基于多DSP的在線(xiàn)可重構數字圖像并行處理系統設計

　　引 言

　　隨著(zhù)多媒體圖像處理應用的迅速發(fā)展，體積小、重量輕、結構靈活、處理能力強的嵌入式數字圖像處理系統在工業(yè)、醫學(xué)等方面都有越來(lái)越廣泛的需求。實(shí)時(shí)性高、計算復雜、數據量大是圖像處理系統面臨的重大挑戰。并行計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，圖像處理并行算法的執行效率依賴(lài)于多處理器系統的硬件結構。通常，一種并行結構只適合于一類(lèi)并行算法的映射。

　　20世紀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。參考文獻分別對并行處理結構及其實(shí)現方法進(jìn)行了探討，提出了流水結構、分列并行等很有價(jià)值的硬件并行結構框架。目前，圖像并行處理結構設計面臨的主要問(wèn)題可以概括為兩個(gè)方面：

　?、賵D像并行處理硬件結構復雜，在實(shí)際應用中圖像處理結構的開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、成本高;

　?、诿嫦驁D像處理算法的硬件結構針對性設計方法導致圖像處理平臺的可重用性差，調整、擴展和升級困難。

　　本文構建的可重構并行計算系統可以通過(guò)配置可重構處理單元來(lái)滿(mǎn)足不同應用的計算要求。這樣的系統使圖像處理結構設計與圖像處理的算法設計分離，具有很高的性能并且結構靈活，能大大提高圖像處理并行算法的執行效率和加速比。

　　1 傳統圖像并行處理技術(shù)

　　1.1 圖像并行處理系統概述

　　目前，用于嵌入式圖像處理系統的高速器件主要是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(zhù)并行處理機的性能。

　　在實(shí)際應用中，還必須考慮各個(gè)處理單元之間的數據交換和同步時(shí)間。由于比串行程序執行增加了數據通信和同步等待等開(kāi)銷(xiāo)，因此當加速比Sp

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

　　1.2 并行計算硬件體系結構

　　并行計算處理單元之間的網(wǎng)絡(luò )結構大致可分為2種：一種是共享總線(xiàn)或共享存儲器系統，稱(chēng)為“緊耦合式并行系統”，如圖2所示;另一種是各處理單元有獨立的數據存儲器而通過(guò)通信口相連的分布式并行系統，稱(chēng)為“松耦合式系統”，如圖3所示。

　　兩種并行計算體系結構的比較如表1所列。

　　1.3 并行算法到并行結構的映射

　　一個(gè)任務(wù)要在多處理機系統上得到處理，首先必須將其分解成一些子任務(wù)，再由多處理系統中的各處理機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上的應用是一個(gè)映射過(guò)程。一類(lèi)并行算法依賴(lài)于適合的并行網(wǎng)絡(luò )結構才能高效率地運行。

　　導致并行算法與并行結構不匹配的原因主要有2個(gè)：一是欲把一個(gè)系統上開(kāi)發(fā)的并行算法用于另一個(gè)系統上;二是由于問(wèn)題內在的并行性，使并行算法與并行結構不匹配。

　　常用圖像處理算法的特點(diǎn)及適用的并行處理結構分析如表2所列。

　　綜上所述，傳統的共享總線(xiàn)系統與分布式并行系統分別適用于不同的圖像并行處理算法。分布式并行系統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行依賴(lài)于并行硬件拓撲結構的支持，某種硬件結構只適合一類(lèi)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，并行系統單靠某種固定結構無(wú)法適應所有的并行算法，這就給圖像處理系統帶來(lái)了問(wèn)題。當并行硬件拓撲結構不適合并行算法時(shí)，系統的性能和算法執行效率都會(huì )受到影響，需要對并行硬件結構做出改進(jìn)和完善。

　　2 可重構數字圖像并行處理系統

　　2.1 可重構處理系統的組成

　　可重構計算是指基于可改變(可動(dòng)態(tài)改變)的硬件，以硬件適應算法(即可重構特性)、硬件定制和硬件并行的方式實(shí)現計算?？芍貥嬏幚硐到y結合了可重構硬件處理單元和軟件可編程處理器，系統允許對可重構處理單元進(jìn)行配置以滿(mǎn)足不同應用的具體計算要求。

　　如圖5所示，可重構處理系統的組成基本相同，即通用處理器(陣列)、可重構資源(陣列)、存儲器(陣列)、公用存儲器、系統接口等。面向圖像處理的可重構系統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 可重構數字圖像并行處理系統的優(yōu)點(diǎn)

　　可重構數字圖像并行處理系統有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?、貴PGA內部的邏輯功能可以在系統運行過(guò)程中動(dòng)態(tài)重載，使系統可以實(shí)現多DSP之間拓撲的靈活改變以適應各種并行算法的需求，使算法執行效率達到最高。靜態(tài)重構和動(dòng)態(tài)重構使系統相比傳統固定系統具有很強的通用性和適應性。

　?、谙到y的“多DSP+FPGA”結構能將系統任務(wù)劃分成適合FPGA處理的低層信號處理和圖像預處理部分及適合DSP處理的算法，便于發(fā)揮兩者的優(yōu)勢;且FPGA可通過(guò)軟件適應不同時(shí)序格式的數字圖像，使得系統具有很高的性能和靈活性。

　　3 系統設計實(shí)例

　　3.1 系統硬件結構

　　基于TI公司C6000系列DSP和Xilinx公司Spartan一3系列FPGA，構建基于圖像的點(diǎn)源目標識別系統，對在線(xiàn)可重構數字圖像并行處理系統的可實(shí)現性和性能進(jìn)行驗證。