图像改造算法的实现

2006年第23卷第4期微电子学与计算机45图像改造算法的实现李淀乔永强贺骊黄巾(西安微电子技术研究所,陕西西安710075)摘要:针对图像改造算法原理的介绍和分析,提出了利用软件井行处理多个硬件加速设备的实现方式,通过硬件加速整个系统的速度有极大的提高,而管理调度软件则可以并行处理多个硬件加速设备实验表明,多台设备间具有相当高的运行效率,同时这种实现方式作为一种方法,也可以为其他领域的数据处理提供参考。关键词:匹配区,拟合曲面中图法分类号:TP3016文献标识码:A文章编号:1000-7180(2006)04-04503Realization Based on Improved algorithm of the ImageLI Dian, QIAO Yong-qiang, HE Li, HUANG Jin(Xi'an Microelectronic Technology Research Institute, Xian 710075 China)Abstract: In this article, the principle of the improved image algorithm is presented. It puts forward a scheme based onconcurrent transacting muti-hardware speedup devices controled by software The whole system speed improves greatlya muti-hardware speedup devices. And muti-hardware speedup devices can parallel process by the supesoftware. The experiments indicate that they have high working efficiency. It is also a reference to the processing ofdrawings and maps of other scopes systemKey words: Matching band, Fitting surface patch1引言21图像改造数学模型随着信息电子化的发展,计算机图像处理变得设发慰机功率输出为P,当它以效率为1的无越来越重要。如何对搜集到的大量信息数据进行有方向性天线把电波传到与之距离为R的目标点A效、精确而可靠的处理,成为计算机图像处理的一时,如图1所示,点A上的辐射功率密度为:项重要研究课题。本文介绍的就是一种用于精确定S=P/4R2 [w/mI位和快速反应的图像改造算法及其实现。法2图像改造原理数字图像的原始数据来自于航空摄影胶片或卫星摄影胶片,它是根据航空摄影测量原理,使用空中两个摄点对同一地面拍摄的两张有一定重叠度的胶片,用它们的重叠部分组成摄影测量的立体图1模型示意图像对来确定地面采样点的坐标和海拔高。实际应用如果用定向天线代替无方向性天线,则点A处时的基本设备是高度表它与以光学摄影为基础的的辐射功率密度会因天线在该方向的功率增益G(0地形测量存在原理上的差异,从而导致两者测量结的不同而变化,0为从发射机到A点的波束偏离主果存在较大差异,对图像匹配定位概率、定位置信波束的角度,当主波束垂直水平面时,也即为从发度等指标造成影响。数字图像改造的目的就是根据射机市上王需的夹角高度表的测量原理,尽量使数字图像的原始数据向中国煤化工高度表的测量结果靠拢,增加两者的吻合程度,提CNMH心,则在单位面积高地形匹配定位概率和定位精度。5上截获的辐射能量是:收稿日期:2005-07-28Pr=PG(0)/4R [wI微电子学与计算机2006年第23卷第4期设高度表到面积s的入射余角为B,从单位面式(8)中的系数通过最小二乘法计算求得积s沿原路辐射回的能量为PP()。当高度表接收在确定该拟合区间的二维曲面表达式后,将拟天线与发射天线同极化时,高度表接收天线处的回合区间中央50m×50m面积平均划分为5×5个散射波功率密度为:单元,每个散射单元的大小为10m×10m,利用各散S, =PG(0P0)/(4R w/m1(4)射单元中心点对应的几何参数按式(7)计算该散射被接收天线接收的回波功率P可简单地表示单元反射到接收机的回波。为接收天线处的功率密度乘以天线的有效截获面222拟合模型2积A,。此模型在1km×1km计算范围内以25m×25m根据天线理论,有效截获面积和天线增益的关为间隔等距离划分40×40个网格,分别以这些网格系为:的顶点来拟合一个二维曲面,拟合后二维曲面表达A=G, A/4T [ml(5)式的形式为:λ为发射机发射波波长,G反射功率增益。