基于并行DSP的SAR图像高速处理系统及其方法

摘要

本发明公开一种基于并行DSP的SAR图像高速处理系统及其方法，本发明的系统由上位机模块、控制中心模块、扩展存储模块和多个数据处理模块组成。本发明使用上位机存储和显示SAR图像、设置算法和参数、进行预处理并分块，再使用通用串行总线USB将数据和参数发送给控制中心模块；控制中心模块将数据暂存到扩展存储模块，然后通过链路端口LinkPort发送给多个数据处理模块，并实时进行任务调度；数据处理模块对数据进行处理，完成后将结果传回控制中心，由控制中心提交给上位机拼接结果并显示。本发明具有适用范围广、扩展性强、处理速度快的优点，可用于对合成孔径雷达SAR图像进行高速处理。

说明书

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，更进一步涉及数字信号处理技术领域中基于并行 数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)的合成孔径雷达(Synthetic  Aperture Radar，SAR)图像高速处理系统及其方法。本发明利用多片数字信号DSP 处理器组成的SAR图像高速处理系统及其方法，可以实现对大数据量的SAR图像进行高 速处理。

背景技术

合成孔径雷达SAR具有全天候、全天时工作、穿透性强等特点，在国民经济和军 事应用领域有着十分重要的应用。然而合成孔径雷达SAR图像数据量大，处理算法复 杂，执行时间长，因此需要高速处理系统。

上海海事大学提出的专利申请“一种基于FPGA及DSP功能的超高分辨率遥感图像 实时处理平台”(专利申请号200910197035.8，公开号CN101783008A)公开了一种 基于FPGA及DSP功能的超高分辨率遥感图像实时处理平台。该平台主要包括传感器组 成的图像采集模块、有现场可编程门阵列FPGA芯片等组成的图像预处理模块，以及由 数字信号微处理器DSP芯片等组成的遥感图像核心处理模块。可以对高分辨率遥感图 像进行高速实时图像信号处理。但是，该处理平台存在的不足是，第一，由于原图像 使用传感器采集，图像格式和大小不够灵活；第二，进行预处理的模块由FPGA组成， 参数的设置和调整性差；第三，核心处理模块由单片DSP芯片组成，处理速度不够， 不能完成大图像和复杂算法的实时处理。

深圳市迈科龙电子有限公司提出的专利申请“图像处理平台”(专利申请号 200910197035.8，公开号CN101207825A)公开了一种图像处理平台。该平台包括用 于将输入的模拟视频图像转化为数字视频图像的视频解码芯片，用于对数字视频图像 进行预处理及综合处理的一主DSP处理器，用于对视频图像处理的至少一个从DSP处理 器，用于逻辑控制和算法调度的现场可编程逻辑门阵列FPGA。用于对图像进行高速实 时处理。但是，该图像处理平台存在的不足是，第一，由于原图像使用解码芯片获取， 可处理的图像格式和大小不够灵活；第二，进行预处理和综合处理的模块由主DSP组 成，参数设置难以完成人工干预；第三，核心处理模块的从DSP处理器之间，并行方 式单一，难以发挥DSP的处理能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种基于并行DSP的SAR 图像高速处理系统及其方法，通过上位机打开和显示原图像，进行预处理和分块后， 使用通用串行总线USB接口将图像数据发送给FPGA控制中心，由控制中心转发给 多个并行的DSP数据处理模块，并进行任务调度。当处理完成后，控制中心取回处 理结果发回给上位机。上位机对结果拼接后，显示处理结果。

本发明的系统包括上位机模块，控制中心模块，扩展存储模块和数据处理模块； 所述上位机模块通过通用串行总线USB接口与控制中心模块连接，多个数据处理模块 通过链路端口LinkPort分别与控制中心模块连接，扩展存储模块与控制中心模块连 接；其中：

所述的上位机模块，用于存储和显示原图像及结果图像，设置处理参数，以及对 图像进行分块预处理；

所述的控制中心模块，由现场可编程门阵列FPGA组成，用于接收上位机模块发 送的图像数据、处理参数，从扩展存储模块存取数据，向各个数据处理模块发送数据 和处理指令，执行任务调度，回收处理结果发送回上位机模块；

所述的数据处理模块，由可扩展的多个处理板组成，每个处理板包括两片数字信 号处理器DSP和一片同步动态随机存储器SDRAM；所述两片数字信号处理器DSP采用 TigerSHARC20x系列，分为主处理器和从处理器，主、从处理器与同步动态随机存储 器SDRAM的数据总线、地址总线和控制总线分别对应相连，构成紧耦合连接方式；主 处理器的链路端口LinkPort与控制中心模块连接，构成松耦合连接方式；两种连接 方式共同构成本发明的并行处理结构。数据处理模块用于接收控制中心模块发送的数 据和指令，执行SAR图像处理算法。

