数字图象处理系统设计原理.ppt

数字图象处理系统设计原理,王 岳 环,E-mail:Tel:027-87541761-8186Addr:逸夫科技楼北楼1008,本课程主要目的,掌握数字图象处理系统及其设计的基本概念了解数字图象处理系统设计的基本方法了解数字图象处理系统设计中常用的工具、手段了解数字图象处理系统设计的基本过程,本课程主要内容,第一章 实时数字图象处理系统设计简介第二章 图象处理系统结构第三章 数字图象处理系统设计第四章 实时数字图像处理中的DSP技术第五章 系统设计中的基本原则和关键技术,主要参考书,VLSI与数字信号处理系统设计。周良柱编著，国防科技大学出版社，1990年并行处理与应用 刘重庆编著 上海交通大学出版社 1990K.Hwang and F.A.Briggs,Computer Architecture and parallel Processing.McGraw-Hill,New York,1984数字系统设计与PLD应用技术。蒋璇，臧春华编著，电子工业出版社。2001年1月实时信号处理信号处理系统的设计与实现。李玉柏等译，电子工业出版社。2002年7月面向对象系统分析与设计。周之英等译，清华大学出版。2000年7月大规模可编程逻辑器件及其应用。徐志军主编，电子科技大学出版社，2000年11月,第一章 实时数字图象处理系统设计简介,目的：了解系统设计的基本内容、数字图像处理的特点、实时计算的概念、基本实现方式和处理模式等,系统设计的内容,系统描述根据系统需求描述系统及其工作方式系统分析利用结构框图，数据流图，状态图等工具对系统功能的实现方式进行描述，并分析设计中的非功能性约束条件系统划分系统实现,数字图象处理系统特点(1),计算的实时性：能完整地处理输入的图象数据。既不丢失输入的图象信息，又不省略需完成的处理功能处理的灵活性 能支撑应用所需要的各种图象处理算法计算的精确性 在数学计算方面能输出精度足够高的结果,数字图象处理系统特点(2),系统的稳定性：数字图象处理系统处理的对象是离散的图象数据，因而系统性能主要依赖于图象处理算法，而对系统中器件质量要求较低系统的可靠性：可以采用检错、纠错等信息冗余技术和多机并行等硬件冗余技术系统的模块化 复杂的数字图象处理工作可以分解为一组计算和功能模块的组合,实时图像处理,图像处理的实时性取决于：图像数据输入的周期完成图像处理任务的计算复杂度图像信息处理系统提供的计算能力,实时图像处理,实时图像处理的几种模式,数据流处理块处理矢量处理,实时图像处理的几种模式数据流处理,实时图像处理的几种模式数据流处理,优点：输出相对输入的延迟小对存储的需求小缺点：对处理速度要求高通常用在针对象素的规则计算中（Ty=Tx），如数据流编码，一维线性滤波等,实时图像处理的几种模式块处理,实时图像处理的几种模式块处理,优点：支持算法对多个数据的随机访问允许使用较低速的处理器缺点：存储需求结果相对原始数据的时延大通常较复杂的算法都需要块处理,实时图像处理的几种模式矢量处理,针对一路信号的矢量处理针对多路信号的数据流处理针对多路信号的块处理,数字图象处理的实现方式,软件型系统：全部或主要处理工作由运行于通用计算机的软件完成,数字图象处理的实现方式,硬件型系统 以专用或有一定通用性的计算系统完成数字图象处理工作,数字图象处理系统简介,通用型图象处理系统 计算机中的图象图形卡、多媒体图象卡、视频格式转换卡等专用型图象处理系统 微处理机阵列、流水线处理图象计算机等专用加速硬件 MPP阵列处理机、DSP芯片等,第二章 图象处理系统结构（Architecture）,系统结构：又称体系结构，它既指处理系统抽象的逻辑结构，又指处理系统的物理实现结构。在本课程范围内讨论的系统结构则是指不同抽象层次上的系统逻辑功能结构。通常包含了处理单元组成、存储器组织与划分方法、系统拓扑结构（各单元间的连接方式）、系统控制流和数据流的控制机理等。重要性：系统结构的设计决定了系统的主要性能指标，如运算速度（时间）、完成系统功能所需的硬件数目（空间）、功耗、系统功能的实现方式、系统的可操控性等。,图象处理系统结构,信号处理系统的层次结构,图象处理系统结构,应用领域（信号处理首先一个就是待处理对象信号的模型建立问题。信号的特性反映在两个方面：a).与本身的基本物理参数和特性有关，如频率等；b).涉及到信号本身所包含的信息的组成与携带方式，即信号的模型问题，它与信号源的模型和传输通道的效应有关，决定了应该如何去处理一个已获取的信号以便从中提取人们所需要的信息内容。）