高校DSP數字視頻處理實(shí)驗教學(xué)初探

摘要：介紹了在高校進(jìn)行DSP數字視頻處理實(shí)驗教學(xué)的相關(guān)情況，對以學(xué)生為主體、充分調動(dòng)其主動(dòng)性和積極性的教學(xué)方法進(jìn)行了總結，詳細介紹了它的具體內容、實(shí)施方式，指出該方法的特點(diǎn)、優(yōu)勢及教學(xué)效果，并提出了今后的改進(jìn)方向。
關(guān)鍵詞：DSP；數字視頻處理；實(shí)驗教學(xué)

DSP(Digital Signal Processor)是一種獨特的微處理器，是專(zhuān)門(mén)處理數字信號的器件。它不僅具有可編程性，而且可執行每秒數千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP芯片的內部采用程序和數據分開(kāi)的哈佛結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。DSP的這些特點(diǎn)使得它在數據
量大，實(shí)時(shí)性強的數字視頻處理方面具有明顯的優(yōu)勢。

1 高校開(kāi)設DSP數字視頻處理課程的必要性
目前，在高校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設DSP數字視頻處理實(shí)驗課程已經(jīng)成為一種趨勢，這是因為隨著(zhù)數字電子產(chǎn)品的普及以及數字移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，視頻處理已經(jīng)融入了工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì )運行和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，且變得越來(lái)越重要。做為電子信息類(lèi)的大學(xué)生，應該掌握基本的數字視頻處理技術(shù)，而用DSP做為實(shí)驗教學(xué)的工具無(wú)疑是一個(gè)理想的選擇。

