Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Широкое применение обработки изображений при решении важных народно-хозяйственных проблем, таких как исследование природных ресурсов Земли, техническое зрение роботов, биология и медицинская кибернетика, томография и п., трудоемкость и низкая скорость обработки изображений существующими методами и-средствами обуславливают необходимость создания высокопроизводительных систем цифровой обработки изображений (ЦОИ). Опыт разработки и эксплуатации таких систем показал, что для решения задач оперативной обработки потоков видеоданных вы--сокой плотности необходимо создание специализированных вычислительных устройств, в которых для повышения скорости обработки используется естественный параллелизм алгоритмов обработки изображений. С другой стороны, современная микроэлектронная элементная база предоставляет разработчику возможность построения высокопроизводительных устройств с параллельной организацией вычислений, сочетающих относительно малые стоимость и габариты с высоким быстродействием и гибкостью обработки. Поэтому вопросы разработки алгоритмов наиболее часто встречающихся операций ЦОИ, позволяющих синтезировать регулярные, модульно-наращиваемые структуры процессоров, ориентированные на реализацию в СБИС и позволяющие вести обработку изображений в реальном масштабе времени, являются в настоящее время исключительно актуальными.
Для решения достаточно широкого класса задач ЦОИ на аппаратном уровне,необходимо выделить набор определенных стандартных операций, из которых можно строить алгоритм для решения произвольной задачи. Практика.ЦОИ показала, что тако-зыми являются операции цифровой фильтрации (ЦФ) изображений, операции ЦФ обладают свойством локальности, т. е. обрабатывает изображения сразу по группам элементов, располагающихся в некоторой окрестности вокруг данного. Это соответствует особенностям изображений как двумерных сигналов, в которых каждый элемент находится в определенной связи с соседними элементами. С другой стороны, свойство локальности операций ЦФ естественным образом удовлетворяет требованиям, которые
предъявляются к алгоритмам, "удобным" для реализации в СБИС.
Линейные ЦФ, среди которых наиболее широко используется цифровая двумерная (линейная, апериодическая) свертка (ЦДС), естественным образом удовлетворяет свойству локальности. Типовыми задачами ЦОИ, использующими операцию ЦДС являются: цифровая нерекурсивная фильтрация, корреляция, интерполяция, согласованная фильтрация, корреляционная привязка изображений и т.д. Проблеме разработки алгоритмов и струкіур процессоров ЦДС посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов, однако вопросы разработки алгоритмов и структур процессоров ЦДС высокой производительности являются недостаточно исследованными.
Среди операций нелинейной ЦФ изображений в настоящее время широкое распространение получили адаптивные амплитудные преобразования, основанные на измерении и анализе гистограмм распределения значений видеосигнала, а также морфологические фильтры и операции клеточной логики. Все эти операции можно рассматривать как подкласс двумерных , пространственных фильтров, обладающих свойством локальности. Наиболее часто из адаптивных амплитудных преобразований используются ранговые фильтры (РФ), скользящая модификация (СМГ) и эква-лизация (СЭГ) гистограмм.
Ранговые фильтры; частным случаем которых является медианный фильтр, используется для решения следующих типовых задач "ОИ: подавление импульсных помех, выделение границ объектов, классификация многозональных изображений и т.д.
Скользящая модификация гистограмм используется для коррекции градационных искажений в каналах приема-передачи изображений и приведения распределения яркости элементов изображения к заданному виду в задачах сравнения изображений, полученных в условиях различной освещенности. Наиболее часто в практике ЦОИ используется частный случай СМГ - скользящая эквализация гистограмм, которая применяется для решения следующих задач: улучшение качества изображений (повышение контраста): в качестве промежуточного шага модификации гистограмм произвольного вида: сначала изображение приводится к стандартному виду (с выровненной гистограммой), а затем к заданному: для получения изображений с более грубым харак-
тером квантования, например, для воспроизведения на устройствах, допускающих передачу малого числа уровней яркости.
Морфологические фильтры и операции клеточной логики используются для сжатия, расширения, утоньшения, скелетизации, выделения заданных структурных элементов объектов и т. д. С помощью этих операций выполняются задачи сглаживания границ объектов, выделение контуров, скелетов, характерных точек объектов, фильтрация импульсных помех.
Среди нелинейных ЦФ наиболее исследованными являются алгоритмы и структуры процессоров ранговой фильтрации, относительно менее исследованы алгоритмы и структуры процессоров морфологической фильтрации и операций клеточной логики, И' наименее - скользящей модификации и эквализации гистограмм. Сформулированные выше требования к алгоритмам и структурам процессоров ЦОИ требуют разработки новых.алгоритмов и структур процессоров ранговой фильтрации, скользящей эквализации и модификации гистограмм, морфологической фильтрации и операций клеточной логики, удовлетворяющих этим требованиям.
Предметом исследования являются параллельно-конвейерные алгоритмы и структуры процессоров линейной и нелинейной фильтрации изображений.
