舰船红外图像处理中多通道DMA控制器改进设计.pdf

第45卷第2 1 期2023年1 1 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023舰船红外图像处理中多通道DMA控制器改进设计梁剑烽，梁家海，姜愉（北部湾大学电子与信息工程学院，广西钦州5350 1 1）摘要：为了提升舰船红外图像处理效果，研究舰船红外图像处理中多通道DMA控制器改进设计方法。改进后多通道DMA控制器中仲裁器依据优先级轮询仲裁每个DMA通道，建立舰船红外图像读写传输通道；嵌人式Mo-tion-JPEG2000编码器，通过建立的传输通道，读人舰船红外图像，并利用结合小波变换与正交化分形编码的压缩算法，压缩编码图像，加快图像处理的传输效率。通过寄存器配置保存舰船红外图像处理时产生的配置信息；利用存储器端口向存储器端发送处理后的图像，通过外设端口负责向外设端发送处理后的图像。实验证明：该方法可有效压缩舰船红外图像；在不同目标比特率时，该方法压缩后图像的逼真度均较高；该方法改进后多通道DMA控制器的图像传输效率较快。关键词：舰船红外图像；多通道；DMA控制器；编码器；小波变换；正交化分形编码中图分类号：TP393文章编号：1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 1-0 2 0 9-0 4Improved design of multi channel dma controller in ship infrared image processing(College of Electronic and Information Engineering,Beibu Gulf University,Qinzhou 535011,China)Abstract:Research the improved design method of multi-channel DMA controller in ship infrared image processing toenhance the effectiveness of ship infrared image processing.The arbitrator in the improved multi-channel DMA controllerpolls and arbitrates each DMA channel based on priority,establishing a channel for reading and writing ship infrared images;The embedded Motion-JPEG2000 encoder reads the infrared images of ships through the established transmission channel,and uses a compression algorithm combining wavelet transform and orthogonal fractal encoding to compress the encoded im-ages and accelerate the transmission efficiency of image processing.Save the configuration information generated duringship infrared image processing through register configuration;Use the memory port to send processed images to the memoryend.Responsible for sending processed images to the external device through the peripheral port.Experimental results showthat this method can effectively compress ship infrared images.At different target bit rates,the compressed image of thismethod has a higher fidelity.The improved multi-channel DMA controller has a faster image transmission efficiency.Key words:infrared images of ships;multi channel;DMA controller;encoder;wavelet transform;orthogonalzed fractal encoding文献标识码：ALIANG Jian-feng,LIANG Jia-hai,JIANG Yudoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.0410引言随着技术的不断发展，对舰船红外图像处理系统的性能和效率也提出了更高的要求。多通道DMA控制器作为舰船红外图像处理系统的重要组成部分，其性能对整个系统的运行有着显著影响-2 。