圖像匹配最大互相關(guān)算法的專(zhuān)用ASIC硬件實(shí)現(xiàn)方式研究

摘要：探討一種專(zhuān)用ASIC硬件實(shí)現(xiàn)方法，這種方法將DSP的靈活性與ASIC的高效性相結(jié)合，構(gòu)造了單DSP+多ASIC的嵌入式計(jì)算機(jī)，對(duì)圖像匹配獲得了滿意的效果。并由此提出了更高性能的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：圖像匹配 最大互相關(guān) 硬件實(shí)現(xiàn)

圖像匹配是把從同一景物利用兩個(gè)不同的傳感器錄取下來(lái)的兩幅灰度圖像在空間上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，以確定兩幅圖像之間相對(duì)偏移的過(guò)程，通常是在已知的MxM個(gè)象素的光學(xué)或雷達(dá)基準(zhǔn)圖中尋找NxN個(gè)象素的實(shí)時(shí)圖像的匹配位置。圖像匹配是計(jì)算機(jī)圖像科學(xué)的一種基本處理方法，在飛行器導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤、資源分析、文字識(shí)別等領(lǐng)域中具有極其重要的作用。這些高科技領(lǐng)域往往要求極高的實(shí)時(shí)性，而且要求運(yùn)算速度要高達(dá)每秒幾億甚至10億次操作以上。圖像匹配的運(yùn)算量非常大，如對(duì)較小的36x36的實(shí)時(shí)圖和150x150的基準(zhǔn)圖，采用最大互相關(guān)算法進(jìn)行全搜索圖像匹配，它的運(yùn)算量（約與（M-N+1）2xN2成正比）高達(dá)1714萬(wàn)次乘法和1714萬(wàn)次加法以上（不計(jì)對(duì)基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)預(yù)處理運(yùn)算次數(shù)）。這些特點(diǎn)使一般的基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)預(yù)處理運(yùn)算次數(shù)）。這些特點(diǎn)使一般的單CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)難以甚至無(wú)法滿足要求，特別是在航空航天等高惡劣環(huán)境的嵌入式應(yīng)用中，更是無(wú)法滿足高可靠性要求，因而必須采用高速靈活的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，才能可滿足上述的要求。

圖像匹配一般可采用如下幾種方式實(shí)現(xiàn)：①軟件；②高速DSP；③面向算法的專(zhuān)用ASIC器件。軟件方法靈活，可大大降低計(jì)算量，但它必須以高速DSP硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，才可能滿足高實(shí)時(shí)性要求；高速DSP方法簡(jiǎn)單靈活，能夠滿足高實(shí)時(shí)性要求，如TI公司的TMS320C6X系列高速DSP芯片，速度高達(dá)1600MIPS[4]，單片機(jī)就可實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。以這高速DSP芯片組成的硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)是圖像匹配計(jì)算機(jī)首選的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。但對(duì)應(yīng)用于尖端科技的這些高速DSP芯片，西文發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)采取禁售策略，這使我國(guó)的某些科技領(lǐng)域受到很大的制約，因此在我國(guó)必須另辟途徑以避免禁售策略的制約。面向算法的專(zhuān)用ASIC器件方法，采用大量的并行功能單元，速度高、可以滿足嵌入式應(yīng)用中的高速實(shí)時(shí)計(jì)算要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件編程簡(jiǎn)單、硬件實(shí)現(xiàn)容易、體積小、成本低，特別適應(yīng)我國(guó)國(guó)情。因此開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)用ASIC組成的高速圖像匹配計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

從圖像匹配整個(gè)過(guò)程來(lái)看，雖然它具有非常大的運(yùn)算量，但是它的運(yùn)算主要為大量重復(fù)進(jìn)行的乘法和加法運(yùn)算，這就使它具有高度并行性、簡(jiǎn)單笥和重復(fù)性的特點(diǎn)。例如圖1（每一方格代表一8位灰度圖像數(shù)據(jù)）各對(duì)象素之間的計(jì)算以及各組子圖之間的計(jì)算均沒(méi)有結(jié)果的依賴(lài)性，這些特點(diǎn)使它非常適合于采用流水并行技術(shù)的ASIC電路。同時(shí)，圖像匹配理論和諸機(jī)并行結(jié)構(gòu)理論以及超大規(guī)模集成電路VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展也為圖像匹配的專(zhuān)用硬件實(shí)現(xiàn)方法提供了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)，使圖像匹配的高實(shí)時(shí)性能夠進(jìn)一步得到提高。

1 圖像匹配最大互相關(guān)算法分析

基于灰度的圖像匹配算法有許多種，其中最基本的有最小絕對(duì)差算法、最小平方差算法，最小卷積算法、最大互相關(guān)算法、不變矩算法等十幾種。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中最大互相關(guān)算法具有去直流噪聲、匹配位置準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因而成為圖像匹配采用的主要方法。它的原始公式為：

