高校DSP數(shù)字視頻處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

摘要：介紹了在高校進(jìn)行DSP數(shù)字視頻處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)情況，對(duì)以學(xué)生為主體、充分調(diào)動(dòng)其主動(dòng)性和積極性的教學(xué)方法進(jìn)行了總結(jié)，詳細(xì)介紹了它的具體內(nèi)容、實(shí)施方式，指出該方法的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及教學(xué)效果，并提出了今后的改進(jìn)方向。
關(guān)鍵詞：DSP；數(shù)字視頻處理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

    DSP(Digital Signal Processor)是一種獨(dú)特的微處理器，是專門處理數(shù)字信號(hào)的器件。它不僅具有可編程性，而且可執(zhí)行每秒數(shù)千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP的這些特點(diǎn)使得它在數(shù)據(jù)
量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)字視頻處理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 高校開設(shè)DSP數(shù)字視頻處理課程的必要性
    目前，在高校電子信息類專業(yè)中開設(shè)DSP數(shù)字視頻處理實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著數(shù)字電子產(chǎn)品的普及以及數(shù)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(yùn)行和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，且變得越來越重要。做為電子信息類的大學(xué)生，應(yīng)該掌握基本的數(shù)字視頻處理技術(shù)，而用DSP做為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具無疑是一個(gè)理想的選擇。

2 高校開展DSP視頻處理實(shí)驗(yàn)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)院開展數(shù)字視頻處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，簡(jiǎn)要介紹相關(guān)情況。
2．1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介
    天津科技大學(xué)采用TI公司的TMS320DM642 DSP數(shù)字處理芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該芯片通過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(kuò)展連接器上。
    該數(shù)字視頻處理系統(tǒng)主要包括EMIF、SDRAM、Flash寄存器、UART端口等，按照數(shù)據(jù)的流向，各部件功能如下：首先，輸入的標(biāo)準(zhǔn)PAL模擬電視信號(hào)經(jīng)TVP5150A轉(zhuǎn)換為數(shù)字并行信號(hào)BT656，之后進(jìn)入DM642視頻接口，碼流信號(hào)在這里被處理為圖像數(shù)據(jù)后自動(dòng)通過EDMA傳輸?shù)絊DRAM中存儲(chǔ)，DSP的CPU根據(jù)用戶編制的算法對(duì)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為BT656碼流并送入輸出視頻接口，SAA7105負(fù)責(zé)將碼流轉(zhuǎn)換為PAL制式模擬電視信號(hào)輸出。
2．2 實(shí)驗(yàn)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(hào)處理類主干課程之后，即開始進(jìn)行數(shù)字視頻處理的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，前者主要講授視頻處理的理論知識(shí)、相關(guān)軟件硬件和最新的發(fā)展動(dòng)向等，后者主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。
    鑒于DSP數(shù)字視頻處理技術(shù)的復(fù)雜性，該學(xué)院在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用由易到難、由點(diǎn)及面、理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，以期讓學(xué)生在盡量短的時(shí)間內(nèi)能夠循序漸進(jìn)初步理解DSP的基本原理、視頻數(shù)據(jù)處理的基本流程、主要的外設(shè)功能、軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)簡(jiǎn)單的軟件編制技能。
    實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)的基本流程，相關(guān)硬件的功能、參數(shù)和接口特征以及配套軟件的加載、運(yùn)行；第二階段，使學(xué)生能熟練運(yùn)用軟件平臺(tái)提供的基本類庫和API函數(shù)，完成攝像頭的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)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(guī)模視頻處理程序。
2．3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果
    從教學(xué)實(shí)踐上看，學(xué)生掌握DSP數(shù)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(diào)配合的關(guān)系較為復(fù)雜。此外，TMS320DM642上層的驅(qū)動(dòng)程序和API函數(shù)數(shù)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語言運(yùn)用能力，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了較高的要求?？陀^來講，在有限的課堂教學(xué)中讓學(xué)生全盤掌握DSP數(shù)字視頻處理技術(shù)的所有內(nèi)容顯然是不現(xiàn)實(shí)的，較為可行的辦法是從最有普遍性和代表性的知識(shí)點(diǎn)入手，由易到難，先讓學(xué)生能夠運(yùn)用有限的知識(shí)實(shí)現(xiàn)一定的功能，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣，打好基礎(chǔ)，為他們繼續(xù)深入研究創(chuàng)造可能。
    為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，電子信息與自動(dòng)化學(xué)院在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中把講與練有機(jī)結(jié)合起來，做到邊練邊講、講中有練。以第二階段為例，教師打破常規(guī)模式，讓學(xué)生閱讀DSP的使用說明，然后自己動(dòng)手進(jìn)行簡(jiǎn)單視頻處理系統(tǒng)的搭建，經(jīng)過一定時(shí)間的摸索后，教師總結(jié)學(xué)生遇到的問題，然后開始集中講解，這樣就避免了學(xué)生因?yàn)槿鄙俑行哉J(rèn)識(shí)而不能深刻理解教學(xué)內(nèi)容情況的出現(xiàn)，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(xiàng)目開發(fā)，提目標(biāo)，訂任務(wù)，放手讓學(xué)生大膽思考、自主實(shí)踐，然后針對(duì)難點(diǎn)個(gè)別指導(dǎo)，有的放矢。遇到問題時(shí)，教師也不去包辦解決，他們引導(dǎo)學(xué)生使用諸如斷點(diǎn)分析這樣的方法自己查找錯(cuò)誤。通過這些努力，學(xué)生應(yīng)用DSP進(jìn)行數(shù)字視頻處理的水平在較短的時(shí)間內(nèi)得到了明顯的提升。
    當(dāng)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(shè)計(jì)了很多個(gè)性鮮明的視頻處理程序，其中，“陰陽人”的小程序較為典型。該學(xué)生將課堂上練習(xí)過的視頻取反程序加以改進(jìn)，與逐行掃描的思路結(jié)合，改變以往取反程序設(shè)計(jì)時(shí)常用的整體處理的思路，采用逐行處理的方法，在畫面上切割出的不同區(qū)域里分別顯示正?；叶扰c取反灰度，實(shí)現(xiàn)了“陰陽人”的效果，如圖1所示。運(yùn)行速度快、實(shí)時(shí)效果好、占用資源少。

    實(shí)踐證明，對(duì)DSP數(shù)字視頻處理這樣的實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來說，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)腦分析問題、解決問題的教學(xué)方式方法，才能調(diào)動(dòng)他們的積極性，提高他們的學(xué)習(xí)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(nèi)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(shè)計(jì)和調(diào)試的復(fù)雜性因操作人水平和能力的不同而差異巨大。對(duì)教學(xué)來講，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(shí)。這就需要對(duì)教學(xué)內(nèi)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(nèi)容。
    (2)開展個(gè)性化教學(xué)。不同基礎(chǔ)和資質(zhì)的學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握速度和理解程度并不統(tǒng)一。因此，在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)他們個(gè)體的不同進(jìn)行興趣小組的劃分，輔以相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，滿足各自的求知欲望。