信号处理理论与技术（离散信号与系统、检测与估计等基本理论以及各种处理技术，如匹配滤波、自适应、矩阵处理等）,图象处理系统结构,基本运算（研究一个处理方法的实现过程，也就是研究如何把他们分解成一系列的基本运算，以及如何把这些基本运算组合起来的问题。常见的基本运算有：a）数据处理类：卷积、相关、差分方程求解、频率变换、DFT、矩阵运算和矩阵变换运算。b)信息处理类：模式匹配分类、信号编码等。c)知识处理类：匹配技术、搜索和排序技术等。）信号处理系统（信号处理系统必须提供用以实现和连接完成规定的信号处理任务所需的各种基本运算的硬件单元和指令系统）,图象处理系统结构,器件技术信号处理算法（算法与结构是信号处理系统设计与实现过程中两个十分重要的内容。信号处理系统设计与实现就归结为如何寻找有效的算法和与之适应的处理系统结构形式。算法表示由基本运算逻辑层向处理系统逻辑层的转换过程，是各种基本运算的一种组合方式。结构表示由器件技术逻辑层向处理系统逻辑层的转换过程。包括数据处理（适用于预处理）、信息处理（模式匹配技术、DPCM变换编码、特征提取技术等）、知识处理（利用有关领域的知识去解释和理解被处理的对象）三层次）,图象处理系统结构,提高图象处理系统性能的方法：1、采用快速器件2、指令系统设计的优化3、系统结构上的优化,给定高速器件和优化的指令的情况下，如何使指令的执行速率达到最大，即执行一个规定任务所需时间最小,提高系统的数据吞吐率,图象处理系统结构 并发计算,并行处理：把任务分成几个互不相关的、可以同时执行的子任务；通过资源重复技术，采用多处理单元同时执行各个子任务的运算流水线处理：把任务分成几个相互相关的、可以顺序执行的子任务；通过时间重叠技术；使多个处理任务在时间上错开，轮流重叠使用同一处理单元中的不同功能部件，以提高系统的处理速度,图象处理系统结构 流水线,(a)单级处理方式,(b)流水线处理方式,(c)流水线处理的时空图,图象处理系统结构 流水线,特点：1、算法可分解为一组具有相对独立性并可顺序执行的子过程，硬件系统则包含多个功能单元支持各子过程的并发执行。这样的功能单元称为一个流水段或流水级2、系统并发效率取决于各流水级处理数据流所需时间的相近程度。在各流水级处理时间完全相等时，并发效率最高3、在流水线开始工作时，各流水级顺序启动的过程称为充填过程。在计算结束时，从数据输入停止到最后一个计算结果输出的过程成为排空过程,图象处理系统结构 流水线分类,1、处理机级流水线（由一定数目的能完成不同功能的处理机组成，分解后的图像处理子任务分别同时在不同处理机上执行。通常属于异构型多处理机系统）2、运算单元级的流水线（由相同的运算单元的级联形成流水线处理来提高系统的处理计算速度）3、操作级流水线（操作级流水线是指处理单元内部在控制操作、运算操作一级上的流水线操作，通过提高指令的执行速率来提高整个系统的处理速度。它分为处理机级流水（或指令流水线，指指令获取、译码、执行的过程）和运算操作流水线（或部件级流水，指待计算数据输入、计算、输出的过程）两种）,图象处理系统结构 流水线性能评价指标（1）,吞吐率（单位时间内流水线输入的数据（组）数量，其倒数为流水线周期，流水线稳定工作时的吞吐率称为最大吞吐率）最大吞吐率 为各级流水线所需时间实际吞吐率为：,图象处理系统结构 流水线性能评价指标（2）,加速比（m级流水线速度与等效非流水线速度之比）加速比其中：n为输入数据（组）数量在 nm 时,图象处理系统结构 流水线性能评价指标（3）,并发效率（指完成n个输入数据的处理所占用的时空区（有效时空区）与从流水线开始工作到流水线完全排空各级流水线总的时空区之比，描述了流水线工作过程中的设备利用率）效率,图象处理系统结构 并行处理,与流水线相比的特点：1、流水线结构中由于存在充填和排空时间的影响，流水线级数不能任意增大，至少在理论上它受信号传播速度的限制。而并行结构的通道数在理论上不受限制。2、并行处理系统中存在各处理单元互相连接的问题。目前多数并行处理机结构采用固定的互联网络，并与算法的并行化相联系。互联关系可调整的结构则称为可重构结构。,图象处理系统结构 并行处理结构分类,运算部件级并行（运算部件级并行处理是指拥有多个可以同时执行不同运算操作的运算单元。）