由于原始公式中的變量X（i,j）,Y(i+u,j+v)為去均值后的圖像數(shù)據(jù)，不是原始圖像象素?cái)?shù)據(jù)，這樣的算法結(jié)構(gòu)有正有負(fù)、中間結(jié)果量多、計(jì)算量大、規(guī)律性差，不利于專(zhuān)用硬件實(shí)現(xiàn)[3]，因此必須對(duì)原始公式進(jìn)行變換。把（2）和（3）式代入原始公式（1）中，變換后的公式為：

由于在圖像匹配搜索過(guò)程中基準(zhǔn)圖是已知的，可預(yù)先對(duì)基準(zhǔn)圖子圖數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和平方均值計(jì)算，然后預(yù)先裝配在相關(guān)計(jì)算機(jī)上。在圖像匹配過(guò)程中可不記其所需時(shí)間，因此圖像匹配所需時(shí)間主要為求實(shí)時(shí)圖數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)子圖數(shù)據(jù)的卷積。這一結(jié)論也可通過(guò)實(shí)際圖像匹配運(yùn)算得到。在TI公司TMS320C30DSP（33M）上，采用公式（4）對(duì)不同象素?cái)?shù)的實(shí)時(shí)圖和參考圖進(jìn)行全搜索圖像匹配，其運(yùn)算時(shí)間如表1所示（匯編程序、程序放置在片內(nèi)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)片外零等待存儲(chǔ)器）。

從表1可看出，圖像匹配的最大互相關(guān)算法主要?dú)w結(jié)為卷積運(yùn)算，因此采用專(zhuān)用的硬件卷積電路必將大大加快圖像匹配運(yùn)算速度。

表1 采用互相變換公式圖象匹配運(yùn)算周期數(shù)和時(shí)間

2 以TMS320C30和專(zhuān)用ASIC器件LS9501組成的圖像匹配計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

2.1 專(zhuān)用圖像匹配器件LS9501介紹

LS9501[2]是西安微電子技術(shù)研究所根據(jù)圖像匹配的特點(diǎn)研制成功的一個(gè)高速[20M]二維具有3x3內(nèi)核的卷積器，它的主要功能是可同時(shí)對(duì)9對(duì)象素值實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算，即實(shí)現(xiàn)：。LS9501的輸入是二維無(wú)符號(hào)8位的圖像數(shù)據(jù)，輸出是無(wú)符號(hào)20位卷結(jié)果和二維串行移位無(wú)符號(hào)8位的圖像數(shù)據(jù)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用流水線并行技術(shù)，主要的功能單元有寄存器組、快速乘法器、加法器和控制電路，如圖2所示。電路中設(shè)置的兩組寄存器A和B由9個(gè)8位的移位寄存器構(gòu)成，可存放9個(gè)圖像象素?cái)?shù)據(jù)。9個(gè)快速乘法器可保證在每一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)同時(shí)進(jìn)行9對(duì)圖像數(shù)據(jù)相乘。其工作原理為：向A寄存器輸入9個(gè)實(shí)時(shí)圖象素?cái)?shù)據(jù)后，再向B寄存器輸入入九個(gè)基準(zhǔn)圖像素?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)9對(duì)象素值輸入完后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲，即可得到卷積結(jié)果。此后，如A寄存器的數(shù)據(jù)不變，B寄存器繼續(xù)輸入數(shù)據(jù)，則每輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，即可獲得一個(gè)9個(gè)圖像象素?cái)?shù)據(jù)卷積結(jié)果。如果將多個(gè)LS9501卷積器級(jí)連起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)更多對(duì)象素?cái)?shù)據(jù)的卷積運(yùn)算。例如，將4個(gè)LS9501級(jí)連，可實(shí)現(xiàn)36對(duì)象素?cái)?shù)據(jù)的卷積，但要將4個(gè)卷積器的結(jié)果加起來(lái)，才能得到最后的結(jié)果。為此，西安微電子技術(shù)研究所研制了級(jí)連加法器LS9502，它的功能是在60ns內(nèi)將4LS9501的輸出結(jié)果求和。

3 圖像匹配計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

將4個(gè)卷積器LS8501和級(jí)連加法器LS9501組合起來(lái)作為T(mén)MS320C30數(shù)字信號(hào)處理器的快速協(xié)處理器部件，可組成一種高速的單DSP+多ASIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的嵌入式計(jì)算機(jī)，如圖3所示。其工作過(guò)程為：首先TMS320C30按一定次序把36個(gè)實(shí)時(shí)圖象素?cái)?shù)據(jù)從實(shí)時(shí)圖存儲(chǔ)器中取出并輸入LS9501的A寄存器中，然后，從基準(zhǔn)圖存儲(chǔ)中將基準(zhǔn)圖像素?cái)?shù)據(jù)輸入B寄存器。輸入36個(gè)基準(zhǔn)圖像素?cái)?shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲，即可讀出第一個(gè)36對(duì)圖像象素?cái)?shù)據(jù)卷積結(jié)果。此后即建立起流水，每輸入一個(gè)基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)可得到相應(yīng)36對(duì)圖像象素?cái)?shù)據(jù)卷積結(jié)果，直至對(duì)整個(gè)基準(zhǔn)圖匹配計(jì)算完。當(dāng)實(shí)時(shí)圖比較大時(shí)，可把實(shí)時(shí)圖分成若干子圖，然后對(duì)每一個(gè)子圖分別進(jìn)行卷積運(yùn)算，最后再把它們的結(jié)果加在一起。這樣，工作量最大的匹配計(jì)算任務(wù)由LS8501完成，TMS320C30將各個(gè)圖匹配結(jié)果進(jìn)行累加，求最大互相關(guān)值，并對(duì)卷器控制輸入8位灰度圖像數(shù)據(jù)。

