專利名稱：一種降低并行光柵化所需存儲空間和傳輸帶寬的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算機體系結構與并行處理技術，具體是指一種降低并行光柵 化中所需存儲空間和傳輸帶寬的方法。它應用在基于多個處理器并行處理的紅 外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)中的并行光柵化步驟中。 賴駄
紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)是一種應用前景廣泛的技術，它利用計算機 圖形學的方法，模擬生成各種條件下的高保真動態(tài)紅外場景圖像，用于代替紅 外探測器組件給后端信號處理系統(tǒng)傳送紅外場景數(shù)據，為紅外系統(tǒng)的性能評價 和改進提供分析依據。
紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)包括坐標變換、紅外目標輻射度計算、投 影裁剪、光柵化、場景圖像合成等步驟。在實際應用中，對紅外單目標動態(tài)場 景仿真系統(tǒng)有實時性能的要求。
其中光柵化步驟是將已經投影在二維成像平面的圖元(簡稱"待繪制圖 元")在二維成像平面繪制出來。光柵化步驟具有運算量大、占用存儲器空間 大的特點，需要多個處理器并行處理，是提高整個系統(tǒng)實時性能的關鍵步驟。 多個處理器并行對"待繪制圖元"進行光柵化，稱為并行光柵化。并行光柵化 的結構示意圖如圖l所示。
傳統(tǒng)的并行光柵化主要是針對復雜的三維場景提出的，有兩種方法
方法一是將"待繪制圖元"平均分配到各個處理器進行光柵化，負載平衡 性能好；但每個處理器需要保存整個成像像元平面的每個像素的灰度緩存和深度緩存的存儲空間，并全部傳輸給后端的圖像合成處理器。該方法對并行光柵 化和圖像合成處理器的存儲器空間和傳輸帶寬要求高。
方法二是將成像平面按照一定規(guī)則劃分成多個區(qū)域，每個處理器分別負責 一個區(qū)域的光柵化，每個處理器只需將落入該區(qū)域的"待繪制圖元"光柵化； 最后并行光柵化處理器將各個區(qū)域圖像傳輸給后端圖像。該方法占用的存儲空 間和傳輸帶寬要求較??；但由于每個區(qū)域落入的"待繪制圖元"個數(shù)不一致， 導致各個處理器的負載不一致，負載平衡能力差，并行光柵化的運算時間由負 載最重的處理器決定，使得并行光柵化的運算時間難以控制，難以保證實時性 能，所以較少不采用。
方法一中所述的并行光柵化方法，由于其負載平衡性能好，可以保證并行 光柵化的運算時間，在實際的紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)中被廣泛應用。然 而該方法的性能瓶頸在于其對存儲空間和帶寬的提出了較高的要求。舉例如 下成像平面分辨率為512*512，每個像素的灰度緩存和深度緩存各用32bit 表示，并行光柵化處理器個數(shù)為4個，圖像合成處理器個數(shù)為1個，場景仿真 速率為50幀/秒。并行光柵化處理器存儲一幀圖像需要存儲空間為 512*512*32*2=16Mbit;光柵化處理器的傳輸帶寬要求達到800MBit;圖像合 成處理器的帶寬更是要求達到3.2Gbit/s。
對于方法一中所述的并行光柵化方法，隨著成像平面分辨率和仿真速率的 不斷提高，并行光柵化和圖像合成處理器的存儲空間和傳輸帶寬將成為整個系 統(tǒng)性能提高的最大制約因素。因此，尋找一種減少存儲空間和傳輸帶寬的方法， 對于提高系統(tǒng)性能，具有重要意義。
注意到在實際的紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)中，紅外目標雖然可能在 成像平面空間的任意位置；但每一時刻，紅外目標并不會覆蓋整個成像平面，它只占據成像平面的一部分，這一部分的成像平面稱之為有效成像平面。有效 成像平面之外的區(qū)域，并行光柵化處理器不需要提供存儲空間，圖像合成處理 器也不需要接收該緩存的存儲空間。因此，并行光柵化處理器和圖像合成處理
