聲納圖像對(duì)比度增強(qiáng)的并行算法研究*

王石成，袁昌斌

(1.江蘇省連云港市氣象局,江蘇 連云港222000；2.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266100)

隨著聲成像技術(shù)的發(fā)展，聲圖像在海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，利用聲圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別已經(jīng)成為數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。聲納圖像的增強(qiáng)應(yīng)在保持圖像邊緣的前提下提取特征信息，增強(qiáng)處理的目的是改善原圖像的“視覺(jué)效果”。智能水下機(jī)器人通過(guò)對(duì)聲納圖像的不斷濾波、平滑和分割等處理，提取出目標(biāo)點(diǎn)特征和線特征，構(gòu)建基于環(huán)境特征的特征地圖仿真平臺(tái),使用同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(SLAM)算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航[1]。隨著聲納圖像尺寸和數(shù)量的不斷增加，矩陣計(jì)算需要消耗更多的時(shí)間，從而很難滿足圖像處理的實(shí)時(shí)性要求，嚴(yán)重影響了機(jī)器人導(dǎo)航定位的精度。而并行處理技術(shù)的發(fā)展和多核計(jì)算機(jī)的普及，加快了數(shù)據(jù)處理的速度，能有效處理大量數(shù)據(jù)，克服了上述問(wèn)題。

并行計(jì)算是指將一個(gè)應(yīng)用分解成多個(gè)子任務(wù)，分配給不同的處理器，各個(gè)處理器之間相互協(xié)同，并行地執(zhí)行子任務(wù)，從而達(dá)到加快求解速度[2]或者提高求解應(yīng)用問(wèn)題規(guī)模的目的?；诩旱牟⑿袌D像處理系統(tǒng)價(jià)格低廉、性能較高、可擴(kuò)展性好，具有廣闊的前景和重要的實(shí)用價(jià)值。

1 MATLAB集群的搭建

MATLAB并行計(jì)算就是把一個(gè)大規(guī)模的工作分解為若干小任務(wù)讓不同的計(jì)算機(jī)去處理，最后把計(jì)算結(jié)果回收，從而提高計(jì)算效率。

1.1 PCT和MDCS

在集群中利用MATLAB進(jìn)行并行計(jì)算需要并行計(jì)算工具箱 PCT(Parallel Computing Toolbox)和 MATLAB分布式計(jì)算服務(wù)器MDCS(MATLAB Distributed Computing Service)兩個(gè)必備的產(chǎn)品。PCT保證用戶利用MATLAB進(jìn)行應(yīng)用程序編寫(xiě)并與MATLAB進(jìn)行交互，給用戶提供了一個(gè)平臺(tái)。PCT支持全部MATLAB的M語(yǔ)言特性，同時(shí)支持大多數(shù)的工具箱語(yǔ)法。MDCS是在集群環(huán)境中實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的前提條件，使PCT的應(yīng)用程序得到擴(kuò)展，使其可以運(yùn)行在任意數(shù)量計(jì)算機(jī)的任意數(shù)量節(jié)點(diǎn)上。只要保證MDCS正確安裝，在使用過(guò)程中用戶不需要再對(duì)MDCS進(jìn)行任何操作。這對(duì)用戶是透明的，它可以看作是在后臺(tái)為機(jī)群中的PC提供一種連接通信支持。

1.2 MATLAB并行集群的搭建和配置

一個(gè)簡(jiǎn)單的MATLAB集群模型如圖1所示，集群中所有PC存在于一個(gè)局域網(wǎng)中。

圖1中，每個(gè)方框代表一臺(tái)PC，節(jié)點(diǎn)機(jī)1作為客戶機(jī)負(fù)責(zé)把一個(gè)大的工作分解成若干小任務(wù)分配給節(jié)點(diǎn)機(jī) 2、3、4來(lái)處理。Schedule和 Job Manager起著資源調(diào)度和管理作用，可以指定集群中的任意一臺(tái)PC來(lái)完成這個(gè)角色。

