基于bscb模型圖像修復(fù)的并行技術(shù)

1、<p>　　基于BSCB模型圖像修復(fù)的并行技術(shù)</p><p>　　摘要：基于偏微分方程（PDE）的圖像修復(fù)有大量計(jì)算，這使它的實(shí)用化比較困難。為了實(shí)現(xiàn)高速靈活的圖像處理，本文提出了基于在信息傳遞接口（MPI）下的BSCB模型的圖像修復(fù)技術(shù)的并行算法的進(jìn)展。人們提出了三種劃分一個(gè)圖像修復(fù)任務(wù)的方法，成功避免了程序子任務(wù)間的通訊。文中測(cè)試了兩張圖片，一系列處理器上的圖像修復(fù)速度都得到了提高。</p&

2、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：圖像修復(fù)；平行；PDE；BSCB</p><p><b>　　1 介紹</b></p><p>　　最近這些年，由于PDE模型的簡(jiǎn)單性和高效性，基于PDE的圖像修復(fù)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)水平。一些常用的模型包括BSCB模型[1]，TV模型[2],和CDD模型[3]，這些模型的中心思想是把被修復(fù)區(qū)域周圍的區(qū)域信息傳播到被修復(fù)區(qū)域。信息

3、的傳播用沿著時(shí)間軸的數(shù)字集成來(lái)完成，這是很費(fèi)時(shí)的。要修復(fù)的區(qū)域越大，要用的時(shí)間就越長(zhǎng)。高度的計(jì)算復(fù)雜性使得基于PDE的圖像修復(fù)方法很難實(shí)用化。</p><p>　　本文利用一種廣泛使用的并行環(huán)境信息傳遞庫(kù)的信息傳遞界面（MPI）[4]來(lái)探究基于BSCB模型的圖像修復(fù)技術(shù)的并行技術(shù)。數(shù)字實(shí)驗(yàn)在有并行環(huán)境分布和提供良好速率的情況下進(jìn)行。</p><p>　　本文組織如下：首先介紹BSCB模型和

4、它的數(shù)字格式；其次探究BCSB模型的可能并行方法；然后介紹本文的分配環(huán)境和數(shù)字實(shí)驗(yàn)；最后給出結(jié)論。</p><p>　　2 基于BSCB模型的圖像修復(fù)</p><p>　　2．1 BSCS圖像修復(fù)模型</p><p>　　BSCB模型利用拉布拉斯算子操作去測(cè)量修復(fù)區(qū)域的鄰域信息并順利地把信息沿著等灰度方向傳遞到修復(fù)區(qū)域。同時(shí)，為了避免延長(zhǎng)線穿過(guò)各自區(qū)域，BSCB模

5、型也使用了各向異性功能。這個(gè)模型包括兩個(gè)步驟：修復(fù)和傳播。</p><p>　　設(shè)為被修復(fù)區(qū)域，是的邊緣。兩者的關(guān)系如圖1。是個(gè)不相關(guān)的2D灰度圖，表示真實(shí)空間。</p><p>　　BSCB模型如下描述：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b><

6、;/p><p>　　等式（1）是用來(lái)修復(fù)的，是一些某種信息，是等照度方向[7]；等式（2）用來(lái)傳播，是照度的歐氏曲率。是帶有球半徑的的擴(kuò)大部分，是在中的光滑函數(shù)。</p><p>　　圖1 一個(gè)破損畫(huà)面的圖例和它的邊緣</p><p>　　在一個(gè)簡(jiǎn)單的情況下，信息被上的拉布拉斯算子替代。等式（1）和等式（2）被離散成[8,9]：</p><p>

7、;<b>　　（3）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　或者分別是在n次迭代圖像中處于像素的強(qiáng)度和在n次圖像中處于像素的強(qiáng)度。和中，是輸入圖像，是算法輸出。是提高率。</p><p>　　2．2 BSCB圖像修復(fù)模型的連續(xù)算法</p><p>　　圖像修復(fù)的連