器只需要保存有效成像平面的圖像像素緩存和深度緩存；只需要傳輸有效成像 平面的兩個緩存的存儲容量。如果可以檢測出有效成像平面的位置，就可以減 小并行光柵化步驟中對存儲空間和傳輸帶寬需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種應用在紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)中的并 行光柵化步驟中的存儲空間和傳輸帶寬降低方法。
本發(fā)明方法包括以下步驟，發(fā)明方法的算法流程圖如圖2所示 (1) 將紅外目標的模型，用一個長方體V的8個頂點近似表示。該步
驟可以在系統(tǒng)工作之前預先完成，且對于每個紅外目標模型只需運行一次，因
此不占用仿真系統(tǒng)運行時間。具體算法如下
a) 設立目標特征坐標系為Ow坐標原點取在目標模型的質心。將紅外目
標模型分成若干個三角形面元，每個面元用3個三維頂點坐標表示；
b) 在目標特征坐標系0^中，遍歷所有頂點坐標，求出6個特征坐標點， 分別為x、 y、 z軸3個坐標方向的最小坐標值xmin， ymin， zmin; x、 y、 z
軸3個坐標方向的最大值
Xmax ， y max ， Zmax;
c) 由上述6個特征坐標點，可以確定一個長方體V， V的8個頂點分別為
(Xmin, ymin ， Zmin) ， (xmin ， ymin ， Zmax) ， (Xmin ， ymax ， Zmin), (Xmin ， ymax ， Zmax) ， (Xmax, ymin， Zmin)， (Xmax， ymin， Zmax)， (Xmax， ymax， Zmin), (Xmax， ymax， Zmax》 依次記 為P3j， i取值l至8;紅外目標模型包含在這個長方體V中。
(2 ) 將紅外探測器的成像像元平面區(qū)域記為S，位于成像平面坐標系Oxy中，(Xy的原點取S的左上角頂點。
(3 ) 將長方體V的8個頂點P3j，經過坐標變換、投影到成像平面坐 標系Oxy中，投影得到8個頂點P2j， i取值l至8。
(4) 在成像平面坐標系Oxy中，對8個頂點P2i遍歷搜索，求出X軸 的最小坐標值x2min和最大坐標值x2max; Y軸的最小坐標值y2^和最大坐標值
(5) 在成像平面坐標系Oxy上，以4個坐標點(x2min， y2min)， (X2min，
y2max)， (x2max， y2max)， (x2max，y2^)作為長方形的四個頂點，該長方形記為SlQ 是包含頂點P2j的最小面積的長方形。
(6 ) S,與實際成像區(qū)域S，有三種包含關系S,完全落入S、 S,部分 落入S、 S,完全不落入S。因此，在成像平面坐標系Oxy中，以實際成像區(qū)域S 的4條邊為依據，對Si進行裁剪，得到有效的成像平面區(qū)域，該區(qū)域是一個 長方形，記為S2。且S-S。
(7 ) 以S2作為成像平面區(qū)域，運行并行光柵化任務的處理器只需按 照S2的大小提供存儲空間；只需傳輸這一部分存儲空間給后端的圖像合成處 理器。
(8 ) 圖像合成處理器將合成的S2大小的圖像，根據坐標(x2^， y2min)， 填充到S平面，形成一幀完整的場景圖像。
本發(fā)明方法特征在于
(1 ) 將紅外目標模型用一個簡單的長方體V近似表示，該步驟可以在 系統(tǒng)工作之前預先完成，對于每個紅外目標模型只需運行一次，不占用仿真系 統(tǒng)運行時間。
(2) 將長方體V的8個頂點P3j，經過坐標變換、投影，得到在成像平面坐標系Oxy的8個頂點P2i;并根據P2i計算得到包含P2i的最小長方形S1; 以像元區(qū)域S為標準，將S,裁剪為S2。該過程估算出紅外目標在成像平面的 最大成像區(qū)域。
(3 ) 運行并行光柵化任務的處理器根據S2提供存儲空間，傳輸帶寬 也由S2決定。設S2的面積為Ss2， S的面積為Ss，采用本發(fā)明方法后所需的存
儲空間降低了f ，傳輸帶寬降低了f 。
本發(fā)明專利的優(yōu)勢在于在進行并行光柵化操作之前，估算出紅外目標在 成像平面的最大成像區(qū)域，并以該區(qū)域作為實際成像區(qū)域，縮小了成像平面， 從而降低處理器所需的存儲空間，和傳輸圖像所需的帶寬；該發(fā)明方法易于實 現(xiàn)，運算量小。


