基于多DSP的在線可重構(gòu)數(shù)字圖像并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引 言

　　隨著多媒體圖像處理應(yīng)用的迅速發(fā)展，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)靈活、處理能力強(qiáng)的嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面都有越來(lái)越廣泛的需求。實(shí)時(shí)性高、計(jì)算復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大是圖像處理系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)。并行計(jì)算是提高處理速度最有效的技術(shù)之一，圖像并行處理技術(shù)為提高圖像處理效率提供了廣闊的空間。圖像并行處理包括并行算法和多處理器并行硬件系統(tǒng)，圖像處理并行算法的執(zhí)行效率依賴于多處理器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。通常，一種并行結(jié)構(gòu)只適合于一類并行算法的映射。

　　20世紀(jì)90年代至今，圖像并行處理技術(shù)一直是圖像處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。參考文獻(xiàn)分別對(duì)并行處理結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探討，提出了流水結(jié)構(gòu)、分列并行等很有價(jià)值的硬件并行結(jié)構(gòu)框架。目前，圖像并行處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題可以概括為兩個(gè)方面：

　?、賵D像并行處理硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中圖像處理結(jié)構(gòu)的開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高;

　?、诿嫦驁D像處理算法的硬件結(jié)構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致圖像處理平臺(tái)的可重用性差，調(diào)整、擴(kuò)展和升級(jí)困難。

　　本文構(gòu)建的可重構(gòu)并行計(jì)算系統(tǒng)可以通過(guò)配置可重構(gòu)處理單元來(lái)滿足不同應(yīng)用的計(jì)算要求。這樣的系統(tǒng)使圖像處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與圖像處理的算法設(shè)計(jì)分離，具有很高的性能并且結(jié)構(gòu)靈活，能大大提高圖像處理并行算法的執(zhí)行效率和加速比。

　　1 傳統(tǒng)圖像并行處理技術(shù)

　　1.1 圖像并行處理系統(tǒng)概述

　　目前，用于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的高速器件主要是DSP和FPGA。處理核心的合理選用是影響并行系統(tǒng)處理能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　并行處理的目的是通過(guò)采用多個(gè)處理單元同時(shí)處理輸入信息來(lái)縮短任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。在任務(wù)和算法確定的情況下，Amdahl定律可表明：加速比與任務(wù)并行度和處理單元個(gè)數(shù)密切相關(guān)。在任務(wù)并行度一定的情況下，增加處理單元所獲得的加速比有一個(gè)極限值，任務(wù)的并行度制約著并行處理機(jī)的性能。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，還必須考慮各個(gè)處理單元之間的數(shù)據(jù)交換和同步時(shí)間。由于比串行程序執(zhí)行增加了數(shù)據(jù)通信和同步等待等開銷，因此當(dāng)加速比Sp

　　如圖1所示，在增加處理單元和任務(wù)細(xì)粒度化的同時(shí)將帶來(lái)總通信量的增加，影響了Sp的增加并導(dǎo)致Eff呈下降趨勢(shì)。

　　1.2 并行計(jì)算硬件體系結(jié)構(gòu)

　　并行計(jì)算處理單元之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大致可分為2種：一種是共享總線或共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)，稱為“緊耦合式并行系統(tǒng)”，如圖2所示;另一種是各處理單元有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而通過(guò)通信口相連的分布式并行系統(tǒng)，稱為“松耦合式系統(tǒng)”，如圖3所示。

　　兩種并行計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的比較如表1所列。

　　1.3 并行算法到并行結(jié)構(gòu)的映射

　　一個(gè)任務(wù)要在多處理機(jī)系統(tǒng)上得到處理，首先必須將其分解成一些子任務(wù)，再由多處理系統(tǒng)中的各處理機(jī)分別處理這些子任務(wù)，協(xié)同完成該任務(wù)。如圖4所示，并行算法在并行硬件系統(tǒng)上的應(yīng)用是一個(gè)映射過(guò)程。一類并行算法依賴于適合的并行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)才能高效率地運(yùn)行。

　　導(dǎo)致并行算法與并行結(jié)構(gòu)不匹配的原因主要有2個(gè)：一是欲把一個(gè)系統(tǒng)上開發(fā)的并行算法用于另一個(gè)系統(tǒng)上;二是由于問(wèn)題內(nèi)在的并行性，使并行算法與并行結(jié)構(gòu)不匹配。

　　常用圖像處理算法的特點(diǎn)及適用的并行處理結(jié)構(gòu)分析如表2所列。

　　綜上所述，傳統(tǒng)的共享總線系統(tǒng)與分布式并行系統(tǒng)分別適用于不同的圖像并行處理算法。分布式并行系統(tǒng)的不同連接方式之間也有較大的差異。并行算法的高效率運(yùn)行依賴于并行硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支持，某種硬件結(jié)構(gòu)只適合一類并行算法。一般情況，一個(gè)圖像處理任務(wù)是多個(gè)算法的集合，并行系統(tǒng)單靠某種固定結(jié)構(gòu)無(wú)法適應(yīng)所有的并行算法，這就給圖像處理系統(tǒng)帶來(lái)了問(wèn)題。當(dāng)并行硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適合并行算法時(shí)，系統(tǒng)的性能和算法執(zhí)行效率都會(huì)受到影響，需要對(duì)并行硬件結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)和完善。

　　2 可重構(gòu)數(shù)字圖像并行處理系統(tǒng)

　　2.1 可重構(gòu)處理系統(tǒng)的組成

　　可重構(gòu)計(jì)算是指基于可改變(可動(dòng)態(tài)改變)的硬件，以硬件適應(yīng)算法(即可重構(gòu)特性)、硬件定制和硬件并行的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算。可重構(gòu)處理系統(tǒng)結(jié)合了可重構(gòu)硬件處理單元和軟件可編程處理器，系統(tǒng)允許對(duì)可重構(gòu)處理單元進(jìn)行配置以滿足不同應(yīng)用的具體計(jì)算要求。

　　如圖5所示，可重構(gòu)處理系統(tǒng)的組成基本相同，即通用處理器(陣列)、可重構(gòu)資源(陣列)、存儲(chǔ)器(陣列)、公用存儲(chǔ)器、系統(tǒng)接口等。面向圖像處理的可重構(gòu)系統(tǒng)在器件選用上通用處理器可采用適合圖像處理的高性能DSP陣列。

　　2.2 可重構(gòu)數(shù)字圖像并行處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　可重構(gòu)數(shù)字圖像并行處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　①FPGA內(nèi)部的邏輯功能可以在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)重載，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多DSP之間拓?fù)涞撵`活改變以適應(yīng)各種并行算法的需求，使算法執(zhí)行效率達(dá)到最高。靜態(tài)重構(gòu)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)使系統(tǒng)相比傳統(tǒng)固定系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性。

　　②系統(tǒng)的“多DSP+FPGA”結(jié)構(gòu)能將系統(tǒng)任務(wù)劃分成適合FPGA處理的低層信號(hào)處理和圖像預(yù)處理部分及適合DSP處理的算法，便于發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì);且FPGA可通過(guò)軟件適應(yīng)不同時(shí)序格式的數(shù)字圖像，使得系統(tǒng)具有很高的性能和靈活性。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

　　3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　基于TI公司C6000系列DSP和Xilinx公司Spartan一3系列FPGA，構(gòu)建基于圖像的點(diǎn)源目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)在線可重構(gòu)數(shù)字圖像并行處理系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和性能進(jìn)行驗(yàn)證。