基于多核DSP的實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)研究.pdf

1、本文旨在研究高性能的多核DSP實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)，為滿足光電成像跟蹤測(cè)量系統(tǒng)上，高幀頻、高分辨率實(shí)時(shí)圖像的處理，以及復(fù)雜背景下復(fù)雜多模圖像跟蹤算法的處理需求。在簡(jiǎn)單介紹了實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)體系架構(gòu)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，以及多核DSP技術(shù)在高性能計(jì)算領(lǐng)域的核心優(yōu)勢(shì)之后，就光電成像跟蹤測(cè)量系統(tǒng)上實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的性能特征進(jìn)行了分析。
　　對(duì)于現(xiàn)有實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的體系架構(gòu)局限、處理性能瓶頸等問題。本文在分析了處理平臺(tái)的構(gòu)成方式、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)

2、結(jié)構(gòu)之后，對(duì)比其處理平臺(tái)體系架構(gòu)的繼承性，選擇了新一代緊密耦合的CPCI Express總線標(biāo)準(zhǔn)作為研究平臺(tái)的體系架構(gòu)。通過介紹CPCI Express模塊板卡的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和電氣特性，對(duì)CPCI Express背板設(shè)計(jì)和CPCI Express交換架構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的討論。系統(tǒng)的介紹了CPCI Express主控處理模塊與CPCI Express交換模塊、CPCI Express外設(shè)構(gòu)成的緊密耦合CPCI Express實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)，并對(duì)

3、其處理平臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理、PCI Express接口技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)說明。
　　結(jié)合圖像處理任務(wù)在不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)處理平臺(tái)所表現(xiàn)出的性能要求。本文深入分析了高速實(shí)時(shí)圖像處理、多路圖像并行處理對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)要求；分析了多模圖像跟蹤算法對(duì)處理平臺(tái)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求；分析了多源圖像數(shù)據(jù)融合處理對(duì)平臺(tái)內(nèi)部處理模塊間、處理模塊上芯片間的數(shù)據(jù)交互要求。此外，對(duì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)處理算法所要求的數(shù)據(jù)吞吐率帶寬進(jìn)行了理論分析。
　　針對(duì)當(dāng)前光電成像

4、跟蹤測(cè)量系統(tǒng)上，實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的數(shù)據(jù)輸入/輸出帶寬瓶頸問題。設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)圖像光端機(jī)，實(shí)現(xiàn)高速的Camera Link圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為光纖直接傳輸至實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)。設(shè)計(jì)利用光纖高速串行傳輸互聯(lián)技術(shù)以及光纖滑環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多路實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)在機(jī)上、機(jī)下間的高帶寬、高可靠性穩(wěn)定傳輸。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計(jì)了自定義的圖像光纖傳輸協(xié)議，利用該協(xié)議使得圖像數(shù)據(jù)在處理子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)和記錄子系統(tǒng)間基于光纖的互聯(lián)。實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)真正意義上的實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)處理、

5、實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)記錄。
　　在分析了多模圖像跟蹤算法思想的基礎(chǔ)上，結(jié)合FPGA的靈活并行流水結(jié)構(gòu)和多核DSP的存儲(chǔ)資源共享特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于FPGA+多核DSP結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)圖像處理模塊。對(duì)于圖像處理模塊上的數(shù)據(jù)流處理，采用 FPGA作為圖像并行處理的協(xié)處理器，配合多核DSP構(gòu)成多處理通道的并行結(jié)構(gòu)。利用FPGA的SIMD技術(shù)和多核DSP的VLIW技術(shù)相結(jié)合獲得了更高的處理性能。
　　在平臺(tái)內(nèi)部，設(shè)計(jì)了多核DSP實(shí)時(shí)圖像處理模塊間的

6、緊密耦合互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，光纖高速串行傳輸互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以及模塊上的片間互聯(lián)結(jié)構(gòu)。依據(jù)圖像并行處理技術(shù)，在實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)上，對(duì)其實(shí)現(xiàn)思想和方法進(jìn)行了說明。從多核DSP的片內(nèi)存儲(chǔ)資源共享結(jié)構(gòu)、處理模塊上FPGA與多核DSP的片間存儲(chǔ)資源共享結(jié)構(gòu)，闡述了圖像處理模塊的數(shù)據(jù)流并行處理能力。并進(jìn)一步擴(kuò)展了多塊多核DSP實(shí)時(shí)圖像處理模塊間的并行結(jié)構(gòu)，充分挖掘了實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)的并行處理性能。
　　最后，從運(yùn)算性能、數(shù)據(jù)吞吐率、存儲(chǔ)帶寬和功耗四個(gè)方面，