??? 摘 要： 為了在DSP平臺上實現(xiàn)實時大圖像旋轉(zhuǎn)" title="圖像旋轉(zhuǎn)">圖像旋轉(zhuǎn)，結(jié)合TMS320DM642的性能結(jié)構(gòu)特點,針對旋轉(zhuǎn)算法中嚴重影響DSP CPU效率發(fā)揮的大量非連續(xù)圖像像素地址訪問的問題，提出了基于視口圖像塊覆蓋的DSP圖像旋轉(zhuǎn)算法數(shù)據(jù)調(diào)度策略" title="調(diào)度策略">調(diào)度策略，對算法的結(jié)構(gòu)流程進行了優(yōu)化調(diào)整。
??? 關(guān)鍵詞： 大圖像旋轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)調(diào)度；DM642；DSP；實時；優(yōu)化
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??? 圖像旋轉(zhuǎn)是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)字圖像處理技術(shù)，隨著應(yīng)用水平的不斷提高，對在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)高分辨率大圖像旋轉(zhuǎn)的需求也越來越高。如在航空領(lǐng)域的高分辨率數(shù)字地圖圖像的顯示處理過程中，由于現(xiàn)有的顯示芯片均不能支持圖像旋轉(zhuǎn)功能，就需要在資源有限的嵌入式平臺上實現(xiàn)大幅面地圖圖像的實時旋轉(zhuǎn)。采用DSP平臺是一種實現(xiàn)方式，具體實現(xiàn)時需仔細考慮兩個方面的問題，一是選用計算量小的旋轉(zhuǎn)算法，二是充分發(fā)揮DSP平臺強大的并行計算能力。
??? 目前，已經(jīng)有很多有效降低計算量的圖像旋轉(zhuǎn)算法，基于圖像線性存儲結(jié)構(gòu)" title="存儲結(jié)構(gòu)">存儲結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方法[1]就是其中之一。然而，在DSP平臺上，有限的高速存儲資源限制了這些算法效率的直接發(fā)揮，需要針對算法及DSP平臺的性能結(jié)構(gòu)特點進行高效的數(shù)據(jù)調(diào)度。對于圖像旋轉(zhuǎn)問題而言，數(shù)據(jù)調(diào)度還需要克服由于存在大量非連續(xù)圖像像素地址訪問而嚴重影響DSP數(shù)據(jù)存取及CPU效率發(fā)揮的問題。這是圖像旋轉(zhuǎn)本身的特殊性，在其他圖像處理技術(shù)中是不存在的。本文主要討論如何利用TI公司TMS320DM642芯片的資源特點，進行高效圖像旋轉(zhuǎn)的大規(guī)模數(shù)據(jù)調(diào)度，從而實現(xiàn)適用于大圖像的DSP實時圖像旋轉(zhuǎn)。
1 基于圖像線性存儲結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方法介紹
??? 目前，圖像旋轉(zhuǎn)大多采用基于視口映射的處理。視口是指屏幕上的顯示區(qū)域范圍，方法是先計算出旋轉(zhuǎn)后視口圖像像素在源圖像中的坐標(biāo)地址值，再依據(jù)該地址在源圖像中對應(yīng)讀取像素值，最后利用讀取的像素值進行插值，得到最終旋轉(zhuǎn)后視口圖像。實際上，由于存在對稱性，一幅圖像任意角度的旋轉(zhuǎn)可分解為一次90°或180°或270°的旋轉(zhuǎn)，再加上一次±45°以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。
??? 傳統(tǒng)的圖像旋轉(zhuǎn)一般通過矩陣乘法實現(xiàn)：
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其中，α為旋轉(zhuǎn)角度。
??? 本文選用的張克黛[1]等人提出的基于圖像線性存儲結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方法是一種理論上運算效率較高的方法。下面具體介紹。
??? 由于圖像是線性存儲的，各個像素點之間的相對位置關(guān)系確定。如圖1(a)所示，圖像旋轉(zhuǎn)前，任意像素點P(x，y)和P1(x1，y1)、P2(x2，y2)及A(xA，yA)在幾何上是矩形的四頂點關(guān)系。由于旋轉(zhuǎn)變換是線性變換，如圖1(b)所示，圖像旋轉(zhuǎn)后，各個像素點之間的相對位置關(guān)系不發(fā)生變化，
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??? 所以，對圖像作旋轉(zhuǎn)變換，只需對第一行和第一列的像素用式(1)作矩陣乘法運算，對除第一行和第一列以外的像素，用式(2)進行簡單的加減運算即可。這樣避免了對整幅圖像的每個像素作矩陣乘法運算，可節(jié)省5～6倍的CPU周期。