License Manager是一個(gè)許可管理服務(wù)[3]，裝有License Manager的PC為頭節(jié)點(diǎn)機(jī) (即Client)，機(jī)群中其他利用License Manager生產(chǎn)的License許可的PC為Worker節(jié)點(diǎn)機(jī)。MATLAB的安裝分為頭節(jié)點(diǎn)的安裝和Worker節(jié)點(diǎn)的安裝，為保證配置的穩(wěn)定性，所有節(jié)點(diǎn)都安裝MATLAB(R2010b)。各個(gè)Worker節(jié)點(diǎn)激活時(shí)需選擇頭節(jié)點(diǎn)機(jī)生成的license.dat許可文件，該文件位于頭節(jié)點(diǎn)機(jī)MATLAB安裝路徑的etc文件中。

2 滑動(dòng)鄰域操作

鄰域運(yùn)算是一種重要的空間域圖像增強(qiáng)方法?；瑒?dòng)鄰域操作每次處理一個(gè)像素，輸出圖像中任何給定像素的值，都通過(guò)給輸入圖像中對(duì)應(yīng)像素鄰域內(nèi)像素值應(yīng)用一個(gè)算法來(lái)確定。鄰域是一個(gè)矩形塊，當(dāng)圖像矩陣中從一個(gè)元素向下一個(gè)元素移動(dòng)時(shí)，鄰域塊向相同方向滑動(dòng)。采用滑動(dòng)鄰域操作來(lái)增強(qiáng)灰度圖像的對(duì)比度，即輸入圖像將以像素為單位進(jìn)行處理,鄰域塊空白的地方補(bǔ)0,對(duì)輸入圖形的每一個(gè)像素,指定的滑動(dòng)鄰域操作將決定輸出圖像相應(yīng)的像素值。

本文使用雙頻數(shù)字機(jī)械掃描式前視聲納作為水下探測(cè)工具，根據(jù)回波強(qiáng)度的不同生成聲納圖像。聲納圖像中強(qiáng)度比較大的回波形成圖像的白色區(qū)域，弱的回波形成圖像的黑色區(qū)域。根據(jù)聲納圖像的特點(diǎn)，選擇非線性變換來(lái)增強(qiáng)灰度圖像的對(duì)比度。MATLAB中nlfilter()函數(shù)可實(shí)現(xiàn)多種滑動(dòng)鄰域操作，其用法為：

x=nlfilter(x,[3,3],@enhance);

3個(gè)輸入?yún)?shù)分別為待處理的圖像、鄰域大小和一個(gè)返回標(biāo)量的圖像處理函數(shù)，輸出為一幅大小與輸入圖像相同的圖像。輸出圖像中的每個(gè)像素的值通過(guò)將對(duì)應(yīng)輸入像素的鄰域傳遞給返回標(biāo)量的那個(gè)函數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

3 并行算法研究

3.1 數(shù)據(jù)并行編程

MATLAB并行編程可分為任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行兩種方式。當(dāng)有大數(shù)據(jù)量需要同時(shí)處理，而單機(jī)又無(wú)法存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)量時(shí)，可考慮使用數(shù)據(jù)并行編程方法。數(shù)據(jù)并行是將大量的數(shù)據(jù)包分割成小的數(shù)據(jù)片段，再將這些片段分配給計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)和交互計(jì)算，提高了大數(shù)據(jù)量同時(shí)處理的能力。

使用 SPMD(Single Program Multiple Data)結(jié)構(gòu)，可以指定代碼的區(qū)段以在所有參與并行計(jì)算的Worker間并行運(yùn)行。程序執(zhí)行過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)將在其內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)和代碼傳輸給Worker，并在執(zhí)行完畢后將結(jié)果返回給MATLAB客戶端會(huì)話。SPMD結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以是分布式數(shù)組、并行函數(shù)以及消息傳遞函數(shù)。其中，“Single Program”指的是同一段代碼運(yùn)行在多個(gè)Worker上，在MATLAB客戶端上運(yùn)行一段程序，被標(biāo)志為SPMD的模塊運(yùn)行在各自的 Worker上?！癕ultiple Data”是指雖然SPMD語(yǔ)句在所有的Worker上運(yùn)行相同的代碼，但每一個(gè)Worker可以有獨(dú)有的數(shù)據(jù)，所以多數(shù)據(jù)集可以在多個(gè)Worker上同時(shí)被容納。