所述的扩展存储模块，用于暂存中间数据，供控制中心模块调用。

本发明方法的具体步骤如下：

(1)显示原图像

使用鼠标和键盘，选择上位机中存储的数字SAR图像文件，上位机将所选择的SAR 图像显示在屏幕上；

(2)设置参数

2a)使用鼠标和键盘，在上位机的方法选择菜单中，用户根据所需的处理方法选 择分割或者去噪对应的选项；

2b)用户在方法选择菜单的设置窗口中，根据选择的处理方法，输入分割处理参 数或者去噪处理参数；

(3)预处理

由上位机采用在步骤(2)中所选择的处理方法和处理参数，对步骤(1)读取的 原图像进行处理；

(4)分配任务

4a)上位机将预处理后的图像，等分为与数据处理模块的个数相等的多个图像块；

4b)上位机将处理方法、处理参数和多个图像块，使用通用串行总线USB接口发 送给控制中心模块；

4c)控制中心模块将收到的处理方法、处理参数和多个图像块，暂存到扩展存储 模块；

4d)控制中心模块通过链路端口LinkPort，将每一个图像块发送给一个数据处理 模块；

4e)控制中心模块通过链路端口LinkPort，向所有处理器模块发送处理方法和处 理参数；

4f)控制中心模块通过链路端口LinkPort，向所有处理器模块发送开始计算指令；

(5)处理数据

5a)数据处理模块接收控制中心模块发送的图像块、处理方法和处理参数；

5b)当数据处理模块接收到开始计算指令后，根据其所接收到的处理方法和处理 参数，对图像块执行处理；

(6)判断是否完成处理

6a)控制中心模块每隔一定的时间，向所有数据处理模块发送查询进度指令；

6b)各个数据处理模块收到控制中心发来的查询进度指令后，向控制中心模块发 送处理进度值；

6c)控制中心判断各个处理进度值是否均为100％，若是，转入执行步骤(8)，否 则，转入执行步骤(7)；

(7)任务调度

7a)控制中心模块计算所有处理进度值的平均值；

7b)控制中心模块从处理进度值小于平均值的数据处理模块中，将未处理数据的 一半读回；

7c)控制中心模块将读回的未处理数据，发送给处理进度值大于平均值的数据处 理模块，然后转入执行步骤(5)；

(8)回收处理结果

8a)控制中心模块向各个数据处理模块发送回收结果指令；

8b)数据处理模块收到回收结果指令后，将处理结果通过链路端口LinkPort发 送给控制中心模块；

8c)控制中心模块将数据处理模块发来的处理结果存入扩展存储模块中；

8d)控制中心模块将处理结果通过通用串行总线USB接口，发送回上位机；

(9)拼接处理结果

上位机将接收的控制中心模块发回的处理结果，按照处理结果在原图像中所处的 位置，重新排列，完成拼接，获得完整的结果图像；

(10)显示结果

上位机将结果图像显示在屏幕上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明系统中上位机对图像进行预处理，克服了现有技术中使用现 场可编程门阵列FPGA时处理方法和参数设置不够灵活的缺点，使得本发明的系统适 用范围广，处理能力强。

第二，由于本发明系统中多片信号处理器DSP以松耦合和紧耦合的方式组成并 行化结构，克服了现有技术中并行化结构单一，可扩展性差的缺点，使得本发明可扩 展性强，结构灵活。

第三，由于本发明的方法采用控制中心进行任务分配和调度，克服了原有技术 中各处理器负载不均衡的缺点，使得本发明对处理器的利用率高，处理速度快。

附图说明

图1为本发明系统的方框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明系统做进一步的描述。

本发明的系统包括上位机模块，控制中心模块，扩展存储模块和数据处理模块； 所述上位机模块通过通用串行总线USB接口与控制中心模块连接，多个数据处理模块 通过链路端口LinkPort分别与控制中心模块连接，扩展存储模块与控制中心模块连 接。其中：

所述的上位机模块，由具有至少一个通用串行总线USB接口的上位机PC和上位 机软件组成，用于存储和显示原图像及结果图像，设置处理参数，以及对图像进行分 块预处理。

所述的控制中心模块，由现场可编程门阵列FPGA、通用串行总线USB芯片和多对 链路端口LinkPort组成，用于接收上位机模块发送的图像数据、处理参数，从扩展 存储模块存取数据，向各个数据处理模块发送数据和处理指令，执行任务调度，回收 处理结果发送回上位机模块。本发明的实施例中现场可编程门阵列FPGA使用Xilinx 公司的Virtex系列芯片；控制中心模块与上位机模块相连接的USB接口，使用Cypress 公司的USB芯片FX2LP组成；通过用FPGA读取FX2LP的从属先入先出存储器 SlaveFIFO，完成USB传输。

