基于Matlab的数字电视原理实验教学研究

任瑞治, 顾玲嘉

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

0 引 言

随数字压缩、 图像处理及数字传输技术和网络技术的不断突破, 电视广播进入了从模拟电视向数字电视、 从标准清晰度电视向高清晰度电视的全面过渡时期。目前, 电视数字化的进程明显加快, 电视会议、 数字电视及高清晰度电视等新技术正迅速走向人们的生活[1,2]。从2015年起, 我国的模拟电视信号节目已逐步被数字电视信号节目取代, 数字电视时代已经到来[3]。

为使学生初步掌握数字电视技术, 紧跟时代和技术发展的步伐, 电视原理课程的教学内容改革是非常必要的。该门课程的教学内容应该由模、 数并重转变为数字为主。

数字电视系统是将模拟电视信号转换为数字电视信号进行传输、 接收、 处理、 存储、 记录和控制的系统, 完全不同于模拟电视系统[4]。

数字电视系统比模拟电视系统更复杂, 实验教学设备的价格也较昂贵, 所以数字电视课程往往以理论学习居多, 没有与理论课非常匹配的实验教学系统。目前, 市售的一些教学设备, 也存在诸多缺点与不足, 大多数的设备以演示实验为主, 学生无法了解数字电视信号处理的细节与算法, 使理论和实际存在很大的差距, 教学效果不理想[5,6]。

电视原理是吉林大学电子科学与工程学院电子信息工程专业的专业必修课程, 针对教学需求, 笔者以Matlab软件为开发环境, 建设了数字电视原理实验教学平台, 该平台可帮助学生更好地理解数字电视图像及视频处理技术的原理和概念, 通过实验将理论知识与实际问题相结合, 有效锻炼了学生的动手能力和实践创新能力。

1 平台设计

1.1 Matlab编程环境介绍

Matlab是当今国际科学界最具影响力和活力的软件之一, 是一种以线性代数为基础发展起来的科学计算软件, 它具有强大的科学运算功能, 程序流程与界面设计简单灵活, 图形可视化, 具有语言接口功能。基于以下原因, 平台选择了Matlab软件作为开发软件。

1) Matlab是一种开放型的高级编程语言, 其优点是数据可视化、 人机交互界面友好、 程序指令简单易懂； 学生经过简单的学习即可进行程序设计[7]。

2) Matlab提供了图像处理工具箱, 学生可调用工具箱中的各种函数实现和优化图像处理算法, 提高编程效率[8]。

3) Matlab提供了图形用户界面, 简称为GUI(Graphical User Interface), 它是由窗口、 光标、 按键、 菜单和文字等图形控制对象构成的用户视窗, 图形控制对象有其对应的回调函数。学生可利用这些界面和回调函数与计算机之间进行信息交流[9]。

1.2 平台的主体结构

图1 实验平台体系结构Fig.1 Architecture of experimental platform

数字电视原理实验教学平台主体结构如图1所示。实验平台由6个模块组成： 数字电视图像处理基础知识模块、 数字彩色电视图像分解及合成模块、 数字电视彩色图像的灰度化模块、 数字电视彩色图像信息叠加模块、 数字电视标准彩条测试图像生成模块和数字电视图像帧内及帧间的预测模块。实验模块是实验平台的主体, 可根据需求扩充实验模块, 不断更新平台的教学内容。

1.3 实验模块

数字电视彩色图像分解、 合成、 信息叠加、 灰度化、 数字电视标准彩条测试图像生成、 数字电视图像帧内及帧间的预测等内容是电视原理课程中的重要部分, 并且这些技术已被广泛应用在数字电视信号传输、 接收、 处理、 存储、 记录和控制等环节。针对这些内容, 平台设计了数字电视图像处理基础知识、 数字彩色电视图像分解及合成、 数字电视彩色图像的灰度化. 数字电视彩色图像信息叠加模块、 数字电视标准彩条测试图像生成、 数字电视图像帧内及帧间的预测等6个基本模块, 包含了课程的知识重点； 平台采用了自上而下逐级设计的方法, 每个实验主模块分解成多个实验项目的子模块。图2和图3分别给出了数字电视彩色图像的灰度化模块、 数字电视图像帧内及帧间的预测模块的组成框图, 它们各自有2个和3个实验项目子模块构成, 即数字电视彩色图像的帧内预测、 帧间预测, 读取、 灰度化和灰度化后图像保存等实验项目(其他基本模块的组成框图限于篇幅, 不一一列出)。

图2 数字电视彩色图像的灰度化模块组成框图 图3 数字电视彩色图像帧内及帧间的预测模块组成框图 Fig.2 Composition diagram of digital television color image gray-scale module Fig.3 Composition diagram of digital television color image frame and inter prediction module

2 实验设计

数字电视实验教学平台的理论基础是数字电视原理和图像处理技术, 开发工具为Matlab软件, 平台的设计目的是帮助学生将理论知识与实践应用相结合。

2.1 实验的设计原则

1) 实验题目与理论知识紧密结合, 程序设计成为实践手段。

通过模块化的实验, 将电视原理课程的教学难点, 如数字电视信号的产生、 处理和压缩编码预测等内容和实际应用联系起来, 让学生经过学习理论、 提出算法、 编写程序实现、 结果验证等教学环节, 更加深入学习和理解数字电视的理论和概念。

2) 软件平台替代硬件设备, 程序设计实现设备功能。

目前, 教学过多依赖教学仪器厂家生产的实验设备, 实验项目中各类信息的处理均由仪器直接完成, 学生仅能对一些参数进行设置, 观察实验现象, 不能深入了解信息的处理过程以及相关算法, 实验教学无法将理论与实践有机地结合起来。为弥补该不足, 笔者设计的实验模块可让学生自己设计程序完成实验设备的演示功能, 例如数字电视标准彩条测试图像生成和数字电视图像帧内及帧间的预测等。