??? 另外，對于旋轉(zhuǎn)計算后非整數(shù)像素地址的插值，本文采用雙線性插值法，基本能夠滿足對圖像質(zhì)量的要求。
2 圖像旋轉(zhuǎn)的DSP結(jié)構(gòu)優(yōu)化
2.1 TMS320DM642結(jié)構(gòu)特點
??? 該芯片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它基于C64x內(nèi)核，采用TI的第二代高級超長指令字結(jié)構(gòu)，可在600MHz時鐘頻率下工作，每個指令周期可并行8條32位指令，可達到4 800MIＰＳ的峰值計算速度。DM642具有64個增強DMA(EDMA)通道，可進行高效的一維及二維數(shù)據(jù)傳輸，二維數(shù)據(jù)傳輸可用于一個矩形圖像數(shù)據(jù)塊的高速搬移。
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??? DM642的存儲空間由片內(nèi)和片外兩級存儲體系構(gòu)成，其中片內(nèi)存儲器" title="內(nèi)存儲器">內(nèi)存儲器又分為L1和L2兩層。第一層L1為CPU Cache，其訪問速度與CPU的速度相匹配，包括相互獨立的L1P(16KB)和L1D(16KB)；第二層L2（256KB）具有靈活的RAM/Cache分配。片外存儲器具備32位的訪問地址，通過EDMA控制器和EMIF外部存儲器接口進行數(shù)據(jù)訪問。其中，片內(nèi)存儲器和片外存儲器在訪問速度方面存在很大差異。
??? 此外，作為多媒體處理專用芯片，DM642具有用于視頻數(shù)據(jù)I/O的專用接口，易于實現(xiàn)視頻信號的顯示輸出。
2.2 旋轉(zhuǎn)算法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
??? 針對DM642性能結(jié)構(gòu)特點的算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其目的是使上述大圖像旋轉(zhuǎn)快速算法的效率能夠在DSP平臺上得到充分發(fā)揮，其核心思想是合理優(yōu)化存儲空間分配和數(shù)據(jù)傳輸流，使CPU能連續(xù)不斷地處理圖像數(shù)據(jù)，消除處理過程中的等待延遲。
??? 由DSP的結(jié)構(gòu)特點可知，只有在數(shù)據(jù)和程序均位于片內(nèi)存儲器當(dāng)中的條件下，DSP的效率才能得到最大化的發(fā)揮。在大圖像旋轉(zhuǎn)算法中，由于涉及的圖像數(shù)據(jù)量遠大于DSP的片內(nèi)存儲器容量，源圖像和最終視口圖像等數(shù)據(jù)必須被存放在片外存儲器中。在這種情況下，為了保證DSP CPU高速處理能力的發(fā)揮，必須優(yōu)化數(shù)據(jù)流，將源圖像分塊，依次搬移至片內(nèi)處理，并設(shè)法保證CPU當(dāng)前要處理的圖像數(shù)據(jù)塊已經(jīng)事先在片內(nèi)存儲器中準備好了。因此在算法整體優(yōu)化結(jié)構(gòu)上采用Ping-Pong雙緩沖" title="雙緩沖">雙緩沖技術(shù)，利用EDMA與CPU并行工作來隱藏圖像數(shù)據(jù)塊在片內(nèi)和片外之間的傳輸時間，使CPU能連續(xù)不斷地處理數(shù)據(jù)，中間不會出現(xiàn)空閑等待。
??? Ping-Pong雙緩沖是一種同時利用兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它將SRAM分成兩大塊，一塊用于存儲源圖像塊，另一塊用于存儲旋轉(zhuǎn)后的圖像塊；每一個存儲塊又分為兩個區(qū)（Ping區(qū)和Pong區(qū)），輪流用于圖像塊傳輸和處理。其具體并行工作流程如圖3所示。
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圖3 Ping-Pong雙緩沖處理技術(shù)
??? 至于如何在Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制中設(shè)計和安排傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)塊，則必須考慮針對圖像旋轉(zhuǎn)本身的特點，設(shè)計出具體的適用于旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略。
3 旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略
