一种降低并行光栅化所需存储空间和传输带宽的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低红外单目标并行光栅化所需存储空间和传输带宽的方法。它应用在基于多个处理器的红外单目标动态场景仿真系统中的并行光栅化步骤，可以显著减少运行并行光栅化任务的处理器对存储器空间和传输带宽的需求。本发明专利技术方法，利用实际的红外单目标动态场景仿真系统中，红外目标不会完全覆盖整个成像像元平面的特点；在进行光栅化操作之前，估算出目标在成像像元平面的最大成像区域，并以该区域作为实际成像区域，缩小了成像平面，从而降低处理器所需的存储空间，和传输图像所需的传输带宽。

Method for reducing required storage space and transmission bandwidth of parallel rasterization

The invention discloses a method for reducing storage space and transmission bandwidth required for infrared single target parallel rasterization. It is used in the parallel rasterization step single IR target dynamic scene simulation system of multiple processors based on the demand can significantly reduce the running parallel rasterization task processor for storage space and transmission bandwidth. The method of the invention, a single target infrared dynamic scene simulation system using the actual, characteristics of the infrared target does not completely cover the entire pixel imaging plane; before the raster operation, estimate the maximum pixel target in the imaging area of the imaging plane, and in the region as the actual imaging area, narrowing the imaging plane, thereby reducing the the storage space required by the processor, transmission bandwidth and transmission of the image.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机体系结构与并行处理技术，具体是指一种降低并行光栅 化中所需存储空间和传输带宽的方法。它应用在基于多个处理器并行处理的红 外单目标动态场景仿真系统中的并行光栅化步骤中。 賴駄红外单目标动态场景仿真系统是一种应用前景广泛的技术，它利用计算机 图形学的方法，模拟生成各种条件下的高保真动态红外场景图像，用于代替红 外探测器组件给后端信号处理系统传送红外场景数据，为红外系统的性能评价 和改进提供分析依据。红外单目标动态场景仿真系统包括坐标变换、红外目标辐射度计算、投 影裁剪、光栅化、场景图像合成等步骤。在实际应用中，对红外单目标动态场 景仿真系统有实时性能的要求。其中光栅化步骤是将已经投影在二维成像平面的图元(简称待绘制图 元)在二维成像平面绘制出来。光栅化步骤具有运算量大、占用存储器空间 大的特点，需要多个处理器并行处理，是提高整个系统实时性能的关键步骤。 多个处理器并行对待绘制图元进行光栅化，称为并行光栅化。并行光栅化 的结构示意图如图l所示。传统的并行光栅化主要是针对复杂的三维场景提出的，有两种方法方法一是将待绘制图元平均分配到各个处理器进行光栅化，负载平衡 性能好；但每个处理器需要保存整个成像像元平面的每个像素的灰度缓存和深度缓存的存储空间，并全部传输给后端的图像合成处理器。该方法对并行光栅 化和图像合成处理器的存储器空间和传输带宽要求高。方法二是将成像平面按照一定规则划分成多个区域，每个处理器分别负责 一个区域的光栅化，每个处理器只需将落入该区域的待绘制图元光栅化； 最后并行光栅化处理器将各个区域图像传输给后端图像。