8、續(xù)工具如下：</p><p>　　讀取圖像文件，存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)組。</p><p>　　搜索這個(gè)數(shù)組，并存儲(chǔ)要被修復(fù)像素的位置為另外一個(gè)數(shù)組，稱mask。</p><p>　　開(kāi)始迭代循環(huán)，利用修復(fù)功能和傳播功能重新存儲(chǔ)圖片。</p><p><b>　　寫(xiě)輸出到結(jié)果文件。</b></p><p

9、>　　3 利用MPI圖像修復(fù)算法的并行工具</p><p>　　因?yàn)閿?shù)字圖像處理的幾個(gè)特性，他們可以進(jìn)行并行處理。A顯著的特點(diǎn)是像素到像素區(qū)域到區(qū)域[5-6]間的相同運(yùn)算的處理?；谶@個(gè)特點(diǎn)，并行的主要問(wèn)題是分割任務(wù)的方法。</p><p><b>　　3．1 任務(wù)分割</b></p><p>　　目前，一個(gè)圖像處理任務(wù)[10]并行操作

10、中的一種普通的方法是根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)平均地把一個(gè)圖像分割成一片一片。也就是說(shuō)，如果在一個(gè)分配并行環(huán)境中有N個(gè)估算節(jié)點(diǎn)，最初的圖像被分成N個(gè)更小的非重疊的子圖像，每個(gè)子圖像在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上處理。</p><p>　　對(duì)于圖像修復(fù)問(wèn)題，被修復(fù)區(qū)域的位置是隨機(jī)的。把圖像直接均分成更小塊會(huì)導(dǎo)致下列問(wèn)題：</p><p>　　首先，如果圖像的一小塊沒(méi)有包含丟失區(qū)域，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)就沒(méi)有用，這很浪費(fèi)。</p&

11、gt;<p>　　其次,一個(gè)需要被修復(fù)的確定區(qū)域可能被分到不同的子任務(wù)中去。在處理過(guò)程中，這些子任務(wù)不得不交換鄰域信息，這會(huì)增加通訊時(shí)間，降低效率。</p><p>　　由于這些原因，這節(jié)提出了一些其他的用于任務(wù)分割的方法。</p><p><b>　　基于三色通道的分割</b></p><p>　　一個(gè)帶有RGB模型的彩色圖像容

12、易被分割成三個(gè)顏色通道。每個(gè)通道為一個(gè)灰度圖。所以，一個(gè)圖像處理任務(wù)能被分解成三個(gè)子任務(wù)，每個(gè)任務(wù)處理一個(gè)灰度圖。</p><p><b>　　基于區(qū)域的分割</b></p><p>　　一個(gè)具有k>1連續(xù)丟失區(qū)域要被修復(fù)的灰度圖能被分割成k個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包括一個(gè)連續(xù)丟失區(qū)域。這個(gè)方法可以降低處理中的通訊。</p><p><b&

13、gt;　　區(qū)域—通道分割</b></p><p>　　對(duì)于一個(gè)有多個(gè)連續(xù)區(qū)域要修復(fù)的彩色圖像，上述討論的兩種分割方法應(yīng)該結(jié)合起來(lái)使用。讓可變的nregion變成一系列連續(xù)的要被修復(fù)的丟失區(qū)域，然后全部的修復(fù)任務(wù)能被分成3*nregion區(qū)域子任務(wù)：彩色圖像首先被分割成nregion區(qū)域，每個(gè)區(qū)域再被分割成三個(gè)顏色通道。</p><p>　　4 并行圖像修復(fù)算法的工具</p

14、><p>　　4．1 MPI并行環(huán)境的結(jié)構(gòu)</p><p>　　MPI是一個(gè)常用的并行環(huán)境信息傳遞庫(kù)，它指出了一個(gè)有利于處理器通訊的慣例的集合。本文選擇MPICH2-1.0.5來(lái)構(gòu)建并行環(huán)境。</p><p>　　這里有兩個(gè)MPI并行程序的設(shè)計(jì)模型：主仆模型和同位模型。本文使用的是主仆模型。當(dāng)利用主仆模型時(shí)，MPI并行程序包含下列部分：</p><

