基于多核DSP的实时图像处理平台研究

【摘要】：本文旨在研究高性能的多核DSP实时图像处理平台，为满足光电成像跟踪测量系统上，高帧频、高分辨率实时图像的处理，以及复杂背景下复杂多模图像跟踪算法的处理需求。在简单介绍了实时图像处理平台体系架构的发展历史和现状，以及多核DSP技术在高性能计算领域的核心优势之后，就光电成像跟踪测量系统上实时图像处理平台的性能特征进行了分析。 对于现有实时图像处理平台的体系架构局限、处理性能瓶颈等问题。本文在分析了处理平台的构成方式、互联网络和存储结构之后，对比其处理平台体系架构的继承性，选择了新一代紧密耦合的CPCI Express总线标准作为研究平台的体系架构。通过介绍CPCI Express模块板卡的标准规范和电气特性，对CPCI Express背板设计和CPCI Express交换架构进行了细致的讨论。系统的介绍了CPCI Express主控处理模块与CPCI Express交换模块、CPCI Express外设构成的紧密耦合CPCIExpress实时图像处理平台，并对其处理平台的内部结构原理、PCI Express接口技术等进行了详细说明。 结合图像处理任务在不同应用环境对处理平台所表现出的性能要求。本文深入分析了高速实时图像处理、多路图像并行处理对平台的数据流结构要求；分析了多模图像跟踪算法对处理平台的硬件系统结构要求；分析了多源图像数据融合处理对平台内部处理模块间、处理模块上芯片间的数据交互要求。此外，对平台实现处理算法所要求的数据吞吐率带宽进行了理论分析。 针对当前光电成像跟踪测量系统上，实时图像处理平台的数据输入/输出带宽瓶颈问题。设计了实时图像光端机，实现高速的Camera Link图像数据转为光纤直接传输至实时图像处理平台。设计利用光纤高速串行传输互联技术以及光纤滑环技术，实现多路实时图像数据在机上、机下间的高带宽、高可靠性稳定传输。在此基础上，开发设计了自定义的图像光纤传输协议，利用该协议使得图像数据在处理子系统、显示子系统和记录子系统间基于光纤的互联。实现图像数据真正意义上的实时传输、实时处理、实时显示和实时记录。 在分析了多模图像跟踪算法思想的基础上，结合FPGA的灵活并行流水结构和多核DSP的存储资源共享特点，设计了基于FPGA+多核DSP结构的实时图像处理模块。对于图像处理模块上的数据流处理，采用FPGA作为图像并行处理的协处理器，配合多核DSP构成多处理通道的并行结构。利用FPGA的SIMD技术和多核DSP的VLIW技术相结合获得了更高的处理性能。 在平台内部，设计了多核DSP实时图像处理模块间的紧密耦合互联网络，光纤高速串行传输互联网络，以及模块上的片间互联结构。依据图像并行处理技术，在实时图像处理平台上，对其实现思想和方法进行了说明。从多核DSP的片内存储资源共享结构、处理模块上FPGA与多核DSP的片间存储资源共享结构，阐述了图像处理模块的数据流并行处理能力。并进一步扩展了多块多核DSP实时图像处理模块间的并行结构，充分挖掘了实时图像处理平台的并行处理性能。 最后，从运算性能、数据吞吐率、存储带宽和功耗四个方面，对单块多核DSP实时图像处理模块，以及多核DSP实时图像处理平台整体的性能，分别进行归纳和总结。并对实时图像处理平台在光电成像跟踪测量系统中的应用情况，进行了分析介绍。鉴于多核DSP技术，将在未来高性能计算领域，充当着重要角色的发展趋势，提出了开发基于片内多核并行、片间多核并行、处理模块间多核并行的软件架构的技术展望。