4 圖像匹配結(jié)果與討論

在上述圖像匹配計(jì)算機(jī)中，采用美國(guó)TI公司的TMS320C30（33M）DSP芯片主為處理器，4片關(guān)并行的LS9501和級(jí)連加法器LS9502組成圖像匹配協(xié)處理器，外部圖像存儲(chǔ)器讀寫(xiě)為零等待狀態(tài)。根據(jù)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把36x36的實(shí)時(shí)圖分成36個(gè)4x9的子圖，然后計(jì)算每一子圖與相應(yīng)基準(zhǔn)圖子圖卷積，最后把各個(gè)子圖卷積結(jié)果累加在一起。通過(guò)編寫(xiě)TMS320C30匯編程序，對(duì)不同大小實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖進(jìn)行搜索（即匹配所有（M-N+1）2個(gè)子圖）最大互相差匹配運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果匹配位置正確。匹配運(yùn)算時(shí)間如表2所示（對(duì)基準(zhǔn)圖像素?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理，不計(jì)運(yùn)算時(shí)間）。

表2 實(shí)時(shí)圖和基準(zhǔn)圖匹配運(yùn)算時(shí)間

從表2可看出，采用專(zhuān)用集成電路LS9501可大大加快圖像匹配運(yùn)算速度，而且編程比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，實(shí)測(cè)結(jié)果令人滿意的。

本研究為國(guó)家“九五”預(yù)研項(xiàng)目“高速數(shù)字信號(hào)處理機(jī)技術(shù)”的一部分，已通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，并已應(yīng)用于高速圖像相關(guān)計(jì)算機(jī)中。這一研究的成功使我們看到了打破西方禁售策略的一種簡(jiǎn)單可行的方法。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)LS9501具有非常大的提高其實(shí)時(shí)性的潛力，現(xiàn)分析如下：

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，LS9501內(nèi)部圖像數(shù)據(jù)移位寄存器時(shí)鐘和3級(jí)加法器寄存器時(shí)鐘不為同一時(shí)鐘，這使得卷積模塊的并行效率大為降低。如果將其改進(jìn)為同一時(shí)鐘，那篤在圖3所示單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，對(duì)（36x36）實(shí)時(shí)圖與（128x128）或（150x150）基準(zhǔn)圖圖像匹配時(shí)間將分別為394ms和592ms，圖像匹配速度提高約1倍（軟件模擬）。另外在實(shí)驗(yàn)的單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，卷積模塊完全靠TMS320C30控制，其時(shí)鐘輸入依賴(lài)TMS320C30讀寫(xiě)信號(hào)，而且TMS329C30對(duì)外部存儲(chǔ)器連續(xù)時(shí)讀寫(xiě)信號(hào)不變化[1]，必須加NOP指令以使讀寫(xiě)信號(hào)變化。這樣LS9501的性能沒(méi)有得到完全發(fā)揮，而且TMS320C30也不能處理其它任務(wù)，二者依賴(lài)性太大，相互制約，并行度和實(shí)時(shí)性難以得到提高。卷積模塊發(fā)展為智能卷積處理器，那么硬件結(jié)構(gòu)右發(fā)展為主從式雙機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：主機(jī)為DSP，從機(jī)為卷積處理器。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可使DSP與卷積器的依賴(lài) 性降到最低，提高任務(wù)級(jí)并行性，也可最大限揮LS9501的性能，從而提高圖像匹配的速度。在不增加單芯片實(shí)現(xiàn)的卷積規(guī)模條件下，開(kāi)發(fā)更高速度的LS9501，同樣可提高圖像匹配的速度。不容質(zhì)疑，提高單芯片實(shí)現(xiàn)的卷積規(guī)模必將較大地提高圖像匹配的速度。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及以上分析可以預(yù)見(jiàn)，圖像匹配最大互相關(guān)的專(zhuān)用ASIC實(shí)現(xiàn)方法是一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方法，并具有很好的發(fā)展前景，完全可以開(kāi)發(fā)體積小、成本低、速度與TI公司C6000系列高性能DSP的速度相比美的卷積處理器。