高校DSP数字视频处理实验教学初探

摘要：介绍了在高校进行DSP数字视频处理实验教学的相关情况，对以学生为主体、充分调动其主动性和积极性的教学方法进行了总结，详细介绍了它的具体内容、实施方式，指出该方法的特点、优势及教学效果，并提出了今后的改进方向。
关键词：DSP；数字视频处理；实验教学

    DSP(Digital Signal Processor)是一种独特的微处理器，是专门处理数字信号的器件。它不仅具有可编程性，而且可执行每秒数千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。DSP的这些特点使得它在数据
量大，实时性强的数字视频处理方面具有明显的优势。

1 高校开设DSP数字视频处理课程的必要性
    目前，在高校电子信息类专业中开设DSP数字视频处理实验课程已经成为一种趋势，这是因为随着数字电子产品的普及以及数字移动通信技术的迅速发展，视频处理已经融入了工业生产、社会运行和日常生活的各个领域，且变得越来越重要。做为电子信息类的大学生，应该掌握基本的数字视频处理技术，而用DSP做为实验教学的工具无疑是一个理想的选择。

2 高校开展DSP视频处理实验教学的基本情况
   本文以天津科技大学电子信息与自动化学院开展数字视频处理的实验教学为例，简要介绍相关情况。
2．1 实验平台简介
    天津科技大学采用TI公司的TMS320DM642 DSP数字处理芯片进行实验教学，该芯片通过64bit的EMIF接口或8／16bit的3路视频接口与外界连接，视频解码器和视频编码器均连接于视频端口和扩展连接器上。
    该数字视频处理系统主要包括EMIF、SDRAM、Flash寄存器、UART端口等，按照数据的流向，各部件功能如下：首先，输入的标准PAL模拟电视信号经TVP5150A转换为数字并行信号BT656，之后进入DM642视频接口，码流信号在这里被处理为图像数据后自动通过EDMA传输到SDRAM中存储，DSP的CPU根据用户编制的算法对SDRAM中的信息进行处理后将其送入输出缓冲SDRAM，之后EDMA将其中的数据转为BT656码流并送入输出视频接口，SAA7105负责将码流转换为PAL制式模拟电视信号输出。
2．2 实验教学的基本情况
    天津科技大学电子信息与自动化学院教师在教授完信号处理类主干课程之后，即开始进行数字视频处理的课堂教学和实验教学，前者主要讲授视频处理的理论知识、相关软件硬件和最新的发展动向等，后者主要培养学生的动手实践能力。
    鉴于DSP数字视频处理技术的复杂性，该学院在实验教学中采用由易到难、由点及面、理论与实践相结合的方法，以期让学生在尽量短的时间内能够循序渐进初步理解DSP的基本原理、视频数据处理的基本流程、主要的外设功能、软件平台的结构，并在此基础上培养简单的软件编制技能。
    实验教学大体可分为4个阶段，第一阶段，让学生熟悉DSP处理视频数据的基本流程，相关硬件的功能、参数和接口特征以及配套软件的加载、运行；第二阶段，使学生能熟练运用软件平台提供的基本类库和API函数，完成摄像头的驱动、数据流的抓取、信息的获得和视频的实时显示；第三阶段，让学生实践一些视频处理的基本例程并进行深入思考；第四阶段，启发学生发挥个人想象力自主编制小规模视频处理程序。
2．3 实验教学的效果
    从教学实践上看，学生掌握DSP数字视频处理技术的热情虽然较高，但遇到的困难也很大，主要原因在于DSP涉及的底层硬件较多，彼此协调配合的关系较为复杂。此外，TMS320DM642上层的驱动程序和API函数数目也很多，显得较为凌乱。加之视频处理程序的编制需要较高的C语言运用能力，因此对实验教学提出了较高的要求。客观来讲，在有限的课堂教学中让学生全盘掌握DSP数字视频处理技术的所有内容显然是不现实的，较为可行的办法是从最有普遍性和代表性的知识点入手，由易到难，先让学生能够运用有限的知识实现一定的功能，培养他们的学习兴趣，打好基础，为他们继续深入研究创造可能。
    为了调动学生学习的积极性，电子信息与自动化学院在实验教学中把讲与练有机结合起来，做到边练边讲、讲中有练。以第二阶段为例，教师打破常规模式，让学生阅读DSP的使用说明，然后自己动手进行简单视频处理系统的搭建，经过一定时间的摸索后，教师总结学生遇到的问题，然后开始集中讲解，这样就避免了学生因为缺少感性认识而不能深刻理解教学内容情况的出现，大大提高了教学效果。此外，教师不照本宣科，而是模拟实际项目开发，提目标，订任务，放手让学生大胆思考、自主实践，然后针对难点个别指导，有的放矢。遇到问题时，教师也不去包办解决，他们引导学生使用诸如断点分析这样的方法自己查找错误。通过这些努力，学生应用DSP进行数字视频处理的水平在较短的时间内得到了明显的提升。
    当教学进入第四阶段后，许多功底扎实又富有创意的学生自主设计了很多个性鲜明的视频处理程序，其中，“阴阳人”的小程序较为典型。该学生将课堂上练习过的视频取反程序加以改进，与逐行扫描的思路结合，改变以往取反程序设计时常用的整体处理的思路，采用逐行处理的方法，在画面上切割出的不同区域里分别显示正常灰度与取反灰度，实现了“阴阳人”的效果，如图1所示。运行速度快、实时效果好、占用资源少。

    实践证明，对DSP数字视频处理这样的实践性很强的课程来说，只有确定学生能动的主体地位，制定有利于学生自主动脑分析问题、解决问题的教学方式方法，才能调动他们的积极性，提高他们的学习效率，取得较好的效果。

3 改进的方向
    今后的改进方向包括：
    (1)深入提炼教学内容。用DSP进行视频处理具有很高的灵活性和伸缩度，其程序设计和调试的复杂性因操作人水平和能力的不同而差异巨大。对教学来讲，需要在教学深度和学生接受程度之间做进一步的平衡，尽量让学生能够接触更深层次的知识。这就需要对教学内容进行深入挖掘，提炼一批既有一定技术深度、又易于学生上手掌握的内容。
    (2)开展个性化教学。不同基础和资质的学生对知识的掌握速度和理解程度并不统一。因此，在今后的实验教学中应该根据他们个体的不同进行兴趣小组的划分，辅以相应的教学内容，满足各自的求知欲望。