然而，现有多通道DMA控制器存在一定的不足之处，如传输速收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 7基金项目：广西自然科学基金资助项目(2 0 2 0 GXNSFAA297233)作者简介：梁剑烽（1 9 8 8-），男，博士研究生，实验师，研究方向为图像处理、人工智能及机器学习。率有限、同步性差、功耗较高等问题，无法满足日益增长的处理需求 3。因此，对多通道DMA控制器进行改进设计显得尤为重要。王磊等 4 为优化数据传输性能，利用高速缓存和优化地址计算的方法，采用中断处理和任务调度策略，相较于传统控制器，具有更高的数据传输效率和良好的硬件资源利用效率，能够显著提升图像处理速度。但改进控制器只能处理特定格210式的舰船红外图像数据，限制了其通用性。孙欣欣等 5采用PCIe总线和DMA控制器改进设计，通过实验验证了改进设计的有效性和性能提升。但该方法改进的控制器需要与特定的PCIe设备和操作系统进行兼容性测试，导致其在推广和应用时存在限制，影响舰船红外图像处理的稳定性。针对上述问题，研究舰船红外图像处理中多通道DMA控制器改进设计方法，实现更快速、更高效、更稳定的传输控制。1多通道DMA控制器改进设计1.1多通道DMA控制器的传输改进舰船红外图像处理利用多通道DMA控制器进行舰船红外图像传输，传统DMA控制器的红外图像传输效率较慢 6 ，为此引人嵌入式Motion-JPEG2000编码器进行改进，加快舰船红外图像处理时的传输效率。嵌人式Motion-JPEG2000编码器为DMA控制器提供4个通道，分别是DMAOD MA 3通道。DMAO负责读人舰船红外图像帧，DMA1负责读入舰船红外图像分量，DAM2负责生成子带与打包，DMA3负责生成子带与舰船红外图像压缩时的数据复制与初始化。DMAO通道改进过程为：通过中断触发DMAO通道，读人舰船红外图像顿。由于DAMO的优先级最低，因此仅在其余通道空闲时，才会触发其读人舰船红外图像帧。利用DMA1读人舰船红外图像分量数据，可剔除舰船红外图像的同步信息与三分量解交织，节约读人舰船红外图像占用的内存，加快红外图像处理效率。利用DMA2通道生成水平、垂直与对角线方向上的舰船红外图像高频信息（LH、H L、H H）子带，利用DMA3通道生成舰船红外图像低频信息（LL）子带。嵌入式Motion-JPEG2000编码器，改进多通道DMA控制器舰船红外图像传输过程的实现流程如图1所示。改进后舰船红外图像传输的实现步骤如下：步骤1 启动DMAO与DMA1，读人第一顿舰船红外图像，以及其Y分量。步骤2 通过结合小波变换与正交化分形编码的压缩算法，压缩读人的第一舰船红外图像的Y分量；并量化对应的子带。步骤3完成每级压缩后，启动DMA2与DMA3，并再次生成与量化LH、H L、H H 的子带。步骤4启动DMA1，读人舰船红外图像的U、V分量，并执行上述操作。步骤5三个分量完成处理后，继续启动DMA1舰船科学技术图1 多通道DMA控制器红外图像的改进传输过程Fig.1 Improved transmission process of infrared images inmulti-channel DMA controller读入第二帧舰船红外图像的Y分量。步骤6 当全部舰船红外图像帧完成处理后，对全部子带展开优化截取，同时启动DMA2记录打包信息，完成舰船红外图像传输处理。1.2舰船红外图像的压缩算法利用结合小波变换与正交化分形编码的压缩算法，对DMAO与DMA1读入的舰船红外图像顿分量进行压缩，具体步骤如下：1）对读人的舰船红外图像分量进行小波变换，获取LH、H L、H H、L L 信息，通过正交分形编码法，对LL信息展开压缩编码。2）将LL信息划分成4像素4像素大小的X,块，以及8 像素8 像素大小的Y块，同时等距变换处理第个块。3）通过式（1）搜索R;的最优匹配块，获取对比度与亮度调节因子ai、o i，公式如下：min(min IX;-(ai Yi+0 Y)其中，U为灰度是1 的子块。ai与o;的计算公式如下：第45卷开始启动DMAO、D MA I结合小波变换与正交化分形编码的压缩算法启动DMA2、D MA 3量化LH、H L、H H 子带文第一级同时不是最后一个分量启动DMA1最后一级启动DMA3量化LL子带最后一个分量启动DMA1优化截取并记录打包信息启动DMA2最后一顿结束(1)第45卷其中：(ai,oi,i)为X;的分形编码；X,为X;的均值；Y,为Y的均值。4）舰船红外图像解码时，X;的迭代式为：f=ai(yf-1)+0:U。其中：k为迭代次数；入i为正交系数；Yk-1为k-1次迭代后的Y块。1.3改进的多通道DMA控制器舰船红外图像处理中，改进后的多通道DMA控制器结构如图2 所示。仲裁器负责依据优先级对每个DMA通道展开轮询仲裁，仅在获取仲裁授权后的通道，才能构造舰船红外图像读写的传输通道，进行舰船红外图像传输。嵌人式Motion-JPEG2000编码器负责读人需要处理的舰船红外图像，并对其进行压缩编码，加快舰船红外图像处理的传输效率。寄存器配置负责保存舰船红外图像处理时，DMA控制器产生的配置信息；存储器端口负责向存储器端发送处理后的舰船红外图像；外设端口负责向外设端发送处理后的舰船红外图像。