处理单元级并行（处理系统中具有多个结构相同、功能相同的处理单元模块）处理机级并行（各个处理机在各自的控制系统控制下执行相应的任务，而不是象处理单元级并行处理结构那样，由同一个控制单元同时控制多个处理单元。处理机级并行处理系统开发包括硬件（结构形式、连接方法）、软件（任务的分配、调度和通信）、以及算法等多个方面的内容）,图象处理系统结构 并行处理性能指标,吞吐率并发效率,图象处理系统结构分类,Michael Flynn(1972)SISD(single instruction stream over a single data stream)SIMD(single instruction stream over multiple data streams)MISD(multiple instruction streams over a single data stream)MIMD(multiple instruction streams over multiple data streams),图象处理系统结构分类（1）,IS:Instruction Stream DS:Data StreamCU:Control Unit PU:Processing UnitMU:Memory Unit,SISD结构示意图,图象处理系统结构分类（2）,PE:Processing Element LM:Local Memory,SIMD结构示意图,图象处理系统结构分类（3）,MIMD结构示意图,图象处理系统结构分类（4）,MISD结构示意图（基本未在实际应用中出现）,图象处理系统结构分类 典型应用（1）,冯.诺依曼结构（1946，典型的SISD结构）,图象处理系统结构分类 典型应用（1）,冯.诺依曼结构（1946，典型的SISD结构）1、系统由运算器、存储器、控制器、输入、输出等部分组成2、程序指令与数据放在同一存储器中3、指令操作包括取指、译码、执行三个步骤4、指令顺序执行,图象处理系统结构分类 典型应用（1）,冯.诺依曼结构（1946，典型的SISD结构）单一存储空间的优点：1、程序修改方便 2、硬件简单 3、存储管理软件容易 4、存储空间利用率高缺点：1、可修改性易造成程序错误，也不利于程序重载和递归调用 2、不利于重迭和流水线操作 3、指令数据不同字长使存储器字长优化困难 4、指令/数据串行存取降低了系统速度,图象处理系统结构分类 典型应用（2）,Harvard结构（属于SISD结构）,优点：程序、数据分开存放缺点：系统硬件复杂典型芯片：8051、ADSP21060（数据与程序存储器空间可编程）,图象处理系统结构分类 SIMD结构,SIMD结构是一种利用处理单元级并行处理技术的系统结构形式，即它拥有多个在同一控制单元的控制下，对不同的数据进行相同运算处理的多个结构与功能相同的处理单元。按单元之间的互连网络(ICN)的连接方式的不同而分成两种基本的结构形式：分布存储器结构(DMP)和共享存储器结构(SMP)第一个实用的SIMD处理机是美国Burroughs 公司和伊里诺大学联合研制的ILLAC-4阵列处理机,图象处理系统结构分类 SIMD结构,分布式存储器结构,应用：PMP雷达信号处理系统、含16384个位串行处理单元的MPP并行处理机和含64个64位字长处理单元的ILLAC-4阵列机等,图象处理系统结构分类 SIMD结构,共享式存储器结构,应用：Burroughs公司和伊里诺伊大学研制的BSP处理机（1979）等,图象处理系统结构分类 SIMD的互联网络,SIMD的互联网络是决定系统性能的关键因素设计目标：1、足够的灵活性以适应算法结构的多样性2、在满足功能需求的基础上足够简单3、通信带宽满足单元间高速通信的需要,图象处理系统结构分类 几种SIMD的互联网络,全交叉开关网络,ILLIAC-4中的闭合螺旋线互联网络,GRID处理机的互联网络,图象处理系统结构分类 MIMD结构,MIMD系统是多处理机并行系统。各处理单元由独立的控制单元控制。系统性能由处理机间任务分配、逻辑结构（处理机的逻辑关系平等关系或层次关系）及功能单元间的连接方式决定,图象处理系统结构分类 MIMD结构分类,同构型多处理机结构（采用资源重复技术提高系统性能）,异构型多处理机结构（以时间重叠技术提高系统效率）,分布式系统（以资源共享技术兼顾性能和效率）,MIMD结构（按逻辑结构分类）,图象处理系统结构分类 MIMD结构分类,MIMD结构（按连接方式分类）,松散耦合（各处理机物理上分开，相互间通过低带宽数据通道联系）,中等耦合（Multiple Processor System,以高速数据总线实现处理机间连接。