该方法占用的存储空 间和传输带宽要求较小；但由于每个区域落入的待绘制图元个数不一致， 导致各个处理器的负载不一致，负载平衡能力差，并行光栅化的运算时间由负 载最重的处理器决定，使得并行光栅化的运算时间难以控制，难以保证实时性 能，所以较少不采用。方法一中所述的并行光栅化方法，由于其负载平衡性能好，可以保证并行 光栅化的运算时间，在实际的红外单目标动态场景仿真系统中被广泛应用。然 而该方法的性能瓶颈在于其对存储空间和带宽的提出了较高的要求。举例如 下成像平面分辨率为512*512，每个像素的灰度缓存和深度缓存各用32bit 表示，并行光栅化处理器个数为4个，图像合成处理器个数为1个，场景仿真 速率为50帧/秒。并行光栅化处理器存储一帧图像需要存储空间为 512*512*32*2=16Mbit;光栅化处理器的传输带宽要求达到800MBit;图像合 成处理器的带宽更是要求达到3.2Gbit/s。对于方法一中所述的并行光栅化方法，随着成像平面分辨率和仿真速率的 不断提高，并行光栅化和图像合成处理器的存储空间和传输带宽将成为整个系 统性能提高的最大制约因素。因此，寻找一种减少存储空间和传输带宽的方法， 对于提高系统性能，具有重要意义。注意到在实际的红外单目标动态场景仿真系统中，红外目标虽然可能在 成像平面空间的任意位置；但每一时刻，红外目标并不会覆盖整个成像平面，它只占据成像平面的一部分，这一部分的成像平面称之为有效成像平面。有效 成像平面之外的区域，并行光栅化处理器不需要提供存储空间，图像合成处理 器也不需要接收该缓存的存储空间。因此，并行光栅化处理器和图像合成处理器只需要保存有效成像平面的图像像素缓存和深度缓存；只需要传输有效成像 平面的两个缓存的存储容量。如果可以检测出有效成像平面的位置，就可以减 小并行光栅化步骤中对存储空间和传输带宽需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种应用在红外单目标动态场景仿真系统中的并 行光栅化步骤中的存储空间和传输带宽降低方法。本专利技术方法包括以下步骤，专利技术方法的算法流程图如图2所示 (1) 将红外目标的模型，用一个长方体V的8个顶点近似表示。该步骤可以在系统工作之前预先完成，且对于每个红外目标模型只需运行一次，因此不占用仿真系统运行时间。具体算法如下a) 设立目标特征坐标系为Ow坐标原点取在目标模型的质心。将红外目标模型分成若干个三角形面元，每个面元用3个三维顶点坐标表示；b) 在目标特征坐标系0^中，遍历所有顶点坐标，求出6个特征坐标点， 分别为x、 y、 z轴3个坐标方向的最小坐标值xmin， ymin， zmin; x、 y、 z轴3个坐标方向的最大值Xmax ， y max ， Zmax;c) 由上述6个特征坐标点，可以确定一个长方体V， V的8个顶点分别为(Xmin, ymin ， Zmin) ， (xmin ， ymin ， Zmax) ， (Xmin ， ymax ， Zmin), (Xmin ， ymax ， Zmax) ， (Xmax, ymin， Zmin)， (Xmax， ymin， Zmax)， (Xmax， ymax， Zmin), (Xmax， ymax， Zmax》 依次记 为P3j， i取值l至8;红外目标模型包含在这个长方体V中。(2 ) 将红外探测器的成像像元平面区域记为S，位于成像平面坐标系Oxy中，(Xy的原点取S的左上角顶点。(3 ) 将长方体V的8个顶点P3j，经过坐标变换、投影到成像平面坐 标系Oxy中，投影得到8个顶点P2j， i取值l至8。(4) 在成像平面坐标系Oxy中，对8个顶点P2i遍历搜索，求出X轴 的最小坐标值x2min和最大坐标值x2max; Y轴的最小坐标值y2^和最大坐标值(5) 在成像平面坐标系Oxy上，以4个坐标点(x2min， y2min)， (X2min，y2max)， (x2max， y2max)， (x2max，y2^)作为长方形的四个顶点，该长方形记为SlQ 是包含顶点P2j的最小面积的长方形。(6 ) S,与实际成像区域S，有三种包含关系S,完全落入S、 S,部分 落入S、 S,完全不落入S。因此，在成像平面坐标系Oxy中，以实际成像区域S 的4条边为依据，对Si进行裁剪，得到有效的成像平面区域，该区域是一个 长方形，记为S2。且S-S。(7 ) 以S2作为成像平面区域，运行并行光栅化任务的处理器只需按 照S2的大小提供存储空间；只需传输这一部分存储空间给后端的图像合成处 理器。(8 ) 图像合成处理器将合成的S2大小的图像，根据坐标(x2^， y2min)， 填充到S平面，形成一帧完整的场景图像。