外设端口仲裁器嵌入式Motion-JPEG2000编码器存储器端口图2 改进后的多通道DMA控制器结构Fig.2 Improved multi-channel DMA controller structure2实验结果分析以P228型号红外传感器采集的舰船红外图像为实验对象，其动态范围大于1 2 0 dB，空间分辨率是1 2 8 0 x1024像素，光谱分辨率在1 0-1 2 1 0-cm之间，时间分辨率较低。在P228型号红外传感器采集的舰船红外图像内，随机选择一幅舰船红外图像，利用本文方法对其进行压缩，压缩过程中的迭代次数为7 次，舰船红外图像的压缩结果如图3所示。从图3（a）可以看出，在压缩舰船红外图像时，当迭代次数为1 次时，舰船红外图像压缩时产生了大量噪声，清晰度不佳。从图3（b）可以看出，当迭代次数为3次时，舰船红梁剑烽，等：舰船红外图像处理中多通道DMA控制器改进设计(Xi-X U,Yi-Yr.U)ai=IY;-Y,U2O;=X;-a;Yi。211外图像压缩时产生的噪声有所减少，但清晰度也不(2)佳。从图3（c）可以看出，当迭代次数为5次时，舰船红外图像压缩时产生的大部分噪声均已消除，但图像亮度较暗。从图3（d）可以看出，当迭代次数为(3)7次时，不仅消除了舰船红外图像压缩时的噪声，还提升了舰船红外图像的亮度。综合分析可知，本文方法可有效压缩舰船红外图像，且压缩后的图像主观视觉效果较优。(4)(a)第1 次选代(c)第5次送代图3舰船红外图像压缩结果Fig.3 Infrared Image Compression Results of Ships分析利用本文方法改进前后，舰船红外图像处理时，舰船红外图像的传输效率，分析结果如图4所示。从图4（a）可以看出，未用本文方法改进前，多通道DMA控制器传输舰船红外图像过程中，读人舰船CLK4/AEN-寄存器配置ADSTBA7A0DB7DBO-MEMR_n-MEMW_n-EOP_n-EXT_EOP_n-(a)改进前的舰船红外图像传输过程CLK4AEN-ADSTB-A7A0-DB7DBO-MEMR_n-MEMW_n-EOP_n-EXT_EOP_n-(b)改进后的舰船红外图像环数过程图4改进前后的舰船红外图像传输过程Fig.4 Infrared image transmission process of shipsbefore and after improvement(b)第3次选代(d)第7 次选代有效地址输入3us输出3uS有效地址输入us输入Ius212红外图像需要3s，输出舰船红外图像处理结果也需要3s，即整个舰船红外图像处理的传输书剑是6 s。从图4（b）可以看出，应用本文方法改进后，多通道DMA控制器读人舰船红外图像仅需1 s，输出舰船红外图像处理结果也仅需1 s，即舰船红外图像处理时的总传输时间是2 s。综合分析可知，应用本文方法改进后的多通道DMA控制器，可加快舰船红外图像的传输效率。本文方法设计的改进多通道DMA控制器，对于快速处理和传输大量数据的舰船红外图像处理系统来说尤其有利，因为可以大大提高系统的吞吐量和响应速度。分析不同目标比特率时，本文方法舰船红外图像的处理效果，利用逼真度与一阶熵，衡量舰船红外图像的处理质量，逼真度与一阶熵越高，代表处理后的舰船红外图像的真实性越佳，包含的信息量越多，即处理质量越佳，逼真度与一阶嫡阈值分别是0.9 与5，分析结果如图5所示。从图5可知，随着目标比特率的提升，对于舰船红外图像的高频分量与低频分量来说，处理后舰船红外图像的逼真度与一阶熵均呈上升趋势，最低逼真度分别在0.9 4与0.9 2 5左右，最低一阶分别在0.9 3与0.9 35左右，均显著高于设置阈值，说明应用本文方法后，处理后的舰船红外图像质量较高。1.000.990.980.970.960.950.940.930.920.910.10.20.30.40.50.6目标比特率一低频分量的逼真度口低频分量的一阶焰高频分量的逼真度口高频分量的一阶熵图5舰船红外图像的处理效果Fig.5 Processing effect of ship infrared images3结语本文对舰船红外图像处理中多通道DMA控制器进舰船科学技术行改进设计，提高其性能和效率。通过优化硬件设计、引人图像压缩编码算法，使改进后的DMA控制器能够更快速、更高效、更稳定的传输舰船红外图像。本文的研究成果可为相关领域的实际应用提供有益参考。参考文献：1孙万峰,李维波,李齐,等.基于DMA与中断方式的组态监控系统容错通信技术 .中国舰船研究,2 0 2 1,1 6(4):1 9 9-2 0 7.SUN Wan-feng,LI Weibo,LI Qi,et al.Fault tolerant communi-cation technology of configuration monitoring system based onintegration of DMA and interruptJ.Chinese Journal of ShipResearch,2021,16(4):199-207.2】秦爽，李健，杨颖，等.应用于导航SoC的专用DMA的设计1.电子技术应用,2 0 2 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