不同处理机承担的任务存在内在联系）,紧密耦合（Multiprocess-ors System,通常以共享存储器实现处理机间高带宽连接，处理机执行的任务通常有同步要求）,图象处理系统结构分类 MIMD结构形式,环形,全互联,总线结构,带控制器的总线,星形,不规则网络,共享存储器,带开关的环形,规则网络,总线窗,图象处理系统结构分类 MIMD结构性能评价,性能瓶颈：在系统中限制性能提高的主要特性或部件模块特性：指通过增加、减少部件以改变系统处理能力和结构的难易程度容错和重组特性：指故障对整个系统的影响及在出现故障时，系统重新组合以继续工作的能力连接的复杂性：指处理器间相互数据传输的复杂程度,RISC结构,RISC：Reduced Instruction Set Computer由来：CISC技术存在着如下一些缺陷：（a）指令的使用频率不同（b）指令系统的复杂性必然导致结构上的复杂化（c）复杂的指令会带来复杂的操作，降低了指令执行的速度,RISC结构 设计原则和实现技术,选取使用频率最高的少数指令，并补充一些最有用的指令；每条指令在一个机器周期内完成；所有指令具有相同的长度；只有存、取数指令才访问存储器，其余指令操作均在寄存器之间进行；以简单而有效的方式支持高级语言,RISC结构 采取的措施,以硬件为主，固件为辅的技术延迟控制转移技术重迭寄存器窗口技术,数据流计算机,各指令生命周期由数据控制。包括数据驱动计算和需求驱动计算,VLSI阵列机结构,VLSI阵列机VLSI array processors,又称数组计算机。包括脉动阵列结构和波前阵列结构,VLSI阵列机结构 脉动阵列机,是1978年美国卡内基梅隆大学的H.T.Kung 提出的一种高度流水处理和同步多重处理操作特性的阵列机结构形式特点：系统由多个在统一的同步信号作用下，有节奏地实现运算和系统内部的数据传输的处理单元所组成。适合于在信号与图像处理任务中常遇到的计算约束计算任务 基本原理：1、采用多个处理单元组成阵列以提高计算能力2、数据在系统中以流水方式在各处理单元间依次传输3、与外界的数据交换由位于阵列边缘的单元实现，以减少I/O操作次数,VLSI阵列机结构 脉动阵列机,特性：1、输入数据多次利用，以达到在不增加I/O带宽的情况下提高计算效率2、广泛应用并行特性3、简单规则的设计4、简单规则的数据流和控制流,VLSI阵列机结构 波前阵列机,1982年由美国普林斯顿大学的S.Y.Kung提出。是一种采用数据驱动计算的特殊结构的异步阵列机系统特点：除了拥有脉动阵列机所具有的规则性、模块性、高度流水处理和多重处理等特性外，还具有数据流计算机的异步的数据驱动能力，避免了在VLSI阵列系统中的由于时钟信号传输而引起的时间不确定性的限制,VLSI阵列机结构 波前阵列机,波前计算示意图,波前阵列机与脉动阵列机比较,同步问题：脉动阵列由全局时钟控制，因而需解决由信号传输带来的同步时钟偏差问题。波前阵列由数据流控制，存在异步数据传输应答带来的额外时间和硬件开销处理速度：脉动阵列各流水级流水时间由该级中最坏情况确定。波前阵列计算较快可编程性：波前阵列编程不需考虑各处理单元间操作进程安排，因而较简单容错能力和峰值功耗：脉动阵列由于同步时钟控制，因而峰值功耗大。波前阵列中的错误会导致波前传播停止，因而容错设计简单。,第三章 数字图象处理系统设计,系统设计：在特定功能、特性及物理参数等条件的约束下给出的系统物理实现方案、设计图或其他形式的系统描述，为系统实现提供指导。,数字图象处理系统设计,层次结构描述模式,逻辑层：描述完成任务所需系统的各个逻辑单元，而不涉及各逻辑单元的实现,物理层：描述各逻辑单元采用软件和硬件相结合的实现方式,数字图象处理系统设计 设计过程划分,特性分析：从需求出发，确定系统的性能指标，并以之作为验证设计结果的标准,逻辑设计：通过对系统特性的分析，确定由一组反映系统功能的逻辑单元构成的系统逻辑结构,硬件结构选择：确定系统逻辑设计的软、硬件实现方式,系统实现：完成系统设计中的各项具体实现工作及最终的系统验证工作,设计流程,瀑布流程,设计流程,螺旋流程,数字图象处理系统设计 与软件工程的比较,数字图象处理系统设计 设计方法,设计方法：基于特定的用户需求，由系统设计者执行的生成适合于指导系统的具体物理实现的系统描述的方法。其基本结构形式包含设计策略和设计方式两方面的内容。