Цель и задачи исследования - совершенствование алгоритмические и структурных способов повышения производительности систем цифровой фильтрации изображений для построения регулярных, модульно-наращиваешх структур процессоров фильтрации изображений, ориентированных на реализацию в СБИС. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
выполнить унификацию операций цифровой фильтрации изображений путем приведения их к обобщенному виду;
разработать алгоритмические'основы организации параллельно-конвейерных вычислений для цифровой фильтрации изображений;
разработать основы структурной организации параллельно-конвейерных процессоров для цифровой фильтрации изображений, а также исследовать способы их реализации на современной и перспективной элементной базе.
Научная новизна заключается в следующем:
произведена унификация наиболее массово используемых в практике цифровой обработки изображений операций линейной и нелинейной фильтрации изображений, т.е. выполнено приведение этих к обобщенному виду;
предложена классификация параллельно-конвейерных алгоритмов цифровой фильтрации изображений;
разработан базовый набор параллельно-конвейерных алгоритмов цифровой фильтрации изображений:
разработан базовый набор параллельно-конвейерных структур процессоров фильтрации изображений;
приведены аналитические оценки аппаратно-временных затрат разработанных параллельно-конвейерных структур процессоров фильтрации изображений.
Практическая ценность работы заключается в разработке ряда конкретных параллельно-конвейерных структур процессоров фильтрации изображений. реализуемых как в специализированных, так и на стандартных СБИС (например стандартных микропроцессорных комплектах), отличающихся различными аппарат-но-временньш характеристиками. Предложены практические рекомендации по выбору структур процессоров фильтрации в зависимости от заданных ограничений на скорость обработки, быстродействие элементной базы и размер окна фильтрации.
На запиту выносятся :
1. Способы приведения операций цифровой двумерной
свертки, скользящей эквализации и модификации гистограмм,
ранговой фильтрации, морфологической фильтрации, операций
клеточной логики, а также операций формирования различного
вида одномерных и двумерных гистограмм к обобщенному виду.
2. Классификация параллельно-конвейерных алгоритмов
'цифровой фильтрации изображений.
-
Параллельно-конвейерные алгоритмы цифровой фильтрации изображений.
-
Параллельно-конвейерные структуры процессоров фильтрации изображений.
-
Аналитические оценки аппаратно-временных затрат разработанных . параллельно-конвейерных структур процессоров фильтрации изображения.
Апробация работа. Основные положения и результаты ис-
следований по теме диссертации докладывались, и обсуждались на Всесоюзной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (Новосибирск, 1984), Всесоюзной конференции "Микропроцессорные системы" (Челябинск, 1984), II Всесоюзной конференции "Методы и средства; обработки сложной графической информации" (Горький," 1985), Всесоюзных конференциях "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1983, 1986 и 1989), IV и V Всесоюзных школах-семинарах "Распараллеливание обработки информации" (Львов, 1983 и 1985), VI Всесоюзной школе-семинаре по оптической обработке информации (Фрунзе, 1986), краткосрочном семинаре- ЛДНТП "Системы цифровой обработки' сигналов" (Ленинград. 1988), III Всесоюзной конференции "Автоматизированные системы обработки изображений "'(Ленинград.' 1989),'II Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Фрунзе, 1990), Latvian Signal Processing International Conference (Riga, 1990), Межрегиональном семинаре "Системы цифровой обработки и анализа изображений" (Рига. 1991), конференции "Проблемы создания систем обработки, анализа и понимания изображений" (Ташкент. 1991), Международной выставке - семинаре IMPROGRAPH'92 (Москва, 1992). а также на предприятиях и учебных заведениях России и Болгарии.
Внедрение результатов. Результаты проведенных исследований нашли практическое внедрение в следующих разработках, выполненных при участии автора (ответственный исполнитель) в соответствии с тематическими планами работ кафедры вычислительной техники ГИТМО:
конвейерная мультимикропроцессорная система обработки видеоинформации (1983-1986 г.г. - п/я Р-6681, Ленинград);
процессор обработки изображений (1987 - 1991 г.г. -п/я Р-6681, Ленинград);
система технического зрения робота - манипулятора (1989-1990 г. г. - ВМЭИ им. В.И.Ленина. Пловдив,. Болгария);
макет аппаратуры ввода оптического изображения в ПЭВМ (ЛИТМО, 1991-1992 г.г.);
-' система обработки и анализа изображений (1993-1994 г.г. - ОКБ "Омега", Новгород).
Все результаты, полученные при проведении указанных ра-
.-8-
бот, защищены авторскими свидетельствами. За разработку функционального модуля двумерной медианной фильтрации -и скользящей эквализации гистограмм в составе разработанной в ЛИТМО аппаратуры динамической регистрации и обработки изображения с фотоприемным модулем на базе ПЗС в 1986 г. получена бронзовая медаль ВДНХ.
Кроме того, основные научно-методические разработки, представленные в диссертации, внедрены в ГИТМО, а также использовались в лекционных курсах, лабораторных и практических работах на кафедре вычислительной техники ГИТМО и Межотраслевого института повышения квалификации работников промышленности (МИПК РП) при ГИТМО, при.подготовке научных кадров в аспирантуре ГИТМО.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 68 работах, включая 17 авторских свидетельств.
ртруктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы. Она содержит 288 страниц машинописного текста, 104 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 192 наименования.
