[发明专利]一种用GPU通过分块实现快速小波变换的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及数字图像处理技术领域中一种用图形处理单元(Graphics Processing Unit GPU)通过分块实现快速小波变换的方法。本发明可用于各种图像压缩标准的实现，解决了小波变换速度慢的瓶颈，提供了一种在通用计算机上进行高速图像压缩编码的解决方案，也可用于各种其他数字设备的图像压缩编码。

背景技术

离散小波变换是数字图像处理领域最广泛使用的技术之一。联合图像专家组推出的JPEG2000图像压缩标准和太空数据系统咨询委员会推出的CCSDS图像压缩标准都使用了基于提升的离散小波变换。基于这些算法的图像压缩系统出现在学术、科研以及工业等领域，而研究这些算法的高效实现一直是各领域面临的重要任务之一。现场可编程门阵列FPGA、复杂可编程逻辑器件CPLD、特定用途集成电路ASIC都已经被用于实现高效的小波变换。这些硬件实现具有速度高，专用性强、功耗低等优点，可应用于各种便携式设备；但是它们的开发周期长，成本较高，在传统计算机领域，为了实现更为高效的小波变换，人们已开始研究使用图形处理单元加速的小波变换算法。

西安电子科技大学拥有的专利技术“一种用GPU实现快速小波变换的方法”(专利申请号：201010204236，公开号：101866493A)中阐述了一种基于行和列的小波变换快速实现的方法。该专利技术通过行列转置的方法，克服了图像每列数据存取效率低下的问题，从而提高了列变换的速度。但是，该专利技术仍然存在的不足是，列变换通过两次行列转置和一次行变换实现，数据要反复地与全局内存交互。然而，在图形处理单元GPU高度并行计算的环境下，对全局内存中的数据进行读写是非常昂贵的，因此限制了该方法所能达到的最佳性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种用GPU通过分块实现快速小波变换的方法。本发明通过将图像分块并存入共享内存中，实现高速的数据存取。为了保证结果的正确性，本发明将每个图像块按其周围实际像素进行了扩展。本发明确保每个图像块的行变换与列变换都在共享内存中完成，避免数据在变换过程中与全局内存的交互。

为了实现上述目的，本发明的方法包括如下步骤：

(1)拷贝原始图像：

在图形处理单元GPU中分配两块全局内存A和B，将原始图像拷贝到全局内存A中；

(2)数据分块：

将原始图像按照二维网格的方式分成宽24像素、高24像素的图像块；

(3)数据扩展：

将每个图像块向其四周方向各延伸四个像素，处于边缘不能延伸的，则进行对称扩展，得到扩展图像块；

(4)拷贝数据到共享内存：

4a)在图形处理单元GPU中分配与扩展图像块个数相同的block，每个block对应一个扩展图像块；

4b)为每个block分配大小为33乘32的共享内存以及32乘32个线程；

4c)将每个扩展图像块拷贝到与其对应的block的共享内存中，每个线程完成一个像素点的拷贝，并将共享内存中每一行的最后一个存储空间保留不用；

(5)行变换：

对于每个block，使用其中的32个线程对共享内存中的数据进行行变换，每个线程完成扩展像素块的一行数据的变换；

(6)列变换：

对于每个block，使用其中的32个线程对共享内存中的数据进行列变换，每个线程完成扩展像素块的一列数据的变换；

(7)取消数据扩展：

对于每个block，将变换后的扩展图像块上下各四行、左右各四列的数据排除，得到一个24乘24的数据块；

(8)拷贝数据块：

8a)将每个block的数据块拷贝到全局内存B中，拷贝的过程中进行尺度变换；

8b)待所有的block拷贝完成后，将全局内存B中的数据拷贝至主机内存中，释放图形处理单元GPU中的两块全局内存A和B。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

第一，由于本发明采用了重叠的扩展图像块来对原始图像进行分别处理，克服了现有技术简单地对图像分块导致的结果不精确的问题，使得本发明可以保证小波变换结果的准确性。

第二，由于本发明在图形处理单元GPU的高速共享内存中处理扩展图像块，使得每个图像块的数据都具有了更高的存取速度。

第三，由于本发明中行变换和列变换都在共享内存中进行，有效地避免了现有技术将行变换后的数据送回全局内存的操作，节省了处理时间。