,设计策略：在某些设计原则的指导下，在系统设计各阶段所遵循的设计步骤和顺序。常用于指导在具有不确定性的场合下的设计决策问题。,设计方式：在某一种选定的设计策略的指导下，实现系统的模块化描述的具体过程。,数字图象处理系统设计 设计策略,设计策略,正交策略,混合策略,关键单元优先法,自顶向下法,自底向上法,由内向外法,由外向内法,约束驱动法,数字图象处理系统设计 自顶向下法,优点：容易保证系统的正确性、设计过程清晰、模块性好、便于理解和交流,缺点：大系统的正确性难以保证、有时“顶”处不明确、有时设计的实现方案无法满足所有限制条件的约束,数字图象处理系统设计 自底向上法,优点：适用于对现有的系统部件的进一步扩充和修改来满足设计要求,缺点：有时由于原始部件本身不适应而导致所构成的系统不能满足系统性能特性要求。底层的关键性选择可能会阻止或限制在高层所做出的一些决策,数字图象处理系统设计 关键单元优选法,首先完成系统中关键部件底设计，再进行系统中其他部分底设计。是自顶向下法和自底向上法底变型。既保证了系统关键功能、性能瓶颈的满足，又保证了关键功能部件的可实现性。,数字图象处理系统设计 约束驱动法,特点：将系统约束和关键因素分解到系统设计的各步骤中，明确描述约束条件在系统设计的哪一级产生影响,优点：反复次数较少；由于需考虑的约束条件分散，设计较简单,缺点：约束条件分解困难,数字图象处理系统设计 设计方式,控制驱动方式：面向系统处理功能及其控制的设计方式。将图象处理的实现看成是作用于系统输入图象数据的一组有序过程的顺序执行。数据驱动方式：注重处理过程中所涉及的图象数据的保护、操作和在系统中的流动在图象处理系统设计中，由于必然存在的输入/输出数据流，同时实时处理要求和任务需求又对这些数据的操作过程提出了一定的特性要求和限制因素。所以两种设计方式在系统设计中应同时考虑。,数字图象处理系统设计 常用设计手法,设计手法：在整个设计过程中，用以执行系统设计策略或设计方式的一种具体表现形式的工具。提供了一组协调的预先定义好的概念，以及相应的表达形式，可在设计过程中用于描述、表达系统功能。常采用一组适当组合的设计手法，使得在设计过程中可以方便地由一种转向另一种。常用的方法：描述系统逻辑结构的工具（数据流图、HIPO图、数据字典、层次方框图）；描述系统物理组成结构的工具（系统流程图、层次图、结构框图、结构图、访问图）；描述具体实现的工具（软件：N-S盒图、PAD图、判定树、判定表、程序框图、伪码等；硬件：方块图、逻辑图、电路图、时序图、状态机、VHDL语言等）,边缘进入法系统设计,非功能性约束,系统功能分解（边缘确定）,功能的逻辑描述,软件逻辑结构,硬件支撑,边缘进入法系统设计 逻辑描述的设计原则,1、注意处于系统边缘的子系统2、初步确定各子系统之间的数据流3、利用数据流细化子系统4、在各子系统中进行功能分配5、给出系统结构框图，确定各子系统应提供的服务6、确认结构框图中各部件的性质7、分析所得到的结构形式是否满足特性需求8、详细确定系统界面9、初步确定系统结构后，需验证设计质量和完善性是否达到要求,多层次系统设计方法,起因：边缘进入法在兼顾系统软硬件部分的逻辑设计，并考虑各处理单元及器件设计方面存在不足特征：是一种抽象的系统结构描述模式，用多个没有预先确定最终实现的硬件或软件特性的逻辑层次（虚机器）来描述系统虚机器：在不涉及物理实现的情况下，以一种可见的系统功能描述分级系统结构中上下级间的逻辑接口的描述方法。这些功能的逻辑结构、组织形式和相互关系的详细描述，即为该虚机器的逻辑结构通常，人们把不装备任何软件的计算机称为硬件计算机或裸机。裸机由于不装备任何软件，所以只能运行机器语言程序，这样的计算机，它的功能显然不会得到充分有效的发挥。普通用户面对的一般不是裸机，而是在裸机之上配置若干软件之后所构成的计算机系统。有了软件，就把一台实实在在的物理机器（有人称为实机器）变成了一台具有抽象概念的逻辑机器（有人称为虚机器），从而使人们不必更多地了解机器本身就可以使用计算机，软件在计算机和计算机使用者之间架起了桥梁。,多层次系统设计方法,多层次系统设计方法,与边缘进入法的区别：1、明确考虑了预期的最终系统整体结构2、增加了初始系统划分，并以之作为约束划分的一部分3、逻辑设计阶段，逻辑结构和虚机器定义反复进行，将逻辑系统设计划分为层次化和模块化的更小的逻辑设计任务4、考虑到逻辑系统设计的逻辑划分与层次化结构可能与最终的硬件结构不相匹配，预先在逻辑设计的不同层次进行逻辑结构划分及系统各部分对硬件的分配,图象处理系统设计过程 系统特性确定（1）,要求分析：从用户所提出的各种要求和约束条件获得一个明确的系统特性说明表，包括系统所需的各种功能以及非功能性的特征。