基于DSP的實(shí)時(shí)去霧優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)*

朱學(xué)俊，凌 強(qiáng)，李博倫，徐 駿，陳仁愛，王傳根，邱換春，王庚中，張乾坤（.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 3007；.安徽超遠(yuǎn)信息技術(shù)有限公司，安徽 合肥 300）

基于DSP的實(shí)時(shí)去霧優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)*

朱學(xué)俊1，凌 強(qiáng)1，李博倫1，徐 駿1，陳仁愛1，王傳根2，邱換春2，王庚中2，張乾坤2
（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027；2.安徽超遠(yuǎn)信息技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230021）

提出一種針對(duì)基于暗原色先驗(yàn)去霧算法的優(yōu)化方法，分為算法級(jí)優(yōu)化和基于DSP的優(yōu)化。算法優(yōu)化中主要采用降采樣處理，以及針對(duì)YUV格式轉(zhuǎn)化的優(yōu)化；基于DSP優(yōu)化中采用針對(duì)TI C674x系列的優(yōu)化方法，如編譯器優(yōu)化、浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)、查表法、DMA（直接內(nèi)存存取）的使用以及線性匯編等。最終針對(duì)1080P的YUV格式的交通視頻可以達(dá)到實(shí)時(shí)去霧處理，并且有較好的去霧效果。

實(shí)時(shí)；去霧；DSP；優(yōu)化

0 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，空氣污染越來越嚴(yán)重，尤其是霧霾對(duì)人類造成了嚴(yán)重的影響。霧霾天氣造成能見度低下，嚴(yán)重影響駕駛安全和交通監(jiān)控的性能，所以開發(fā)一種基于嵌入式平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)去霧的設(shè)備很有必要。

本文針對(duì)基于暗原色先驗(yàn)的去霧算法進(jìn)行優(yōu)化，主要分為算法上的優(yōu)化和基于DSP的優(yōu)化，最終針對(duì)1080P YUV格式的交通視頻，能夠在C674x系列 DSP上達(dá)到實(shí)時(shí)去霧的效果，即處理速度在40 ms/幀以內(nèi)。

1 算法級(jí)優(yōu)化

［1］中提出的基于暗原色先驗(yàn)的單幅圖像去霧方法開辟了圖像去霧的一個(gè)新的領(lǐng)域。其中使用軟摳圖的方法對(duì)透射率進(jìn)行精細(xì)化，有非常好的視覺效果。但是軟摳圖復(fù)雜度非常高，要想針對(duì)高清視頻實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理很難實(shí)現(xiàn)。后來作者又在參考文獻(xiàn)［2］中提出導(dǎo)向?yàn)V波代替［1］的軟摳圖，處理效果相當(dāng)，速度提高 100倍左右。即使速度提高了很多，針對(duì)1080P的視頻要在C674x系列DSP上達(dá)到實(shí)時(shí)處理還有很大的差距。本文主要就是針對(duì)上述去霧方法在算法上進(jìn)行一些優(yōu)化。

1.1 降采樣處理

本文研究的去霧方法是針對(duì)1080P（1920×1080）的高清視頻，想達(dá)到實(shí)時(shí)處理，每幀的處理時(shí)間需要小于等于40 ms。使用基于暗原色先驗(yàn)的去霧方法處理1920×1080大小的圖像，算法復(fù)雜度較高，在DSP上達(dá)到實(shí)時(shí)處理非常困難。本文使用12倍降采樣，每12×12的窗口取一個(gè)像素點(diǎn)，轉(zhuǎn)換成160×90大小的圖像。算法的處理都是針對(duì)降采樣之后的圖像進(jìn)行的，求得160×90大小的透射率圖，最后直接重構(gòu)成1920×1080大小的無霧圖像。

1.2 圖像格式轉(zhuǎn)換優(yōu)化

參考文獻(xiàn)［1］中是針對(duì)RGB格式圖像進(jìn)行去霧處理的，本文針對(duì)的是YUV格式的圖像，所以必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。針對(duì)YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行無霧重構(gòu)處理需要分為以下3個(gè)步驟：

