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DSP数字图像处理案例教学改革和实践
［摘 要］针对DSP图像处理理论性与实践性都很强的特点,在教学过程中建立了图像处理案例库,且以“中值滤波”为例,详细描述了案例教学改革思路及案例教学应用模式.每个案例均由算法引入、基本原理、算法步骤、流程图、DSP代码分析与上机试验等5个主体部分组成,通过对案例的学习与实验,学生不但能够掌握DSP及图像处理的理论知识,而且还能培养学生的编程能力,达到理论与实践相结合的教学目的.
［关键词］数字图像处理;案例教学改革；数字信号处理器（DSP）
［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2018）02-0052-03
引言
近年来,随着超大规模集成电路技术和工艺水平的飞速发展,以高速数字信号处理器（digital signal processor, DSP）为平台的实时数字图像处理系统迅速发展,且广泛应用于视频监控、智能交通系统、图像传输、图像编解码、图像通信、医学图像和遥感图像处理等系统.[1]所以,学习与掌握DSP原理及数字图像处理技术是自动控制、电子与通信工程、信号与信息处理及电子类专业学生的学习基本要求,也是自动化技术高技能人才必须具备的基本技能.[2]
在DSP数字图像处理相关课程教学中辅以案例教学,主要是针对当前“DSP原理及应用”教材与数字图像处理相脱离的问题,设计的案例均基于DSP硬件平台,以图像处理为应用目标,对案例所涉及的图像处理算法原理、编程步骤和DSP编程进行详细讲解.在案例教学过程中,以学生为中心,以案例为基础,将理论与实践紧密结合,引导学生去发现问题、分析问题、解决问题,从而培养学生的实践能力,推进大学专业课程教学模式改革,促进教学与实践有机融合.[3]
一、案例教学改革思路
在案例教学题材的选择与设计过程中,贯彻“工学结合、任务驱动、项目导向”的课程教学模式,结合授课教师在DSP图像处理系统的开发经验,以实用案例为主线,介绍基于DSP的图像处理算法原理与编程方法,在注重系统性、科学性的基础上,更要突出实用性与可操作性,其宗旨在于培养学生基于DSP的编程与实践能力.[4]
每个案例均单独组织成一个完整的教学与实践内容,由算法引入、基本原理、算法步骤、流程图、DSP代码分析与上机试验等5个主体部分组成,学生通过理论学习和上机试验,使其不但能够掌握DSP的基本知识,而且能够掌握图像处理算法的基本原理与编程方法,培养学生DSP图像处理算法设计与系统开发能力,达到理论与实践相结合的教学目的,从而培养学生的动手能力,激发学生的学习兴趣.[5] [6]
二、案例教学应用模式
以我院64学时DSP数字图像处理技术课程教学为例,其教学内容分二大部分：①DSP基本原理（32学时）,该部分将详细地讲授DSP硬件原理、指令系统、编程方法等基础知识；②图像处理实例（32学时）,该部分采用案例教学方式,每个案例将详细地讲授一个以DSP为核心的图像处理实例,包括算法原理、编程方法与上机实验等内容,具有较强的实用性与指导性.
下面有“中值滤波”为例,来描述一下案例教学的应用模式：
（一）原理讲解
中值滤波是由图基（Turky）在1971年提出的,中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中每个点的值都用该点某邻域内各值的“中值”来代替[5],即：
■（x,y）等于■|g（s,t）| （1）
因为中值滤波对很多类型的随机噪声,均具有优秀的去噪能力,则在图像平滑中使用非常普遍,特别是处理椒盐噪声（黑白点）非常有效.显然,要掌握中值滤波原理,首先要理解中值的定义与计算方法：
设x■,x■,…,x■为一组序列,先把其按大小排列为： x■≤x■≤x■≤…≤x■,则该序列的中值y定义为：
y等于Med{x■x■…x■}
■
设｛x■,（i,j）｝∈I2表示二维的数字图像,若要对其进行中值滤波,先定义滤波窗口A,则x■点的中值为:
y■等于■｛x■｝ ＝Med｛x（j+r）* （j+s）,（r,s）∈Ａ,i,j,∈I2｝ （3）
其中滤波窗口A通常选为3×3,5×5的邻域,可以取方形,也可以取近似圆形或十字形[5].以5×5窗口为例,常见的邻域形状如图1（A）方形、（B）菱形及 （C）十字形所示：
■
（A）方形 （B）菱形 （C）十字形
图1 中值滤波邻域窗口三种形状示意图
如图2所示,是一个3×3的滤波窗口的中值滤波示意图.以像素（2,3）这个点为中心,选取一个3×3的窗口,就是要对9个数排序,取第5个数替代原来的像素值.模版中的灰度值依次为｛2,1,4,2,2,3,7,6,8｝,排序后新的灰度值为｛1,2,2,2,3,4,6,7,8｝,第五个数3为排序后的中值,用3取代原来的中心值2,完成中值滤波过程.
