摘 要： 為了在DSP平臺上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)大圖像旋轉(zhuǎn)，結(jié)合TMS320DM642的性能結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對旋轉(zhuǎn)算法中嚴(yán)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，對算法的結(jié)構(gòu)流程進(jìn)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(shí)時(shí)；優(yōu)化
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(shí)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(shí)現(xiàn)大幅面地圖圖像的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)。采用DSP平臺是一種實(shí)現(xiàn)方式，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需仔細(xì)考慮兩個方面的問題，一是選用計(jì)算量小的旋轉(zhuǎn)算法，二是充分發(fā)揮DSP平臺強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。
目前，已經(jīng)有很多有效降低計(jì)算量的圖像旋轉(zhuǎn)算法，基于圖像線性存儲結(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(diǎn)進(jìn)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(yán)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(diǎn)，進(jìn)行高效圖像旋轉(zhuǎn)的大規(guī)模數(shù)據(jù)調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)適用于大圖像的DSP實(shí)時(shí)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(jì)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(jìn)行插值，得到最終旋轉(zhuǎn)后視口圖像。實(shí)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(shí)現(xiàn)：
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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)之間的相對位置關(guān)系不發(fā)生變化，
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(yùn)算，對除第一行和第一列以外的像素，用式(2)進(jìn)行簡單的加減運(yùn)算即可。這樣避免了對整幅圖像的每個像素作矩陣乘法運(yùn)算，可節(jié)省5～6倍的CPU周期。
另外，對于旋轉(zhuǎn)計(jì)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(diǎn)
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(shí)鐘頻率下工作，每個指令周期可并行8條32位指令，可達(dá)到4 800MIＰＳ的峰值計(jì)算速度。DM642具有64個增強(qiáng)DMA(EDMA)通道，可進(jìn)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。
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(dú)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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(yuǎn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)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。