（1）YUV格式有霧圖像轉(zhuǎn)換成RGB格式有霧圖像：

（2）RGB格式的有霧圖像重構(gòu)成 RGB格式的無霧圖像R′G′B′：

其中，Ab、Ag、Ar表示該幀圖像 3個(gè)通道的大氣光值。

（3）RGB格式的無霧圖像 R′G′B′轉(zhuǎn)換成無霧的YUV格式無霧圖像Y′U′V′：

本文提出一種針對(duì)YUV格式去霧處理的優(yōu)化計(jì)算方法，省略中間轉(zhuǎn)換過程，直接對(duì)YUV格式有霧圖像重構(gòu)成YUV的無霧圖像。先計(jì)算出：

由于一幀圖像中的 Ab、Ag、Ar是相同的，上面的計(jì)算每幀只需要計(jì)算一次，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。然后重構(gòu)無霧的YUV圖像：

本文提出的針對(duì)YUV直接重構(gòu)的方法在時(shí)間上和空間上都有較大的優(yōu)化效果，時(shí)間較之前節(jié)省了一半，內(nèi)存較之前節(jié)省了12 MB左右。

2 基于DSP的程序級(jí)優(yōu)化

第1節(jié)中是在算法級(jí)上進(jìn)行的優(yōu)化，想要在DSP上表現(xiàn)出更好的性能，必須針對(duì)DSP做進(jìn)一步優(yōu)化。本文中的程序級(jí)優(yōu)化是針對(duì) TI C674x系列DSP，參考TI提供的技術(shù)文檔［3-6］進(jìn)行循序漸進(jìn)的優(yōu)化。本章選取其中最關(guān)鍵的幾種優(yōu)化方法，主要分為編譯器優(yōu)化、浮點(diǎn)改定點(diǎn)、查表法、使用DMA、線性匯編等。

2.1 編譯器優(yōu)化

選擇-O優(yōu)化選項(xiàng)。-O優(yōu)化選項(xiàng)分為3個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高優(yōu)化效果越好。本文中為了盡可能地加快處理速度，選擇-O3優(yōu)化選項(xiàng)。

打開-mt編譯器優(yōu)化選項(xiàng)。通過這個(gè)開關(guān)，編譯器就可以更加合理、大膽地使用軟件流水線，從而可以極大地提高代碼效率。

去掉-g調(diào)試選項(xiàng)。-g選項(xiàng)在調(diào)試程序時(shí)必須選擇，但是-g選項(xiàng)在一定程度上影響程序的執(zhí)行速度，最后生成可執(zhí)行文件時(shí)關(guān)閉-g選項(xiàng)。

2.2 浮點(diǎn)運(yùn)算修改

DSP針對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算速度非常慢，所以在精度要求不是很高的前提下，浮點(diǎn)運(yùn)算很有必要改成定點(diǎn)運(yùn)算。定點(diǎn)運(yùn)算又可以轉(zhuǎn)換成DSP擅長(zhǎng)的整型和移位運(yùn)算，在DSP中兩個(gè)short型相乘在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成。

2.3 用查表法代替除法

DSP中沒有除法指令，如果計(jì)算中有除法的存在，會(huì)阻礙DSP的軟件流水，無法實(shí)現(xiàn)指令的并行處理。所以在DSP中應(yīng)盡量避免除法運(yùn)算的使用，使用其他運(yùn)算進(jìn)行替代。查表法是一種以空間換取時(shí)間的方法，開辟一定的內(nèi)存存儲(chǔ)建表，把所有的可能取值都放在表內(nèi)。

2.4 DMA的使用

本文針對(duì)的是1080P高清視頻，每一幀的數(shù)據(jù)量達(dá)到幾MB，無法直接存儲(chǔ)在DSP片上存儲(chǔ)器L2 RAM（最大256 KB）中，必須放在DDR中。存儲(chǔ)在DDR中的數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，讀取和寫入光靠CPU自己搬移會(huì)非常慢，并且搬移數(shù)據(jù)時(shí)阻礙了CPU的計(jì)算功能，這樣就很有必要使用DMA控制器。