3.2 并行算法的執(zhí)行步驟

實(shí)驗(yàn)在客戶機(jī)(Client)上定義了作業(yè)管理器(Job Manager)和工作(Job)，通過(guò)分布式數(shù)組將 Client內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)和代碼傳輸給Worker,程序執(zhí)行的流程圖如圖2所示。讀入原始圖像，進(jìn)行灰度處理，先在Client機(jī)上進(jìn)行串行計(jì)算，再判斷是否存在作業(yè)管理器，若沒(méi)有則創(chuàng)建，然后打開(kāi)MATLAB進(jìn)程池,利用distributed函數(shù)生成分布式數(shù)組發(fā)送給4個(gè)Worker進(jìn)行各自的滑動(dòng)鄰域操作，再將處理結(jié)果返回到Client中，合成一幅完整的圖像。最后Client機(jī)串行處理圖像，4個(gè)SPMD Worker濾波后的圖像在一幅圖中顯示出來(lái)，以便將處理結(jié)果進(jìn)行比較。

4 算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 算法的編譯環(huán)境

實(shí)驗(yàn)中操作系統(tǒng)為Windows 7,集群系統(tǒng)由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)路由器來(lái)構(gòu)建，可在DOS命令行下打開(kāi)圖形用戶界面Admin Center來(lái)管理集群機(jī)器。兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU配置分別為：Intel Core i3 CPU 2100 3.10 GHz(四核)和 Intel Core i5 CPU 2320 3.0 GHz(四核),內(nèi)存都為4 GB。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)配置的環(huán)境運(yùn)行程序，經(jīng)過(guò)4個(gè)SMPD Worker濾波后的效果如圖3所示。其中，3條白線將圖像平均分為4部分，嚴(yán)重影響了圖像的完整性。這是因?yàn)樵趫D像分割的過(guò)程中，distributed函數(shù)向4個(gè)Worker發(fā)送分布式數(shù)組時(shí)，各個(gè)Worker間的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，因而沒(méi)有捕捉到前一個(gè)Worker數(shù)據(jù)的最后1列和下一個(gè)Worker數(shù)據(jù)的第1列。

圖2 程序執(zhí)行的流程圖

為解決上述問(wèn)題，MATLAB通過(guò)labSend-Receive命令來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)Worker間的通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。labSendReceive的用法為：

其中，data為發(fā)送lab中將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，received為接收l(shuí)ab中保存的數(shù)據(jù)。利用labSendReceive命令重新修改程序后的運(yùn)行效果如圖4所示。其中，圖4(a)是經(jīng)Client主機(jī)串行濾波后的圖像，右圖是改進(jìn)算法后4個(gè)SMPD Worker濾波后的圖像。圖 4(b)可見(jiàn)，并行圖像增強(qiáng)算法和串行算法處理效果一樣，但前者在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

為了檢測(cè)并行優(yōu)化效果，分別進(jìn)行了串并行的時(shí)間測(cè)試，實(shí)驗(yàn)性能對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1可看出，算法由單線程改為不同數(shù)量的多線程并行執(zhí)行時(shí),加速比隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而上升。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,并行加速比增加趨于緩慢，并行計(jì)算效率下降。這主要是由于隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，節(jié)點(diǎn)間通信開(kāi)銷(xiāo)變大,工作機(jī)之間可能出現(xiàn)負(fù)載不平衡等因素引起的。

表1 對(duì)比度增強(qiáng)并行算法的性能測(cè)試

本文搭建了MATLAB并行計(jì)算集群，詳細(xì)介紹了安裝步驟和編譯環(huán)境的配置。根據(jù)滑動(dòng)鄰域原理設(shè)計(jì)了前視聲納圖像對(duì)比度增強(qiáng)的并行算法，總體達(dá)到了預(yù)期效果。MATLAB提供的分布式數(shù)組機(jī)制縮短了并行程序開(kāi)發(fā)的周期，為海量數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理提供了可能[4]。本文對(duì)MATLAB并行算法做了一些嘗試性工作，獲得了很好的效果，提出的方法對(duì)其他MATLAB并行相關(guān)問(wèn)題的研究有實(shí)際的借鑒作用。

[1]張潔.基于聲納的水下機(jī)器人同時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

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[3]錢(qián)巍，呂晶，李晗靜.一種機(jī)群系統(tǒng)下的并行圖像處理環(huán)境[J].哈爾濱師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，21(2)：61-65.

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