圖3 Ping-Pong雙緩沖處理技術(shù)
至于如何在Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制中設(shè)計(jì)和安排傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)塊，則必須考慮針對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)本身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出具體的適用于旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略。
3 旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略
旋轉(zhuǎn)算法的數(shù)據(jù)調(diào)度目的是使算法能夠按照一定的規(guī)則，將源圖像數(shù)據(jù)有規(guī)律地分塊，并按次序分別傳輸?shù)紻SP片內(nèi)存儲(chǔ)器中，完成計(jì)算后，形成視口圖像塊，再將視口圖像塊按同樣的順序進(jìn)行排列，形成旋轉(zhuǎn)后的視口圖像。整個(gè)過程要求調(diào)入和調(diào)出的圖像數(shù)據(jù)均是規(guī)則分塊的，并且調(diào)入的源圖像塊中應(yīng)該包含計(jì)算視口圖像塊的過程中所需要的全部像素?cái)?shù)據(jù)，尤其需要解決其中的大量非連續(xù)圖像像素地址訪問問題，這樣才能正確地發(fā)揮DSP EDMA和Ping-Pong雙緩沖技術(shù)的性能。
3.1 非連續(xù)像素地址訪問
Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制中圖像數(shù)據(jù)塊在片內(nèi)、片外存儲(chǔ)空間的傳輸，主要依靠EDMA設(shè)置，在后臺(tái)進(jìn)行二維數(shù)據(jù)傳輸。Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下的EDMA的數(shù)據(jù)傳輸要求待傳輸?shù)膱D像塊具有統(tǒng)一的規(guī)律，即每次旋轉(zhuǎn)的圖像數(shù)據(jù)的傳輸過程不應(yīng)該因旋轉(zhuǎn)角度的變化而改變。
但是，旋轉(zhuǎn)后的視口圖像像素的地址排列與其在源圖像中的不同，不再具有連續(xù)的地址變化特征，并且視口圖像的像素地址在源圖像中的排列關(guān)系隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，沒有固定的規(guī)律，給Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下的EDMA的數(shù)據(jù)傳輸操作帶來很大困難，從而導(dǎo)致對(duì)源圖像塊的大量非連續(xù)像素地址訪問的問題。該問題是圖像旋轉(zhuǎn)本身所特有的，如果得不到很好解決，Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制就無法發(fā)揮作用，旋轉(zhuǎn)算法的實(shí)際DSP執(zhí)行效率也就得不到真正的提高。因此，實(shí)現(xiàn)滿足調(diào)入/調(diào)出圖像塊關(guān)系的數(shù)據(jù)調(diào)度就成為實(shí)現(xiàn)高效圖像旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。
3.2 旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略
本文提出的基于視口圖像塊覆蓋的源圖像數(shù)據(jù)分塊及其調(diào)度策略的思想是實(shí)現(xiàn)源圖像及視口圖像按塊處理，源圖像塊的范圍覆蓋視口圖像塊，且易于在源圖像塊內(nèi)進(jìn)行像素?cái)?shù)據(jù)訪問尋址，使源圖像塊內(nèi)像素地址變化具有連續(xù)的特征，以充分發(fā)揮出DSP EDMA的效率，并滿足Ping-Pong數(shù)據(jù)流程的規(guī)律性。旋轉(zhuǎn)算法DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略示意圖分別如圖4和圖5所示，其要點(diǎn)如下（以視口順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例）：
(1)視口輸出圖像分塊
如圖4(a)所示，將視口圖像分成矩形塊，作為每次旋轉(zhuǎn)運(yùn)算的基本單位，圖像塊之間依次排列。
(2)源圖像塊的取法
如圖4(b)所示，每個(gè)源圖像塊對(duì)應(yīng)一個(gè)視口圖像塊，源圖像塊的尺寸取為視口圖像塊尺寸的4倍（如視口塊尺寸為20×20像素，則源圖像塊就取為40×40像素），且源圖像塊的上邊框中點(diǎn)與相應(yīng)的視口圖像塊旋轉(zhuǎn)后的左上角頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)，這樣可保證順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度在0°～90°之間的任意情況下，源圖像塊始終覆蓋其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)后的視口圖像塊。
(3)兩圖像塊頂點(diǎn)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系
設(shè)第N個(gè)源圖像塊為fN(x，y)，旋轉(zhuǎn)后的視口圖像塊為f′N(x，y)，則源圖像塊的頂點(diǎn)局部坐標(biāo)地址值與旋轉(zhuǎn)后視口圖像塊的頂點(diǎn)局部坐標(biāo)地址值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
其中width指源圖像塊的寬度。