15、p>　　起始：程序的一開(kāi)始，下列功能被用來(lái)啟動(dòng)每個(gè)程序。</p><p>　　MPI_Init(&argc,&argv);</p><p>　　MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD,&rank);//rank:程序的索引</p><p>　　MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD,&size

16、);//size:程序的數(shù)量</p><p><b>　　程序體：計(jì)算和通訊</b></p><p>　　程序結(jié)束：下列功能被使用。</p><p>　　MPI_Finalize();</p><p>　　在主仆模型的MPI并行程序設(shè)計(jì)中，程序體中包含兩個(gè)部分：主程序的程序體和從程序的程序體。</p>&l

17、t;p>　　主進(jìn)程完成下列工作：</p><p>　　從BMP文件中讀取圖像數(shù)據(jù)；</p><p><b>　　分割任務(wù)；</b></p><p>　　靈活地分配子任務(wù)給子進(jìn)程并等待子每個(gè)程序的輸出；</p><p>　　檢查是否每個(gè)子任務(wù)已經(jīng)完成，如果不是，重復(fù)步驟3。</p><p>　

18、　結(jié)合所有從子任務(wù)中輸出的圖片重新構(gòu)成一個(gè)新圖。</p><p><b>　　程序最后決策</b></p><p>　　子程序主要完成下列工作：</p><p><b>　　等待子任務(wù)；</b></p><p>　　執(zhí)行它自己修復(fù)圖像的任務(wù)并把結(jié)果發(fā)送給主程序；</p><p&g

19、t;　　重復(fù)步驟（1）和（2）直到?jīng)]有子任務(wù)被分配。</p><p><b>　　程序最后決策。</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)的結(jié)果</b></p><p>　　本文中測(cè)試了三個(gè)分割方法。有兩張24位的大小為256x256的圖片用來(lái)實(shí)驗(yàn)，在圖2（a）和圖3（a）中描述。圖2（b）和圖3（b）描述帶有紅色區(qū)域的損

20、壞的版本分別變成含有3542個(gè)像素的修復(fù)區(qū)域和含有3817個(gè)像素的白色區(qū)域。</p><p>　　這些實(shí)驗(yàn)在一個(gè)具有六個(gè)3.0GHz1GByteRAM的處理器分配記憶系統(tǒng)中進(jìn)行。運(yùn)行系統(tǒng)是Window XP。程序用C語(yǔ)言和MPI庫(kù)編寫(xiě)。</p><p>　　測(cè)試1：圖2（b）基于三色通道的各分割；</p><p>　　測(cè)試2：圖3（b）基于區(qū)域分割；</p&g

21、t;<p>　　測(cè)試3：圖2（b）區(qū)域—通道風(fēng)格；</p><p>　　測(cè)試1和測(cè)試3的結(jié)果圖是一樣的，如圖2（c）描述。圖3（c）是測(cè)試2的結(jié)果圖。</p><p>　　在每個(gè)測(cè)試中，因?yàn)橹鞒绦驔](méi)有進(jìn)行計(jì)算任務(wù)，兩個(gè)程序都被運(yùn)行，這兩個(gè)程序一個(gè)是主程序，另外一個(gè)是子程序。在其他節(jié)點(diǎn)上，只有一個(gè)程序被運(yùn)行。</p><p><b>　　圖3實(shí)

22、驗(yàn)2的測(cè)試圖</b></p><p>　　表1測(cè)試1的結(jié)果 表2測(cè)試2的結(jié)果 表3測(cè)試3的結(jié)果</p><p>　　比較表1到表3，加速度和并行效率如下定義：</p><p><b>　　（5）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p&g

23、t;　　當(dāng)表示計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量時(shí)，表示在1個(gè)處理器上圖像修復(fù)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間，表示圖像修復(fù)任務(wù)在n個(gè)處理器上的運(yùn)行時(shí)間。</p><p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　本文研究的是基于BSCB模型的圖像修復(fù)的并行技術(shù)。提出了基于三色通道的分割，基于區(qū)域的分割以及這兩種方法的結(jié)合方法，基于MPI庫(kù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了并行技術(shù)的高效性。需要指出的是，本文中使用的