■
图2 二维中值滤波流程示意图
最后,中值滤波算法编程步骤总结如下：
Setp1：选择一个（2n+1）×（2n+1）的窗口（通常为3×3或5×5）,并用该窗口沿图像数据进行行或列方向的移位滑动；
Setp2：每次移动后,对窗内的诸像素灰度值进行排序；
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）编程实验
让学生根据上课PPT原理讲解与案例上机指导手册,启动CCS,建立DSP项目文件,对相关案例进行编程与实验,且观察分析实验结果,首先,让学生以滤波窗为例,基于以下中值滤波子程序接口定义,编写基本的中值滤波子程序.
void MedianFilter
//中值滤波子程序
（ unsigned char *F, //原始图像
unsigned char *G, //中值滤波后图像
int cols, int rows
//图像宽度与高度
）
然后,通过以下方法运行程序且查看相关试验结果[5]：
（1）编译、链接程序：执行菜单“Rebuild All”,若没有语法错误.则编译后将在Debug目录中产生MedianFilter.out文件.
（2）加载程序：执行File/Load Program,选择MedianFilter.out并打开,即将可执行文件加载到DSP软件仿真器simulator中,此时CCS将自动打开一个反汇编窗口.
（3）将图像的数据从dat文件读入到内存：执行File/data/load,将原始图像数据从Data160x160.dat （说明：*.dat格式,内部存放了某图像各像素的灰度值）文件中加载入到数据存储器.
（4）运行程序：执行Debug/Run.为了便于观看试验前后的结果,可以在程序中设置断点,采用单步执行的方法运行程序.
（5）显示噪声图像：执行View/Graph/ Image,在弹出的对话框中按图3所示方法设置相关参数,则原噪声图像显示如图4（A）所示.
■
图3 显示原噪声图像参数设置方法
（6）显示中值滤波之后的图像：执行View/Graph/Image,在弹出的对话框中采用类似于按图3所示方法设置相关参数,则中值滤波之后的图像显示如图4（B）所示.
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（A）原噪声图像
（B）中值滤波后图像
图4 中值滤波前后图像效果对比
（7）程序编译过程中若有错误,根据CCS给出的错误提示进行修改.
（三）拓展编程
针对每个案例,给学生指出一条拓展思路,让学生自己动手编写新程序,提高编程能力；在中值滤波案例中,其拓展编程任务是：参考上课PPT,编写通用的中值滤波图像平滑子函数,即：
void MedianFilter_R
（ unsigned char *F, //带有噪声的原图像
unsigned char *G, //中值滤波后的新图像
int cols, int rows,
// 图像宽度与高度
int R
//邻域半径
）
要求：①编写通用的中值滤波子程序,就是将邻域半径R为作子函数的参数,在调用时,可随意设置；②改变半径R的值,分别用带有椒盐与高斯噪声的图像,进行比对实验.
（四）提交报告
实验后学生对算法原理、操作步骤与实验结果进行分析总结,提交实验报告.
三、教学效果
在DSP数字图像处理技术教学过程中,通过对DSP基本原理及8个图像处理案例的学习和实验,学生不但能够掌握DSP的硬件原理,而且还能够掌握图像处理算法原理与编程方法,使学生具备DSP知识和直接从事DSP图像处理系统开发的基本技能,帮助学生理论与实践相结合、培养编程动手能力与项目开发能力.教学效果体现为：①增强了学生对DSP的兴趣,提高了学生学习的主动性与积极性；②提高了学生的编程与实践能力.
四、结束语
本文针对DSP数字图像处理技术课程具有理论性与实践性都很强的特点,在教学过程中建立了彩像灰底度化、图像平滑、图像锐化、中值滤波、灰度变换、直方图均衡化、边缘检测及图像分割等8个案例库,并以“中值滤波”为例,详细描述了案例教学改革思路及案例教学应用模式,通过本案例的建设与教学,达到的目标有：①为DSP图像处理课程实验教学,提供素材；②学生通过对案例库的学习与实践,培养学生的编程动手能力；③在后续案例库扩建中,利于将团队的科研成果应用于教学.
［ 参 考 文 献 ］
［1］ 王超.《DSP原理及应用》课程开放式教学模式探索［J］.产业与科技论坛,2017,16（9）:201-202.
［2］ 颜健毅.基于PBL教学法的DSP原理及应用课程改革探索［J］.大学教育,2017,80（5）:51-53.
［3］ 王培容,曹阳.DSP技术及应用课程教学改革研究［J］.电脑知识,2016,12（6）:158-159.
［4］ 何金保,骆再飞,诸葛霞.基于“翻转课堂”的DSP课程的教学方法改革［J］.大众科技,2016,18（2）:131-132.
［5］ 赵小强,李大湘,白本督.DSP原理及图像处理应用［M］,人民邮电出版社,2013.
［6］ 王子赟.以实践为导向探索《DSP原理技术及应用》课程实验教学改革［J］.教育教学论坛,2017,6（2）:265-267.
［责任编辑：黄紧德］
教学改革论文范文结:
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