如实现上的限制，最小速率要求等。系统特性通常可分为两大类：a.要求特性指系统所要求的、外在的、用户可见的性质和特征以及实现上的约束条件。以说明“什么是要做的”，而并不确定“如何才能作成”。系统要求特性的逻辑结构由操作描述（即应该作到的事）和约束条件（即非功能性要求，如成本和决定系统逻辑结构划分的限制因素如模块特性、容错能力、可维护性和可靠性等）两部分组成。b.实现特性 说明在系统的具体实现和制造过程中的一些详细的特征，即阐述最终的系统“应如何作成”。,图象处理系统设计过程 系统特性确定（2）,系统性能 系统性能的定量描述，如吞吐率、反应时间等。系统性能描述是后续设计工作的目标和基础，也是系统优化的依据。,图象处理系统设计过程 系统特性确定（3）,系统的约束条件 系统的约束条件分可度量的（如可靠性）与不可度量的（如模块化特性，可扩展性等）两类。可靠性通常用平均无故障时间MTBF 可用性,图象处理系统设计过程 系统特性确定（3）,系统的约束条件 系统的约束条件分可度量的（如可靠性）与不可度量的（如模块化特性，可扩展性等）两类。容错能力：故障检测、冗余、系统重构 冗余：静态冗余，动态冗余,图象处理系统设计过程 系统逻辑设计,其任务是通过系统特性的分析解释，来确定系统的逻辑结构，是建立一组今后以适当的软硬件组合来实现的虚机器的过程。重点在阐述系统应该“做什么”，而不是“怎样做”，得到的结果是一组反映了系统功能的逻辑单元所组成的系统逻辑图结构。物理描述说明了系统的硬件、软件组成；而逻辑描述给出的是系统的数据流操作和控制特性的逻辑要求。两者在系统描述的高层次上表现出一种非对应关系；但在足够详细的低层次上则可表现出一种一一对应关系。正是这种对应关系，才可以通过对逻辑描述的适当划分和分配，实现系统硬件和软件的定义。,图象处理系统设计过程 系统逻辑设计,物理描述与逻辑描述,图象处理系统设计过程 系统功能确定和初始划分,功能确定：根据系统的要求特性，确认系统主要的功能要求，系统功能分为数据流功能（包括数据的存储、传输和变换处理）和控制功能两类。初始划分：按照功能和与其相关的操作特性的用户可见性，把系统划分成一组系统层次和虚机器。同时分离那些非功能性的要求和约束条件，以便在他们对于设计的决策发生影响时加以考虑。,图象处理系统设计过程 系统功能确定和初始划分,图象处理系统设计过程 关系图和初始划分,关系图和初始划分：从系统界面特性出发，给出一个有关系统如何组成的总体概貌描述，通常涉及在方框图一级进行各种功能划分的多种尝试。一般步骤：（a）汇总由系统特性说明所确定的主要功能表，包括所有的用户可见特性，并分离出所有的已说明的非功能性要求和约束条件。（b）进行若干基于不同着眼点的系统初始划分的尝试。例如系统的操作模式、明显的用户可见性逻辑层次或可编程性等。（c）根据某种操作模式描述，得到一个获取系统特性的基本要素（即获取一个低层更详细的支撑特性组合）的明确表达形式。（d）组合几种可能有用的划分。,用户可见的系统操作模式 用户可编程系统,基本特性：能在系统中存储控制信息，并存在着一种根据这些信息自动改变系统操作方式的控制机理。必须包括一组处理功能，一组控制功能和一定的执行方式。,用户可见的系统操作模式 不可编程系统,不可编程系统（提供一个或几个可由用户选择执行的处理功能，系统操作的每次改变都需要使用者的干预。,固定功能系统,可构造功能系统,不连续的工作模式,连续工作模式,用户可见的系统操作模式 并发特性,系统并发特性,物理并发（物理并行执行）,虚并发（物理资源的时分复用）,逻辑并发性（由于各种功能之间不存在相互依赖关系，而导致的固有的、可能的数据流功能的并发执行特性）,可见并发性（使用者所看到或所了解的并发性）,用户可见的系统操作模式逻辑系统组成,系统功能,虚机器界面,虚机器界面层次化划分,按控制驱动方式划分,从数据流观点划分,按操作层次划分，给出系统模型图的径向划分,按操作模式划分，给出弧向划分,图象处理系统设计过程 数据流分析,数据流分析的任务就是利用在各个逻辑处理功能之间的数据元素的逻辑流，生成一种系统操作模式和层次的逐步分解的简明表达形式。