2.2 具体实验设计

笔者设计的数字电视原理实验教学平台紧密围绕数字电视图像处理技术2个方面, 即数字电视图像处理技术基础和图像和视频处理技术应用, 取材来自于吉林大学电子科学与工程学院《电视原理》课程教学内容, 实验类型包含验证性项目和设计类项目。平台项目分为6个模块, 每个模块中都有实验名称、 要求等提示信息, 并设置了功能按钮、 参数输入窗口和显示窗口。表1给出了该平台的6个模块, 涵盖了数字电视原理的基本教学内容： 1) 数字电视图像处理技术基础知识, 了解数字图像的格式, 掌握图像的读入、 修改及保存； 2) 数字电视图像处理技术应用, 能使用Matlab提供的图像处理工具, 按实验要求对数字电视图像和视频进行处理。

表1 实验平台中的实验模块

表1中各实验模块如下。

M1： 数字电视图像处理技术基础知识。数字电视图像处理基础模块主要应用Matlab软件环境调用图像处理工具箱进行编程, 实现数字电视图像或视频的读取、 显示、 图像信息提取和保存, 分别显示图像或视频的奇数场和偶数场。

M2： 数字彩色电视图像分解及合成。彩色电视图像采用的是RGB(Red, Green, Blue)颜色标准。彩色图像中的每个像素的颜色有R、G、B3个分量决定[10]。在该模块中, 让学生通过编程将数字电视彩色图像分解成R、G、B3个通道的图像显示, 还可利用其中的两个通道信息进行彩色图像合成, 通过观察不同的实验结果, 进一步加深学生对彩色空间和彩色图像的理解。

M3： 数字电视彩色图像的灰度化。彩色电视图像通过亮度式(1)进行灰度化处理后转换成灰度图像, 灰度图像可用来描述其整体或局部的色度、 亮度等级的特征与分布[11]。

Y=0.30R+0.59G+0.11B

(1)

其中Y为图像的灰度值, 即亮度值,R、G、B为红、 绿、 蓝3个通道。通过该模块的学习, 使学生掌握将彩色电视信号转为黑白电视信号的过程及原理。

M4： 数字电视彩色图像信息叠加。数字电视彩色图像与传统模拟电视彩色图像相比, 可实现图像及文字的叠加, 如字幕的添加。通过该模块的学习, 使学生掌握彩色电视图像叠加相应信息的处理方法。

M5： 数字电视标准彩条测试图像生成。电视广播中常用的标准彩条图像为白、 黄、 青、 绿、 紫、 红、 蓝、 黑8种彩条, 特点是左右对称的两种颜色互为补色, 即白与黑、 蓝与黄、 红与青、 绿与紫。每种基色的补色均可由其他两种基色相混(相加)而得, 标准彩条的亮度信号可根据式(1)计算[12]。通过本实验使学生可利用软件编程实现标准彩条测试图像, 得到彩条测试图像中R、G、B各信号的波形和亮度信号波形, 并在模块窗口中显示结果。

M6： 数字电视图像帧内及帧间的预测。帧内/帧间的预测是利用像素之间的相关性去除空间冗余和时间冗余。实验原理： 为当前编码块构造尽可能准确的预测块, 从而得到能量较小的残差块, 进而减少传输比特[13,14]。在该实验中, 学生编程实现图像帧内和帧间预测方法, 最终生成预测后的残差图像并在模块的窗口中显示结果。

3 平台实验案例

本节对模块M3的实验步骤进行了详细的阐述, 以此为例, 给出教学平台的使用方法。具体实验步骤如下。

1) 先将数字电视原理实验教学平台程序安装到计算机内, 然后进入程序文件夹, 点击TV_experimental.exe文件, 进入实验平台主界面, 点击数字电视彩色图象的灰度化, 进入该模块进行实验, 如图4所示。

图4 数字电视原理实验教学平台主界面Fig.4 Main interface of digital TV principle experimental teaching platform

2) 点击该模块左侧读取彩色图像或视频按钮, 会弹出对话框, 在该路径下的文件夹内选取实验所需的图像。将实验模块所需的视频和图像安装在平台设置的文件目录内, 文件名为图片, 如图5所示。

图5 数字电视彩色图像的灰度化图像选取Fig.5 Grayscale image selection of digital television color image

3) 根据式(1), 输入方程的参数, 点击彩色图像或视频灰度化按钮, 完成图像或视频的灰度化处理, 最后通过模块界面中的窗口观察实验结果, 如图6所示。

图6 数字电视彩色图像的灰度化模块实验结果Fig.6 Experimental results of digital TV color image grayscale module

4) 点击平台程序文件夹下的模块3源程序MOD3.m, 即可进入程序编辑界面, 读取或修改该实验模块的源程序, 保存后返回模块的主界面, 观察修改后的实验结果, 如图7所示。

图7 模块3程序编辑界面Fig.7 Program editing interface of module 3

4 结 语

笔者针对数字电视原理教学领域的需求, 基于Matlab软件开发建设了数字电视原理实验教学平台。详细探讨了实验平台的建设意义与必要性, 以及实验项目的设计原则, 并依次介绍了6个模块的实验内容。实验模块涵盖了数字电视原理技术的2个方面, 通过介绍具体模块的实验步骤, 说明了平台的使用方法。实验教学平台的建设为数字电视原理课程创造了新的教学手段, 满足了课程的教学需求, 弥补了实验教学设备的缺陷, 通过实际应用取得了较好的教学效果。