??? 旋轉(zhuǎn)算法的數(shù)據(jù)調(diào)度目的是使算法能夠按照一定的規(guī)則，將源圖像數(shù)據(jù)有規(guī)律地分塊，并按次序分別傳輸?shù)紻SP片內(nèi)存儲器中，完成計算后，形成視口圖像塊，再將視口圖像塊按同樣的順序進行排列，形成旋轉(zhuǎn)后的視口圖像。整個過程要求調(diào)入和調(diào)出的圖像數(shù)據(jù)均是規(guī)則分塊的，并且調(diào)入的源圖像塊中應(yīng)該包含計算視口圖像塊的過程中所需要的全部像素數(shù)據(jù)，尤其需要解決其中的大量非連續(xù)圖像像素地址訪問問題，這樣才能正確地發(fā)揮DSP EDMA和Ping-Pong雙緩沖技術(shù)的性能。
3.1 非連續(xù)像素地址訪問
??? Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制中圖像數(shù)據(jù)塊在片內(nèi)、片外存儲空間的傳輸，主要依靠EDMA設(shè)置，在后臺進行二維數(shù)據(jù)傳輸。Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制下的EDMA的數(shù)據(jù)傳輸要求待傳輸?shù)膱D像塊具有統(tǒng)一的規(guī)律，即每次旋轉(zhuǎn)的圖像數(shù)據(jù)的傳輸過程不應(yīng)該因旋轉(zhuǎn)角度的變化而改變。
??? 但是，旋轉(zhuǎn)后的視口圖像像素的地址排列與其在源圖像中的不同，不再具有連續(xù)的地址變化特征，并且視口圖像的像素地址在源圖像中的排列關(guān)系隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，沒有固定的規(guī)律，給Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制下的EDMA的數(shù)據(jù)傳輸操作帶來很大困難，從而導(dǎo)致對源圖像塊的大量非連續(xù)像素地址訪問的問題。該問題是圖像旋轉(zhuǎn)本身所特有的，如果得不到很好解決，Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制就無法發(fā)揮作用，旋轉(zhuǎn)算法的實際DSP執(zhí)行效率也就得不到真正的提高。因此，實現(xiàn)滿足調(diào)入/調(diào)出圖像塊關(guān)系的數(shù)據(jù)調(diào)度就成為實現(xiàn)高效圖像旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。
3.2 旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略
??? 本文提出的基于視口圖像塊覆蓋的源圖像數(shù)據(jù)分塊及其調(diào)度策略的思想是實現(xiàn)源圖像及視口圖像按塊處理，源圖像塊的范圍覆蓋視口圖像塊，且易于在源圖像塊內(nèi)進行像素數(shù)據(jù)訪問尋址，使源圖像塊內(nèi)像素地址變化具有連續(xù)的特征，以充分發(fā)揮出DSP EDMA的效率，并滿足Ping-Pong數(shù)據(jù)流程的規(guī)律性。旋轉(zhuǎn)算法DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略示意圖分別如圖4和圖5所示，其要點如下（以視口順時針旋轉(zhuǎn)為例）：
??? (1)視口輸出圖像分塊
??? 如圖4(a)所示，將視口圖像分成矩形塊，作為每次旋轉(zhuǎn)運算的基本單位，圖像塊之間依次排列。
??? (2)源圖像塊的取法
??? 如圖4(b)所示，每個源圖像塊對應(yīng)一個視口圖像塊，源圖像塊的尺寸取為視口圖像塊尺寸的4倍（如視口塊尺寸為20×20像素，則源圖像塊就取為40×40像素），且源圖像塊的上邊框中點與相應(yīng)的視口圖像塊旋轉(zhuǎn)后的左上角頂點對應(yīng)，這樣可保證順時針旋轉(zhuǎn)角度在0°～90°之間的任意情況下，源圖像塊始終覆蓋其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)后的視口圖像塊。
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??? (3)兩圖像塊頂點地址對應(yīng)關(guān)系
??? 設(shè)第N個源圖像塊為fN(x，y)，旋轉(zhuǎn)后的視口圖像塊為f′N(x，y)，則源圖像塊的頂點局部坐標(biāo)地址值與旋轉(zhuǎn)后視口圖像塊的頂點局部坐標(biāo)地址值之間的對應(yīng)關(guān)系為：
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其中width指源圖像塊的寬度。
??? 視口逆時針旋轉(zhuǎn)的情況與此類似（如圖5所示）。區(qū)別有以下兩點：