其目的在于使整个复杂的逻辑系统设计能够分阶段进行处理，即先建立逻辑数据流要求，然后再考虑控制因素。,系统的数据流描述,层次结构的数据流图（由表示系统逻辑功能的节点和表示逻辑数据流的边组成）,数据目录表（对数据流图中的数据元素加以详细说明）,数据流分析 数据流图,在生成数据流图时，应遵循下述原则：.首先确认数据元素和数据结构，然后，确认处理功能（节点）；.每一个节点应该表示一个定义完好的、具有准确的输入/输出数据结构的逻辑功能；.明显的数据存储节点应该包含在图内（通常用矩形表示）.数据流图中的每一个节点和沿应该简洁而含义准确的标记在图上；.对应于每一个沿的标记，在数据目录表上应该有一个记录项；这记录项应该用详细的数字数据结构描述，或者用一组单独定义的子结构来说明。.在每一个沿上，数据只能按一个方向流动；.给每一个节点编号，以说明它在系统层次分解中的位置。,数据流分析 数据流图,数据流图的作用：.它提供了通过采用逻辑层次中的低级功能来扩展每一个节点，以逐步细化数据流要求的一种简便方法；.不依赖于在初始功能划分时所包括的有关系统的物理组成的考虑;.不需复杂的描述手法就能获得系统结构的一般性描述；.可以用做详细的算法表示方法。,数据流分析 数据目录表,数据目录表,逻辑数据结构形式,基本数据元素类型,数据元素,内容包括名称、数值精度要求、输入数据的表示方式和形式、预定的硬件限制等,图象处理系统设计过程 数据流分析,数据的表示和存储 数据的传输 数据的变换,图象处理系统设计过程 数据流分析,图象处理系统设计过程 数据流分析,图象处理系统设计过程 数据流分析,数据流分析 负载分析,目的：负载分析为系统性能要求的初始定量分析和系统工作参数的确定,以及系统硬件结构的选择和划分提供一个定量分析的基础。.数据流传输速率（每一节点的输出数据即为下一级的输入数据).执行时间预算(每一个运算功能的执行时间预算等于其输出数据速率的倒数，它表示必须在相隔两个输出数据的间隔时间内完成所有的运算).计算量估计.存储量需求(大致估计至少应具有的足够存储执行一次操作所需的输入/输出数据的存储容量),数据流图的划分 基本的数据流构造形式,基本的数据流构造形式,顺序的数据流构造形式（数据流顺序地由一个功能节点流向另一个功能节点）,并行的数据流构造形式（描述几个互相之间不存在依赖关系的数据流功能）,网络化的数据流构造形式（顺序和并行组合的一种构造形式）,数据流图的划分 系统的划分,系统划分,顺序关系的垂直划分方法,并行关系的水平划分方法,网络关系的先垂直后水平的方法,数据流图的划分 系统的划分,系统的控制结构 控制要求,是对待执行的数据流操作的辨认和选择，以及执行时间的确认。系统的控制功能还必须能够确定在什么时候，系统将执行这些操作的控制能力。,系统的控制结构 控制层次,控制层次,外部的（用户可见的）,内部的（设计者可见的）,对不可编程系统：简单的系统工作模式的构造方式选择，子功能及其控制对用户透明,对可编程系统：用户通过低层功能的组合来完成特定的处理任务。要求功能的执行和控制机理对用户可见,系统的控制结构 控制方式,对于不可编程系统而言 它的控制简化到设置/结束系统的控制输入（只相当于执行一个过程调用）对于可构造的不可编程系统 其外部控制表现为对于多种可能的操作模式的选择、设置和结束。对于可编程系统而言 需要一些控制和同步功能来说明和控制数据流功能的组合及相互关系。,系统的控制结构 可编程系统控制方式,可编程系统控制方式,显式的控制功能：作为指令系统一部分的控制、转移等指令,隐含的指令执行机理,可编程系统,顺序系统：过程控制,并发系统：陈述控制。采用一组激活的处理功能（任务），以及控制功能执行的定位和同步的条件或事件（进程调度）来说明功能的可执行性,图象处理系统设计过程 系统控制特性,可编程系统的控制是基于两个方面：作为指令系统的一个部分的明显的控制功能（控制、转移指令）以及隐含的指令执行机理。可编程系统可分为顺序系统和并发系统两类。a.顺序系统 顺序系统采用与常规的计算机编程相类似的过程控制方式，它对应于一组有序的指令集合的顺序执行。b.并发系统并发意味着陈述控制概念，它采用一组激活的处理功能（任务），以及控制功能执行的定位和同步的条件或事件（进程调度）来说明功能的可执行性。并发系统的编程不要求一种操作的隐含序列性，但却假设这些操作具有并发执行的特性。显然这两种不同的控制方法，将使系统的设计沿着不同的方向发展。由于一个系统的逻辑结构不仅仅取决于数据流功能，而且也与控制功能有关。