

本文針對DSP數(shù)字圖像處理技術(shù)課程具有理論性與實踐性都很強的特點，在教學(xué)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(xué)改革思路及案例教學(xué)應(yīng)用模式，通過本案例的建設(shè)與教學(xué)，達到的目標有：①為DSP圖像處理課程實驗教學(xué)，提供素材；②學(xué)生通過對案例庫的學(xué)習(xí)與實踐，培養(yǎng)學(xué)生的編程動手能力；③在后續(xù)案例庫擴建中，利于將團隊的科研成果應(yīng)用于教學(xué)。

[ 參 考 文 獻 ]

[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.DSP技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)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(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，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.以實踐為導(dǎo)向探索《DSP原理技術(shù)及應(yīng)用》課程實驗教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2017，6（2）：265-267.

[責(zé)任編輯：黃緊德]