多媒體數字圖像智能并行處理方法

摘 要在多媒體數字圖像的并行處理過程中，針對常規GPU處理效率和處理質量不高的問題，提出了基于CUDA架構，結合改進基二快速Hadamard算法實現的圖像并行處理方法。CUDA架構本身就具有較高的處理效率，再在處理算法上通過改進基二快速Hadamard進行優化。通過實驗分析，證明了提出的新型并行處理方法能夠有效提高多媒體數字圖像的處理質量和處理效率。

【關鍵詞】CUDA Hadamard變換 數字圖像 并行處理

1 引言

多媒體數字圖像處理過程存在數據量較大，以及數據關聯度小等問題，為了解決常規GPU架構在圖像處理時的缺點，采用CUDA架構。該架構能夠處理大規模圖像，并且具有并行處理高的優點。由于圖像的數據量越來越大，傳統的處理算法也無法滿足需要，也導致了并行處理質量和速度問題的出現，因此本文采用了改進基二快速Hadamard并行算法，針對像素級進行處理，實現了在架構和算法上的并行圖像處理，并且提高了圖像的處理質量和效率。

2 基于CUDA架構的改進基二快速Hadamard算法

2.1 CUDA架構

CUDA是在常規架構上進行了性能改進，使得該架構提高了著色器資源的利用程度，并且實現了寫入操作與線程的通信機制。在基于CUDA架構圖像處理時，首先將劃分出來的并行任務分配給GPU，然后由CUDA并行函數對各個任務進行處理，因此對于大規模圖像數據的處理，該架構具有明顯優勢。

2.2 改進基二快速Hadamard并行算法

在像素級圖像處理過程中，Hadamard算法的處理時間隨著圖像大小的增加呈現對數性增長，為了解決該問題，提出了改進基二快速Hadamard并行算法。

假定將需要處理的圖像定義為任務X，即X=Wx，對其進行分解，劃分為s個子任務，于是可以得到：

對于s個任務，當處理任何一個所需的時間都在1/s左右，同時并行處理的時間又相當短，相對任務處理時間可以忽略時，分解認為是合理的。于是設計改進基二快速Hadamard并行子任務算法具體步驟為：

（1）分解任務，確定輸入向量、任務量，以及支撐計算信息，計算的步驟數等；

（2）初始化臨時變量；

（3）循環采取蝶形計算；

（4）擴散操作；

（5）計算得到向量2-k/2q，至此得到最終結果。

蝴蝶計算過程中，當循環了k-p次，可以計算得到，作為中間結果，可以把他直接當做子任務xi的結果X（i），然后通過元素符號的變換調節得到如下結果：

公式中a代表了X（i）下標，f代表xi的起始下標。要保證利用公式（2）得出的結果和X（i）=Wxi得出的結果相同，需要對sgn（a，f）進行有效設計。通過前面的計算，得到的中間結果為：

式中b=f，f+1，f+2k-p-1，此時，又有

，它代表了最終結果中a所對應的X。Xa中也存在xf分量，并且其符號和W中的相同，于是可以得到調整函數：

公式中a、f均為二進制表示，g（a）用于得到格雷碼，同時輸出向量，r（·）則是將g（a）得到的結果做逆序處理。最后利用X（i）求累加和得出最終結果：

根據前面的分析過程，可以看出需要花費時間的計算主要集中在擴散操作與公式（5）中，但是整體算法減少了循環次數，從而避免了算法的時間開銷。

3 實驗數據與結果分析

為了驗證基于CUDA架構的改進基二快速Hadamard并行算法在多媒體數字圖像處理中的有效性，通過實驗對比進行驗證。采用OpenCV對預處理圖像進行加載、獲取、顯示等相關操作。實驗過程中，首先針對三種像素大小的數字圖像，通過與CUDA架構下的常規二值化圖像處理方法進行對比，表1為兩種處理方法的時間開銷對比數據。

通過表1的對比數據，可以得到本文提出的方法能夠明顯提高圖像并行處理速度，隨著圖像大小的增加，處理優勢更加明顯。

圖1顯示為CUDA架構下通過兩種方法處理得到的主觀圖像。通過對比可以看出，本文提出的并行處理方法在圖像細節上更加清晰，處理質量更高。

4 結語

為了有效解決多媒體數字圖像傳統并行處理方法存在的效率低下、質量不接的問題，本文提出了在CUDA架構基礎上，采用改進基二快速Hadamard算法實現的圖像并行處理方法進一步提高處理質量和處理速度。經過實驗對比，從數據和主觀圖像對比上，驗證了本文提出的方法不僅明顯提高了圖像處理速度，并且圖像處理質量得到了明顯提高。

參考文獻

[1]蓋素麗.基于GPU的數字圖像并行處理研究[J].計算機技術理論，2009.

[2]王成良，謝客家，劉昕.多核圖像處理并行設計范式的研究與應用[J].計算機工程，2011，37（14）：221-225.

[3]黃文慧.圖像處理并行編程方法的研究與應用[D].廣州： 華南理工大學軟件學院，2012.

[4]孟強強，楊桄，童濤，等.基于小波變換的多聚焦圖像融合算法[J].國土資源遙感，2014，26（02）：38-42.

[5]嚴秋鋒，王紅茹，季鳴.基于顏色均衡和橢圓模型的手勢圖像分割[J].計算機仿真，2015，32（04）：172-175.

作者簡介

董薇（1981-），女，江蘇省揚州市人。博士研究生。實驗員。主要研究方向為計算機模型。

作者單位

南京林業大學 江蘇省南京市 210037