所述的数据处理模块，由可扩展的多个处理板组成，每个处理板包括两片数字信 号处理器DSP和一片同步动态随机存储器SDRAM；所述两片数字信号处理器DSP采用 TigerSHARC20x系列，分为主处理器和从处理器，TigerSHARC20x系列DSP芯片具有 4对LinkPort接口，本发明实施例中使用其中一对接口，采用一对数据线的LinkPort 数据协议；主、从处理器与同步动态随机存储器SDRAM的数据总线、地址总线和控制 总线分别对应相连，构成紧耦合连接方式；每块处理板的主处理器的链路端口 LinkPort与控制中心模块的一对连接，构成松耦合连接方式；两种连接方式共同构 成本发明的并行处理结构。数据处理模块用于接收控制中心模块发送的数据和指令， 执行SAR图像处理算法。

所述的扩展存储模块，由一片容量为128MB的同步动态随机存储器SDRAM组成， 作为现场可编程门阵列FPGA内部存储器的补充，用于暂存上位机传来的预处理结果 数据，暂存数据处理模块传来的处理结果数据，供控制中心模块调用。

下面结合图2对本发明方法做进一步的描述。

步骤1.显示原图像

使用鼠标和键盘，选择上位机中存储的数字SAR图像文件，上位机将所选择的SAR 图像显示在屏幕上。

步骤2.设置参数

使用鼠标和键盘，在上位机软件的方法选择菜单中，用户根据所需的处理方法选 择分割或者去噪对应的选项；用户在方法选择菜单的设置窗口中，根据选择的处理方 法，输入分割处理参数或者去噪处理参数。

步骤3.预处理

由上位机采用在步骤2中所选择的处理方法和处理参数，对步骤1读取的原图像 进行分割预处理或者去噪预处理，得到预处理后的图像。

步骤4.分配任务

上位机将预处理后的图像，等分为与数据处理模块的个数相等的多个图像块，分 割方式使得每个图像块为正方形；上位机将处理方法、处理参数和多个图像块，使用 通用串行总线USB接口发送给控制中心模块；控制中心模块将收到的处理方法、处理 参数和多个图像块，先暂存到扩展存储模块，然后通过链路端口LinkPort，将每一 个图像块发送给一个数据处理模块，向所有处理器模块发送处理方法和处理参数；最 后当所有数据都已发送给各个数据处理模块后，控制中心模块通过链路端口 LinkPort，向所有数据处理模块发送开始计算指令。

步骤5.处理数据

数据处理模块接收控制中心模块发送的图像块、处理方法和处理参数；保存在处理 板的同步动态随机存储器SDRAM中，然后等待控制中心模块的指令；当数据处理模块接 收到开始计算指令后，根据其所接收到的处理方法和处理参数，对图像块执行处理。

步骤6.判断是否完成处理

控制中心模块每隔一定的时间，向所有数据处理模块发送查询进度指令；各个数 据处理模块收到控制中心发来的查询进度指令后，根据本模块已经处理的数据计算出 处理进度值，向控制中心模块发送处理进度值；控制中心判断数据处理模块发送的各 个处理进度值是否均为100％，若是，则说明所有处理均已完成，转入执行步骤8，否 则，转入执行步骤7。

步骤7.任务调度

控制中心模块计算所有处理进度值的平均值；控制中心模块从处理进度值小于平 均值的数据处理模块中，将未处理数据的一半读回；控制中心模块将读回的未处理数 据，发送给处理进度值大于平均值的数据处理模块，这样就保证了处理器的负载平衡， 然后转入执行步骤5。

步骤8.回收处理结果

控制中心模块向各个数据处理模块发送回收结果指令；数据处理模块收到回收结 果指令后，将处理结果通过链路端口LinkPort发送给控制中心模块；控制中心模块 将数据处理模块发来的处理结果存入扩展存储模块中；控制中心模块将处理结果通过 通用串行总线USB接口，发送回上位机。

步骤9.拼接处理结果

上位机将接收的控制中心模块发回的处理结果，按照处理结果在原图像中所处的 位置，重新排列，完成拼接，获得完整的结果图像。

步骤10.显示结果

上位机将结果图像显示在屏幕上，与原图并列显示，进行对比。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的描述。

本发明仿真实验的条件是，使用相同的图像和相同的图像处理算法，分别在本发 明的系统和普通的PC机上对图像进行处理，比较处理时间。本发明的系统使用2个 数据处理模块；普通的PC机处理器为Intel Pentium Dual CPU T2330，2GB内存， Windows7操作系统，C语言编程。

实验结果如下表所示。

实验结果证明，本发明相比普通PC机，对于Graphcut分割算法，能将运行时间 降低大约75％；对于PB-SSM-A去噪算法，能将运行时间降低85％左右，均显著降低了 运行时间，提高了图像处理效率。可以看出，本发明具有处理速度快的优点。