本专利技术方法特征在于(1 ) 将红外目标模型用一个简单的长方体V近似表示，该步骤可以在 系统工作之前预先完成，对于每个红外目标模型只需运行一次，不占用仿真系 统运行时间。(2) 将长方体V的8个顶点P3j，经过坐标变换、投影，得到在成像平面坐标系Oxy的8个顶点P2i;并根据P2i计算得到包含P2i的最小长方形S1; 以像元区域S为标准，将S,裁剪为S2。该过程估算出红外目标在成像平面的 最大成像区域。(3 ) 运行并行光栅化任务的处理器根据S2提供存储空间，传输带宽 也由S2决定。设S2的面积为Ss2， S的面积为Ss，采用本专利技术方法后所需的存储空间降低了f ，传输带宽降低了f 。本专利技术专利的优势在于在进行并行光栅化操作之前，估算出红外目标在 成像平面的最大成像区域，并以该区域作为实际成像区域，縮小了成像平面， 从而降低处理器所需的存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低红外单目标并行光栅化所需存储空间和传输带宽的方法，其特征在于包括以下步骤：　（１）将红外目标的模型，用一个长方体Ｖ的８个顶点近似表示，具体方法如下：　（ａ）设立目标特征坐标系为Ｏ↓［ｘｙｚ］，坐标原点取在目标模型的质心， 将红外目标模型分成若干个三角形面元，每个面元用３个三维顶点坐标表示；　（ｂ）在目标特征坐标系Ｏ↓［ｘｙｚ］中，遍历所有顶点坐标，求出６个特征坐标点，分别为：ｘ、ｙ、ｚ轴３个坐标方向的最小坐标值：ｘ↓［ｍｉｎ］，ｙ↓［ｍｉｎ］，ｚ↓［ｍ ｉｎ］；ｘ、ｙ、ｚ轴３个坐标方向的最大值：ｘ↓［ｍａｘ］，ｙ↓［ｍａｘ］，ｚ↓［ｍａｘ］；　（ｃ）由上述６个特征坐标点确定一个长方体Ｖ，Ｖ的八个顶点分别为：（ｘ↓［ｍｉｎ］，ｙ↓［ｍｉｎ］，ｚ↓［ｍｉｎ］），（ｘ↓［ｍｉｎ］，ｙ↓［ｍ ｉｎ］，ｚ↓［ｍａｘ］），（ｘ↓［ｍｉｎ］，ｙ↓［ｍａｘ］，ｚ↓［ｍｉｎ］），（ｘ↓［ｍｉｎ］，ｙ↓［ｍａｘ］，ｚ↓［ｍａｘ］），（ｘ↓［ｍａｘ］，ｙ↓［ｍｉｎ］，ｚ↓［ｍｉｎ］），（ｘ↓［ｍａｘ］，ｙ↓［ｍｉｎ］，ｚ↓［ｍａｘ］），（ｘ↓［ｍａｘ］，ｙ↓［ｍａｘ］，ｚ↓［ｍｉｎ］），（ｘ↓［ｍａｘ］，ｙ↓［ｍａｘ］，ｚ↓［ｍａｘ］）；将此八个顶点依次记为Ｐ３↓［ｉ］，ｉ取值１至８，红外目标模型包含在这个长方体Ｖ中；　（２）将红外探测器的成像像元平面区域记为Ｓ，位于成像 平面坐标系Ｏ↓［ｘｙ］中，Ｏ↓［ｘｙ］的原点为Ｓ的左上角顶点；　（３）将长方体Ｖ的８个顶点Ｐ３↓［ｉ］，经过坐标变换、投影到成像平面坐标系Ｏ↓［ｘｙ］中，投影得到８个顶点Ｐ２↓［ｉ］，ｉ取值１至８；　（４）在成像平面坐标系Ｏ↓［ ｘｙ］中，对８个顶点Ｐ２↓［ｉ］遍历搜索，求出Ｘ轴的最小坐标值ｘ２↓［ｍｉｎ］和最大坐标值ｘ２↓［ｍａｘ］；Ｙ轴的最小坐标值ｙ２↓［ｍｉｎ］和最大坐标值ｙ２↓［ｍａｘ］；　（５）在成像平面坐标系Ｏ↓［ｘｙ］上，以４个坐标点（ｘ２↓［ｍ ｉｎ］，ｙ２↓［ｍｉｎ］），（ｘ２↓［ｍｉｎ］，ｙ２↓［ｍａｘ］），（ｘ２↓［ｍａｘ］，ｙ２↓［ｍａｘ］），（ｘ２↓［ｍａｘ］，ｙ２↓［ｍｉｎ］）作为长方形的四个顶点，该长方形记为Ｓ↓［１］；　（６）在成像平面坐标系中，以实际成像区域 Ｓ的４条边为依据，对Ｓ↓［１］进行裁剪，得到有效的成像平面区域，该区域是一个长方形，记为Ｓ↓［２］；　（７）以Ｓ↓［２］作为成...

【技术特征摘要】
1.一种降低红外单目标并行光栅化所需存储空间和传输带宽的方法，其特征在于包括以下步骤(1)将红外目标的模型，用一个长方体V的8个顶点近似表示，具体方法如下(a)设立目标特征坐标系为Oxyz，坐标原点取在目标模型的质心，将红外目标模型分成若干个三角形面元，每个面元用3个三维顶点坐标表示；(b)在目标特征坐标系Oxyz中，遍历所有顶点坐标，求出6个特征坐标点，分别为x、y、z轴3个坐标方向的最小坐标值xmin，ymin，zmin；x、y、z轴3个坐标方向的最大值xmax，ymax，zmax；(c)由上述6个特征坐标点确定一个长方体V，V的八个顶点分别为(xmin，ymin，zmin)，(xmin，ymin，zmax)，(xmin，ymax，zmin)，(xmin，ymax，zmax)，(xmax，ymin，zmin)，(xmax，ymin，zmax)，(xmax，ymax，zmin)，(xmax，ymax，zmax)；将此八个顶点依次记为P3i，i取值1至8，红外目标模型包含在这个长方体V中；(2)将红外探测器的成...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈元林，汤心溢，于洋，林晓敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[]