現(xiàn)場(chǎng)影像增強(qiáng)中的硬件加速機(jī)制研究.pdf_第1頁
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1、隨著處理器性能的不斷提升,圖像、影像中越來越多的信息被直觀化地呈現(xiàn)給用戶。然而,面對(duì)用戶在直觀化成像上越來越高的應(yīng)用需求,信息的數(shù)據(jù)量龐大且需要實(shí)時(shí)處理?;趫D像處理平臺(tái)進(jìn)行性能改進(jìn)的方法往往難以達(dá)到直觀化成像要求,實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)帶寬難以保證。
  圖像處理平臺(tái)多采用單攝像頭單傳感器模塊對(duì)圖像進(jìn)行采集,且平臺(tái)多采用同構(gòu)處理器架構(gòu),配合主機(jī)完成后處理任務(wù),其架構(gòu)更多依賴于軟件算法來完成用戶應(yīng)用需求的響應(yīng),主機(jī)運(yùn)行的軟件算法處理速度較慢

2、,達(dá)不到直觀化成像的實(shí)時(shí)性要求,比如立體視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)等應(yīng)用就難以用圖像處理平臺(tái)來滿足實(shí)時(shí)性需求。此外,高分辨率、高幀率的場(chǎng)景影像采集需要較高的前端總線帶寬來完成影像數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù),基于圖像處理平臺(tái)的改進(jìn)并不能達(dá)到影像處理的帶寬需求。因此,圖像處理平臺(tái)的后處理思路無法滿足直觀化成像所帶來的實(shí)時(shí)性、帶寬需求,針對(duì)用戶直觀化應(yīng)用要求,本文提出現(xiàn)場(chǎng)影像增強(qiáng)方法,該方法主要完成圖像增強(qiáng)領(lǐng)域中直觀化成像的實(shí)時(shí)性和帶寬需求,對(duì)影像信息進(jìn)行

3、還原和增強(qiáng)處理,得到實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)影像增強(qiáng)處理結(jié)果。利用FPGA進(jìn)行算法優(yōu)化和硬件加速,可以解決直觀化應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性瓶頸;利用定制化的現(xiàn)場(chǎng)高速總線接口UPI(PCIe/SRIO復(fù)用接口)可以解決直觀化應(yīng)用中的帶寬瓶頸。
  現(xiàn)場(chǎng)影像增強(qiáng)方法分為兩個(gè)部分:首先,需要對(duì)影像現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行還原,以保證信息獲取范圍的準(zhǔn)確性。本文采用了高動(dòng)態(tài)范圍成像算法對(duì)場(chǎng)景信息進(jìn)行還原處理,并對(duì)單相機(jī)成像、多相機(jī)成像和單鏡頭多傳感器成像等方法進(jìn)行了歸納總結(jié),提

4、出了一種能夠?qū)崟r(shí)處理的高動(dòng)態(tài)范圍視頻算法。其次,需要對(duì)場(chǎng)景信息進(jìn)行增強(qiáng)處理,本文梳理了幾種影像增強(qiáng)方法及各自優(yōu)缺點(diǎn),精簡(jiǎn)了歐拉影像放大方法中的拉普拉斯金字塔構(gòu)建方法,實(shí)現(xiàn)了ⅡR濾波的流水線處理,提出了一種快速硬件實(shí)現(xiàn)的歐拉影像放大算法。本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)影像增強(qiáng)方法的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究,并給出了系統(tǒng)性的硬件加速方案。
  主要的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn):
  (1)歸納總結(jié)了當(dāng)前高動(dòng)態(tài)范圍圖像算法和視頻算法的研究成果,提出了實(shí)時(shí)的高動(dòng)

5、態(tài)范圍視頻算法及硬件加速方法。首先,針對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍成像算法,本文提出了一種改進(jìn)的Ward權(quán)值函數(shù)選取方法,并利用三階貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)了相機(jī)響應(yīng)曲線的擬合公式,可以在不需要精確知道曝光時(shí)間的情況下還原照度圖;同時(shí),本文提出了一種優(yōu)化的全局色調(diào)映射算子,在不影響對(duì)比度的情況下降低了高亮區(qū)域的照度值,保證圖像中不會(huì)出現(xiàn)飽和失真;此外,本文對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍視頻中的頻閃問題提出了硬件解決方法,采用漏積分器模型對(duì)獨(dú)立計(jì)算的每幀亮度參數(shù)進(jìn)行處理,使得色調(diào)映

6、射過程中各幀亮度參數(shù)相對(duì)統(tǒng)一。針對(duì)算法硬件加速過程遇到的存儲(chǔ)密集問題,本文對(duì)相機(jī)響應(yīng)曲線進(jìn)行四叉樹壓縮編碼,相比于直接存儲(chǔ)相機(jī)響應(yīng)曲線的方法,本文方法可以節(jié)省至少99.6%的BRAM資源;針對(duì)算法硬件加速過程遇到的計(jì)算密集問題,本文采用多項(xiàng)式逼近方法將復(fù)雜的指數(shù)和對(duì)數(shù)運(yùn)算簡(jiǎn)化為移位和加法運(yùn)算,同時(shí)利用乒乓緩沖區(qū)進(jìn)行多路并行流水,結(jié)合FPGA內(nèi)嵌的DSP slice資源,加快軟件算法循環(huán)語句運(yùn)算速度。相比于Lapray和Mann等人提出的

7、FPGA硬件處理平臺(tái),本文處理相同分辨率的影像所需要的時(shí)間較短,在120MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下,針對(duì)分辨率為1920×1080的19.58MB標(biāo)準(zhǔn)視頻數(shù)據(jù),可在15.3ms內(nèi)完成一幀視頻圖像的輸出。
  (2)梳理了當(dāng)前運(yùn)動(dòng)放大算法的研究成果,對(duì)拉格朗日影像放大方法和歐拉影像放大方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,論證了拉格朗日放大方法不適合硬件實(shí)現(xiàn)的原因。提出了一種快速硬件實(shí)現(xiàn)的歐拉影像放大算法,該方法通過削減金字塔數(shù)量、固定放大因子,在不影響

8、直觀化顯示效果的情況下,相比于利用Matlab軟件在Intel(R) Xeon(R)處理器(3.3GHz)實(shí)現(xiàn)的軟件算法,能夠獲得16.1倍的硬件加速比。
  (3)對(duì)前端總線的定制化方法和實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)構(gòu)建方法進(jìn)行了總結(jié)和歸納,提出了以多個(gè)消息隊(duì)列和影像增強(qiáng)引擎為核心的硬件加速方法。采用兩片F(xiàn)PGA完成現(xiàn)場(chǎng)影像增強(qiáng)任務(wù),基于功能級(jí)的任務(wù)切割方法對(duì)FPGA多任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,前端總線采用PCIe總線,F(xiàn)PGA芯片間互聯(lián)通過SRIO總

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