因此，控制方式的选择即成为在逻辑系统形成的初始阶段的重要决策之一。相当于实现程序设计的微指令系统设计,系统的控制结构 可编程系统的控制机理,可编程系统的控制机理,顺序执行,需求驱动控制,同步的顺序执行,异步的顺序执行,系统的控制结构 控制的组成,控制的组成,集中控制方式(系统最高层存在单一的控制整个系统所有活动的控制中心),分布式控制(不存在集中的控制中心),分级式控制(集中控制和分布式控制在不同系统层次上的一种组合形式。在高层表现为集中式，在低层表现为分布式）,图象处理系统设计过程 结构图,定义：结构图是一种描述系统功能模块之间的数据流和控制关系的方框图。优点：不先涉及确定软硬件实现问题，而注重于它们之间相互关系的描述。这种描述易于将它转换成程序。,图象处理系统设计过程 结构图,组成元素：包、任务和约会任务是指一个完成一定功能，并可以与其他任务一起并行执行的功能单元。包 是指一组在逻辑上相互联系的功能单元的集合，可以包括子功能、任务和数据结构等。约会描述两个并行执行的任务之间的同步关系。以箭头表示访问关系，可以是数据访问，子程序调用或入口调用。带圆圈的箭头表示数据流。数据存储以椭圆边矩形表示,图象处理系统设计过程 结构图,图象处理系统设计过程 结构图,数据流图到结构图的转换步骤：第一、由反映操作模式和层次的关系图出发，生成最初的反映了用户可见的系统控制要求的系统级结构图。第二、对于互不相关的系统操作模式，应该表示为顶层的用户界面任务控制下的包。第三、在顶层系统结构图约束下，在系统的各级上把数据流图转换成结构图，暂时可以不区分每一个功能块应该是有源的或无源的。使所有的数据存储功能节点成为无源包，使所有的处理功能成为有源包，并拥有从其他有源包接受输入数据的入口点。,结构图 包和任务的分类,行动任务：能建立和其他任务间的约会，但不存在进入点，也决不会被其他的任务所调用；服务任务：只接受来自其他任务的调用，它决不会主动去建立起一个相互作用关系；中性任务：既可以是行动任务，也可以是服务任务；无源包：仅含有过程与数据，它只通过简单的调用来访问；有源包：一个有源包包含有任务（可以为行动、服务和中性三种任务间的任何一种），当它被调用时，它内部的所有任务都被激活，而且只有当所有任务执行完毕时，包的执行才结束。,结构图 无源包的访问,无源包视为可重入的程序或可分享的数据时：多个任务可同时访问一个无源包而不会引起冲突当无源包不能视为可重入的程序或可分享的数据时，需要对这些调用关系加以调整：(a).把无源包转化为一个服务任务(b).在包内设置控制任务，对包的访问将通过与任务的约会来进行，即无源包转换为了有源包(c).设置一个包分配任务，对包的访问转换为对新任务的访问,结构图 无源包的访问,结构图 任务访问,任务间数据传输通过任务之间的约会来实现。为了尽量减少约会中的等待时间，对约会的方向作了如下规定：(a).把低利用率的目标任务，设置成服务任务(b).把高利用率的目标任务，设置为一个行动任务；(c).在多个发送任务情况下，若目标任务是高利用率的，或有多个目标任务，则利用一个设置为服务者的缓冲任务,结构图 任务访问,结构图 任务间的两路作用和死锁,结构图 任务间的两路作用和死锁,任务间的两路作用的死锁解决方法：(a).转换成一路条件调用(b).转换成一路有中间行动任务的两路作用(c).转换成两路有中间行动任务的中间传输任务(d).转换成中间服务任务（邮箱服务）(e).转换成只有一个中间行动任务的中间传输任务,结构图 任务间的两路作用和死锁,结构图 有源包,有源包与外界的数据交换按照规定的协议进行，内部的具体实现算法通常并不加以说明，或只是粗略的说明。有源包的设计包括与外界接口的可见部分（包特性）和调用者特性透明的不可见部分（包体）。(a)在分级式结构中，各个有源包可以构成为中性包，通过约会实现的服务传输仅与其下层发生关系，所有的控制均是由上向下的。(b)在分级式结构中，也可以利用一个传输包来实现后面的双向的请求和数据传送,而用一个服务包来实现相应的服务功能,结构图 有源包,结构图的建立方法自顶向下的方法,自顶层数据流图开始，逐级地分解数据流功能并转换成相应的结构图，在每一个层次上，均需检查相应的控制要求并分析可能的实现方案。常应用在需对控制的复杂性作广泛研究的情况下。数据流控制要求的实现有分布式控制和集中控制两种基本方式,结构图的建立方法自顶向下的方法,主要缺点：算法的划分被特定的控制任