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        DSP數(shù)字圖像處理案例教學(xué)改革與實(shí)踐

        2018-03-26 09:32:00李大湘邱鑫趙小強(qiáng)
        大學(xué)教育 2018年2期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像處理

        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]

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