視口逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況與此類似（如圖5所示）。區(qū)別有以下兩點(diǎn)：
①源圖像塊的左邊框中點(diǎn)與相應(yīng)的視口圖像塊旋轉(zhuǎn)后的左上角頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)；
②源圖像塊的頂點(diǎn)局部坐標(biāo)地址值與視口圖像塊的頂點(diǎn)局部坐標(biāo)地址值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式應(yīng)為：
其中height指源圖像塊的高度。
(4)圖像塊的調(diào)度
由式(3)或式(4)計(jì)算出將要從源圖像中取出的對(duì)應(yīng)規(guī)則圖像塊的左上角頂點(diǎn)坐標(biāo)(即源圖像塊的起始地址)，然后用EDMA的二維數(shù)據(jù)傳輸將其調(diào)入片內(nèi)L2 SRAM中。可以看出，源圖像塊不再隨旋轉(zhuǎn)角度的變化而傾斜，其內(nèi)部像素的排列存在固定規(guī)律，像素地址具有連續(xù)變化的特征，故可使Ping-Pong雙緩沖數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下的EDMA二維數(shù)據(jù)傳輸順利進(jìn)行。
這種基于視口圖像塊覆蓋的旋轉(zhuǎn)算法DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略有效地解決了圖像旋轉(zhuǎn)中大量非連續(xù)像素地址訪問的問題，體現(xiàn)了空間換時(shí)間的思想，通過充分利用EDMA的高效數(shù)據(jù)傳輸，保證了整個(gè)旋轉(zhuǎn)處理的高速運(yùn)算節(jié)奏。
4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果
實(shí)驗(yàn)采用自行研制的高分辨率圖像處理平臺(tái)，以TMS320DM642芯片為主處理芯片，時(shí)鐘為600MHz，片外為64MB SDRAM。實(shí)驗(yàn)中源圖像通過調(diào)試JTAG口輸入，旋轉(zhuǎn)后的視口圖像結(jié)果從VPORT口經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，以VGA信號(hào)輸出。實(shí)驗(yàn)分別實(shí)現(xiàn)兩種尺寸（400×400像素和1024×768像素）的視口圖像旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的源圖像數(shù)據(jù)分別為1024×768像素和1920×1920像素的BMP格式的數(shù)字地圖圖像，采用0.005弧度旋轉(zhuǎn)角度遞增間隔，對(duì)分別采用式(1)的傳統(tǒng)像素逐點(diǎn)矩陣相乘方法、基于圖像線性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)方法以及基于本文數(shù)據(jù)調(diào)度策略的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的線性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)方法三種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行對(duì)比，分別統(tǒng)計(jì)其平均每幀運(yùn)行時(shí)間并轉(zhuǎn)換成幀率，其結(jié)果如表1所示。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于圖像線性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)算法比傳統(tǒng)的逐點(diǎn)相乘法的確在運(yùn)算量上有了大幅度削減，因而有效地提高了旋轉(zhuǎn)速度，但其仍然滿足不了實(shí)際大圖像旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)性要求。通過采用本文提出的數(shù)據(jù)調(diào)度策略對(duì)算法結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化后，算法的DSP執(zhí)行效率得到了顯著提高，可以滿足對(duì)DSP大圖像旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)性要求。
本文結(jié)合TMS320DM642的性能結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)算法在DSP平臺(tái)上具體實(shí)現(xiàn)過程中存在的嚴(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，提出了切實(shí)有效的基于視口圖像塊覆蓋的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略;對(duì)算法的結(jié)構(gòu)流程、數(shù)據(jù)調(diào)度等進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，并在此基礎(chǔ)上，在TI TMS320DM642 DSP上實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)高質(zhì)量大圖像旋轉(zhuǎn)方案。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的適用于圖像旋轉(zhuǎn)算法的DSP數(shù)據(jù)調(diào)度策略，保證了DSP大圖像旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)性，達(dá)到了實(shí)用性要求。
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