??? ①源圖像塊的左邊框中點與相應(yīng)的視口圖像塊旋轉(zhuǎn)后的左上角頂點對應(yīng)；
??? ②源圖像塊的頂點局部坐標(biāo)地址值與視口圖像塊的頂點局部坐標(biāo)地址值之間的對應(yīng)關(guān)系式應(yīng)為：
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其中height指源圖像塊的高度。
??? (4)圖像塊的調(diào)度
??? 由式(3)或式(4)計算出將要從源圖像中取出的對應(yīng)規(guī)則圖像塊的左上角頂點坐標(biāo)(即源圖像塊的起始地址)，然后用EDMA的二維數(shù)據(jù)傳輸將其調(diào)入片內(nèi)L2 SRAM中。可以看出，源圖像塊不再隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而傾斜，其內(nèi)部像素的排列存在固定規(guī)律，像素地址具有連續(xù)變化的特征，故可使Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機制下的EDMA二維數(shù)據(jù)傳輸順利進行。
??? 這種基于視口圖像塊覆蓋的旋轉(zhuǎn)算法DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略有效地解決了圖像旋轉(zhuǎn)中大量非連續(xù)像素地址訪問的問題，體現(xiàn)了空間換時間的思想，通過充分利用EDMA的高效數(shù)據(jù)傳輸，保證了整個旋轉(zhuǎn)處理的高速運算節(jié)奏。
4 實驗及其結(jié)果
??? 實驗采用自行研制的高分辨率圖像處理平臺，以TMS320DM642芯片為主處理芯片，時鐘為600MHz，片外為64MB SDRAM。實驗中源圖像通過調(diào)試JTAG口輸入，旋轉(zhuǎn)后的視口圖像結(jié)果從VPORT口經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，以VGA信號輸出。實驗分別實現(xiàn)兩種尺寸（400×400像素和1024×768像素）的視口圖像旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的源圖像數(shù)據(jù)分別為1024×768像素和1920×1920像素的BMP格式的數(shù)字地圖圖像，采用0.005弧度旋轉(zhuǎn)角度遞增間隔，對分別采用式(1)的傳統(tǒng)像素逐點矩陣相乘方法、基于圖像線性存儲結(jié)構(gòu)方法以及基于本文數(shù)據(jù)調(diào)度策略的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的線性存儲結(jié)構(gòu)方法三種實現(xiàn)方式進行對比，分別統(tǒng)計其平均每幀運行時間并轉(zhuǎn)換成幀率，其結(jié)果如表1所示。
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??? 從實驗結(jié)果可以看出，基于圖像線性存儲結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)算法比傳統(tǒng)的逐點相乘法的確在運算量上有了大幅度削減，因而有效地提高了旋轉(zhuǎn)速度，但其仍然滿足不了實際大圖像旋轉(zhuǎn)的實時性要求。通過采用本文提出的數(shù)據(jù)調(diào)度策略對算法結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)調(diào)度進行優(yōu)化后，算法的DSP執(zhí)行效率得到了顯著提高，可以滿足對DSP大圖像旋轉(zhuǎn)的實時性要求。
??? 本文結(jié)合TMS320DM642的性能結(jié)構(gòu)特點,針對圖像旋轉(zhuǎn)算法在DSP平臺上具體實現(xiàn)過程中存在的嚴重影響DSP CPU效率發(fā)揮的大量非連續(xù)圖像像素地址訪問的問題，提出了切實有效的基于視口圖像塊覆蓋的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略;對算法的結(jié)構(gòu)流程、數(shù)據(jù)調(diào)度等進行了優(yōu)化調(diào)整，并在此基礎(chǔ)上，在TI TMS320DM642 DSP上實現(xiàn)了一種實時高質(zhì)量大圖像旋轉(zhuǎn)方案。實驗表明，本文提出的適用于圖像旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略，保證了DSP大圖像旋轉(zhuǎn)的實時性，達到了實用性要求。
參考文獻
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