2 高校開(kāi)展DSP視頻處理實(shí)驗教學(xué)的基本情況
本文以天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院開(kāi)展數字視頻處理的實(shí)驗教學(xué)為例，簡(jiǎn)要介紹相關(guān)情況。
2．1 實(shí)驗平臺簡(jiǎn)介
天津科技大學(xué)采用TI公司的TMS320DM642 DSP數字處理芯片進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)，該芯片通過(guò)64bit的EMIF接口或8／16bit的3路視頻接口與外界連接，視頻解碼器和視頻編碼器均連接于視頻端口和擴展連接器上。
該數字視頻處理系統主要包括EMIF、SDRAM、Flash寄存器、UART端口等，按照數據的流向，各部件功能如下：首先，輸入的標準PAL模擬電視信號經(jīng)TVP5150A轉換為數字并行信號BT656，之后進(jìn)入DM642視頻接口，碼流信號在這里被處理為圖像數據后自動(dòng)通過(guò)EDMA傳輸到SDRAM中存儲，DSP的CPU根據用戶(hù)編制的算法對SDRAM中的信息進(jìn)行處理后將其送入輸出緩沖SDRAM，之后EDMA將其中的數據轉為BT656碼流并送入輸出視頻接口，SAA7105負責將碼流轉換為PAL制式模擬電視信號輸出。
2．2 實(shí)驗教學(xué)的基本情況
天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院教師在教授完信號處理類(lèi)主干課程之后，即開(kāi)始進(jìn)行數字視頻處理的課堂教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)，前者主要講授視頻處理的理論知識、相關(guān)軟件硬件和最新的發(fā)展動(dòng)向等，后者主要培養學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。
鑒于DSP數字視頻處理技術(shù)的復雜性，該學(xué)院在實(shí)驗教學(xué)中采用由易到難、由點(diǎn)及面、理論與實(shí)踐相結合的方法，以期讓學(xué)生在盡量短的時(shí)間內能夠循序漸進(jìn)初步理解DSP的基本原理、視頻數據處理的基本流程、主要的外設功能、軟件平臺的結構，并在此基礎上培養簡(jiǎn)單的軟件編制技能。
實(shí)驗教學(xué)大體可分為4個(gè)階段，第一階段，讓學(xué)生熟悉DSP處理視頻數據的基本流程，相關(guān)硬件的功能、參數和接口特征以及配套軟件的加載、運行；第二階段，使學(xué)生能熟練運用軟件平臺提供的基本類(lèi)庫和API函數，完成攝像頭的驅動(dòng)、數據流的抓取、信息的獲得和視頻的實(shí)時(shí)顯示；第三階段，讓學(xué)生實(shí)踐一些視頻處理的基本例程并進(jìn)行深入思考；第四階段，啟發(fā)學(xué)生發(fā)揮個(gè)人想象力自主編制小規模視頻處理程序。
2．3 實(shí)驗教學(xué)的效果
從教學(xué)實(shí)踐上看，學(xué)生掌握DSP數字視頻處理技術(shù)的熱情雖然較高，但遇到的困難也很大，主要原因在于DSP涉及的底層硬件較多，彼此協(xié)調配合的關(guān)系較為復雜。此外，TMS320DM642上層的驅動(dòng)程序和API函數數目也很多，顯得較為凌亂。加之視頻處理程序的編制需要較高的C語(yǔ)言運用能力，因此對實(shí)驗教學(xué)提出了較高的要求?？陀^(guān)來(lái)講，在有限的課堂教學(xué)中讓學(xué)生全盤(pán)掌握DSP數字視頻處理技術(shù)的所有內容顯然是不現實(shí)的，較為可行的辦法是從最有普遍性和代表性的知識點(diǎn)入手，由易到難，先讓學(xué)生能夠運用有限的知識實(shí)現一定的功能，培養他們的學(xué)習興趣，打好基礎，為他們繼續深入研究創(chuàng )造可能。
為了調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的積極性，電子信息與自動(dòng)化學(xué)院在實(shí)驗教學(xué)中把講與練有機結合起來(lái)，做到邊練邊講、講中有練。以第二階段為例，教師打破常規模式，讓學(xué)生閱讀DSP的使用說(shuō)明，然后自己動(dòng)手進(jìn)行簡(jiǎn)單視頻處理系統的搭建，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的摸索后，教師總結學(xué)生遇到的問(wèn)題，然后開(kāi)始集中講解，這樣就避免了學(xué)生因為缺少感性認識而不能深刻理解教學(xué)內容情況的出現，大大提高了教學(xué)效果。此外，教師不照本宣科，而是模擬實(shí)際項目開(kāi)發(fā)，提目標，訂任務(wù)，放手讓學(xué)生大膽思考、自主實(shí)踐，然后針對難點(diǎn)個(gè)別指導，有的放矢。遇到問(wèn)題時(shí)，教師也不去包辦解決，他們引導學(xué)生使用諸如斷點(diǎn)分析這樣的方法自己查找錯誤。通過(guò)這些努力，學(xué)生應用DSP進(jìn)行數字視頻處理的水平在較短的時(shí)間內得到了明顯的提升。
當教學(xué)進(jìn)入第四階段后，許多功底扎實(shí)又富有創(chuàng )意的學(xué)生自主設計了很多個(gè)性鮮明的視頻處理程序，其中，“陰陽(yáng)人”的小程序較為典型。該學(xué)生將課堂上練習過(guò)的視頻取反程序加以改進(jìn)，與逐行掃描的思路結合，改變以往取反程序設計時(shí)常用的整體處理的思路，采用逐行處理的方法，在畫(huà)面上切割出的不同區域里分別顯示正?；叶扰c取反灰度，實(shí)現了“陰陽(yáng)人”的效果，如圖1所示。運行速度快、實(shí)時(shí)效果好、占用資源少。

實(shí)踐證明，對DSP數字視頻處理這樣的實(shí)踐性很強的課程來(lái)說(shuō)，只有確定學(xué)生能動(dòng)的主體地位，制定有利于學(xué)生自主動(dòng)腦分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的教學(xué)方式方法，才能調動(dòng)他們的積極性，提高他們的學(xué)習效率，取得較好的效果。

3 改進(jìn)的方向
今后的改進(jìn)方向包括：
(1)深入提煉教學(xué)內容。用DSP進(jìn)行視頻處理具有很高的靈活性和伸縮度，其程序設計和調試的復雜性因操作人水平和能力的不同而差異巨大。對教學(xué)來(lái)講，需要在教學(xué)深度和學(xué)生接受程度之間做進(jìn)一步的平衡，盡量讓學(xué)生能夠接觸更深層次的知識。這就需要對教學(xué)內容進(jìn)行深入挖掘，提煉一批既有一定技術(shù)深度、又易于學(xué)生上手掌握的內容。
(2)開(kāi)展個(gè)性化教學(xué)。不同基礎和資質(zhì)的學(xué)生對知識的掌握速度和理解程度并不統一。因此，在今后的實(shí)驗教學(xué)中應該根據他們個(gè)體的不同進(jìn)行興趣小組的劃分，輔以相應的教學(xué)內容，滿(mǎn)足各自的求知欲望。