因z=a+bx+cy+dxytex'+2此,接收机接收到单位面积s的反射功率(假设接收式(9)中的系数可通过最小二乘法计算求得。效率为1)为:在确定该拟合区间的二维曲面表达式后,将拟P=SA,=PG(GA2P(6)(4m)R[w](6)合区间25m×25m面积平均划分为2x2个散射单当接收天线与发射天线相同时,G,=G(元,每个散射单元大小为125m×125m,如图3所P=SA,=PG{A2P6)/(4m}Re4{o](7)示,利用各散射单元中心点对应的几何参数按式22匹配区地形模型(7)计算该散射单元反射到接收机的回波。原始的图像数据是用真实地形图以25m×25m间隔采样得到的数字地形图。在回波计算时,选取以物体正下方位置最接近的网格点为中心的网格曲面拟合点周围约1 kmxI km为散射计算范围,采用两种计算模型分别计算散射回波,根据计算出的散射回波散射单元计算出这些能量到达接收机的时间,以及高度表与中心点地面的距离。图3模型2的拟合区间2.2.1拟合模型1如图2所示,此模型在1kmx1km的计算范围23图像高度统计模型内以50m×50m为间隔等距离选取21×21个网格根据匹配区地形模型,我们可以得到各散射单点分别用以这些网格点为中心,100m×10m的范元中心点对应的几何参数,它们是:中心点到信号围内的25个网格点来拟合一个二维曲面,拟合后发射机的距离、信号方向角和信号入射余角1。二维曲面表达式的形式为:由这些参数,则可以求出各散射单元对应的反射能=a+bxtcy+dxy8)量以及这些能量到达接收机的时间,这样我们就能够得到接收机处所接受能量和时间的对应关系,如图4所示。拟合间P=∑P()s()有效散射散射奶思翻时间关系中国煤化工CNMHG波前沿下覆盖总面积x凹吗用它模拟计算高度表到地面的测量距离d。图2模型1的拟合区间2006年第23卷第4期微电子学与计算机473系统级实现法在C++ Builder5环境下编译与在VC环境下相比3,1PCI硬件板设计速度要慢很多,因此在C下把算法部分用动态连项目开始之前,对源程序进行了深人分析,在接库打包后,从C++ Builder5中对其进行调用。由于不改变原算法约束的前提下,通过对运算流程的调C++ Builder友好的用户操作接口,釆用C++ Builder5整、运算方法的优化、软硬件结构的有效划分等方为界面环境设计,整个系统的速度,运算精度都比面对源程序进行调整,最大可能地增加图像的处理较理想速度,减小设计难度实验结果显示,用M(M1)台有硬件加速设备对源程序的全部计算进行了仔细划分,在参数的机器同时运行所用时间基本上是单独用单台机估计、天线增益计算和回波统计环节提取出了占全器运行所花时间的1M,花费在网络传输的时间几部运算时间90%的关键运算,并对其硬件实现的方乎可以忽略不计,多台机器运行效率达到96%以式进行分析、设计,确定了算法中的硬化点,选用了上大容量的FPGA方案来加速关键部分的计算。硬件系统设计框图如图5所示。按目前初步仿真的结4结束语果,可以将这部分处理时间压缩到原来的18左右通过运用上述算法和硬件加速设备,经验证,对一幅500×500点图像在30分钟内可处理完成。比采用纯软件的原算法在速度上提高了至少8倍,电平256KFPGA极大的提高了图像处理系统的运行效率。如果采用接32bit这样的同种系统进行多路并行,那么速度将会有质SRAM的飞跃,这对于图像处理系统来说无疑是一个优良的性能。作为一种方法,对于在其他领域的数据处图5硬件系统设计框图理也有一定的借鉴作用32系统调度软件、人机交互系统软件设计在软件上,可以控制多个这样的硬件系统。通参考文献过任务划分和调度,可以检测到装有硬件加速设备[]褚振勇,菊木云,FPCA设计及应用西安电子科技大学的计算机,可以自动对系统中的多台有硬件加速的出版社,200设备进行管理,根据系统中装有硬件加速卡的计算边境.一种多光谱图像和全色图像融合算法微电子学与计算机,2005,22(:5-7机的数目和机器自身的速度自动地对原始图像进[3]张慧娟,周利华,翟鸿鸣. Windows环境下的设备驱动程行分配,并行处理。序设计.西安电子科技大学出版社,2002进一步分析可知,在Vc6 Debug和vc6Re-4王丽亚纹理图像的特征提取和分类微电子学与计算lease编译环境下,运行同一程序在时间上会有所差机,2005,2():96-98别,Deug版比 Release版慢时间一般差一倍左右。B]夏字闻. Verilog数字系统设计教程.北京航空航天大学我们先后在vc60、 VC. NET和C++ Builder5等环境出版社,2003下进行过测试,发现在VC下运算速度较快,改造算李淀男,(1968-),硕土研究生。研究方向为计算机应用。中国煤化工CNMHG