圖1是并行光柵化的結構示意圖。
圖2是發(fā)明方法的算法流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個實施例如下
紅外目標模型為一架飛機，成像平面像元大小為512*512，當S2的大小為 128*128時，即目標飛機在探測器成像平面上所成的像不會超出S2區(qū)域。并行 光柵化處理器以S2為基準提供存儲空間，并行光柵化處理器以S2為基準傳輸 圖像至后端的圖像合成處理器。則采用本發(fā)明方法后，所需存儲空間降低為原 先的(128*128)/(512*512)*100%=6.25%;傳輸帶寬 降低為原先的6.25%。由 此可見，本發(fā)明方法效果顯著。
權利要求
1.一種降低紅外單目標并行光柵化所需存儲空間和傳輸帶寬的方法，其特征在于包括以下步驟(1)將紅外目標的模型，用一個長方體V的8個頂點近似表示，具體方法如下(a)設立目標特征坐標系為Oxyz，坐標原點取在目標模型的質心，將紅外目標模型分成若干個三角形面元，每個面元用3個三維頂點坐標表示；(b)在目標特征坐標系Oxyz中，遍歷所有頂點坐標，求出6個特征坐標點，分別為x、y、z軸3個坐標方向的最小坐標值xmin，ymin，zmin；x、y、z軸3個坐標方向的最大值xmax，ymax，zmax；(c)由上述6個特征坐標點確定一個長方體V，V的八個頂點分別為(xmin，ymin，zmin)，(xmin，ymin，zmax)，(xmin，ymax，zmin)，(xmin，ymax，zmax)，(xmax，ymin，zmin)，(xmax，ymin，zmax)，(xmax，ymax，zmin)，(xmax，ymax，zmax)；將此八個頂點依次記為P3i，i取值1至8，紅外目標模型包含在這個長方體V中；(2)將紅外探測器的成像像元平面區(qū)域記為S，位于成像平面坐標系Oxy中，Oxy的原點為S的左上角頂點；(3)將長方體V的8個頂點P3i，經過坐標變換、投影到成像平面坐標系Oxy中，投影得到8個頂點P2i，i取值1至8；(4)在成像平面坐標系Oxy中，對8個頂點P2i遍歷搜索，求出X軸的最小坐標值x2min和最大坐標值x2max；Y軸的最小坐標值y2min和最大坐標值y2max；(5)在成像平面坐標系Oxy上，以4個坐標點(x2min，y2min)，(x2min，y2max)，(x2max，y2max)，(x2max，y2min)作為長方形的四個頂點，該長方形記為S1；(6)在成像平面坐標系中，以實際成像區(qū)域S的4條邊為依據，對S1進行裁剪，得到有效的成像平面區(qū)域，該區(qū)域是一個長方形，記為S2；(7)以S2作為成像平面區(qū)域，運行并行光柵化任務的處理器按照S2的大小提供存儲空間；傳輸這一部分存儲空間給后端的圖像合成處理器；(8)圖像合成處理器將合成的S2大小的圖像，根據坐標(x2min，y2min)填充到S平面，形成一幀完整的場景圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低紅外單目標并行光柵化所需存儲空間和傳輸帶寬的方法。它應用在基于多個處理器的紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)中的并行光柵化步驟，可以顯著減少運行并行光柵化任務的處理器對存儲器空間和傳輸帶寬的需求。本發(fā)明方法，利用實際的紅外單目標動態(tài)場景仿真系統(tǒng)中，紅外目標不會完全覆蓋整個成像像元平面的特點；在進行光柵化操作之前，估算出目標在成像像元平面的最大成像區(qū)域，并以該區(qū)域作為實際成像區(qū)域，縮小了成像平面，從而降低處理器所需的存儲空間，和傳輸圖像所需的傳輸帶寬。
文檔編號G06T11/00GK101645174SQ20091019516
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權日2009年9月4日
發(fā)明者洋 于, 林曉敏, 湯心溢, 陳元林 申請人:中國科學院上海技術物理研究所