首先DMA控制器從DDR中搬移需要處理的數(shù)據(jù)至L2 RAM上；CPU直接從L2 RAM中讀取需要處理的數(shù)據(jù)；處理結(jié)果保存在L2 RAM中；DMA控制器再把處理結(jié)果搬移到DDR上對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位置。具體的DMA數(shù)據(jù)搬移路徑如圖1所示。

圖1 DMA數(shù)據(jù)搬移路徑圖

2.5 C語言改成線性匯編

通過前面的優(yōu)化，能得到一個(gè)較好的優(yōu)化效果，但是距離1080P的實(shí)時(shí)要求還是有一定的差距，所以需要做最后的優(yōu)化，即線性匯編。

線性匯編的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以不需要自己手動(dòng)進(jìn)行資源的配置，并且可以定義變量名，直接對(duì)變量名進(jìn)行操作，而編譯器在編譯時(shí)自動(dòng)將上面的變量或者參數(shù)定義為相對(duì)應(yīng)的寄存器。而且在線性匯編中，程序員不需要寫出延遲（NOP）的配置，這些工作編譯器都是在編譯時(shí)自己安排的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 處理結(jié)果

經(jīng)過上面優(yōu)化，在DSP硬件平臺(tái)上針對(duì)交通視頻進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖2不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過上述優(yōu)化之后，針對(duì)交通視頻仍然有較好的去霧效果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化之前移植到DSP上直接測(cè)試，針對(duì)1080P的YUV格式視頻，每幀需要耗時(shí) 10 s以上。經(jīng)過上述算法級(jí)優(yōu)化和DSP程序級(jí)優(yōu)化之后，針對(duì)1080P的YUV格式視頻，在DSP上運(yùn)行可以達(dá)到40ms/幀的速度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處理的要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)基于暗原色先驗(yàn)的去霧算法進(jìn)行優(yōu)化，分為算法級(jí)優(yōu)化和DSP程序級(jí)優(yōu)化。最終通過在實(shí)際硬件平臺(tái)上的測(cè)試，針對(duì)1080 PYUV格式的交通視頻能達(dá)到實(shí)時(shí)去霧的效果，并且有較好的去霧效果。本文的優(yōu)化方法不單單局限在本算法中，可以應(yīng)用到其他圖像算法需要移植到DSP上的場(chǎng)合。本文中的優(yōu)化方法雖然使得處理速度達(dá)到40 ms/幀，但是在今后的工作中需要進(jìn)一步優(yōu)化，縮短處理時(shí)間，為其他的算法節(jié)約出時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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［2］He Kaiming，Sun Jian，Tang Xiaoou.Guided image filtering［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2013，35（6）：1397-1409.

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Optim ization and im plementation ofreal-time dehazing based on DSP

Zhu Xuejun1，Ling Qiang1，Li Bolun1，Xu Jun1，Chen Renai1，Wang Chuangen2，Qiu Huanchun2，Wang Gengzhong2，Zhang Qiankun2
（1.Depatment of Automation，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China；2.Anhui Chaoyuan Information Technology Inc.，Hefei 230021，China）

This paper presents a method to optimizethe performance of a dehazing algorithm based on dark channel prior intensity.There are two levels of optimizations，including the algorithm-level and the DSP-level one.The algorithm-level optimization is mainly accomplished by down-sampling and some efficient format conversion techniques of YUV.The DSP-based optimization targets for the optimization on TI C674x，such as the compiler optimization，conversion from floating-point to fixed-point multiplication，realizing division by a look-up table，Direct Memory Access（DMA）and linear assembly programming.Finally traffic videos of 1080P YUV formats can be real-time processed and yield good dehazing performance.

real-time；dehazing；DSP；optimization

TP368

A

1674-7720（2015）22-0096-03

朱學(xué)俊，凌強(qiáng)，李博倫，等.基于DSP的實(shí)時(shí)去霧優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（22）：96-98.

2015-07-29）

朱學(xué)?。?991-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

凌強(qiáng)（1975-），通信作者，男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)化控制、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：qling@ustc.edu.cn。

李博倫（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，圖像處理。

國家自然科學(xué)基金（61273112）