摘 要： 針對(duì)醫(yī)學(xué)顯微圖像自動(dòng)分析系統(tǒng)在應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性需求，根據(jù)顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別原理和多核流水設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了細(xì)胞圖像識(shí)別算法實(shí)時(shí)性，提出了一種基于TMS320C6678 顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別并行流水實(shí)現(xiàn)方法。該方法實(shí)現(xiàn)了任務(wù)級(jí)并行流水，提高了系統(tǒng)的魯棒性，達(dá)到了系統(tǒng)穩(wěn)定和性能加速的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法是可行、有效、可靠的，并且基于TMS320C6678 的顯微鏡細(xì)胞識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力有很大提升。

關(guān)鍵詞： 圖像識(shí)別； TMS320C6678； DSP多核； 并行處理； 魯棒性

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0110?04

0 引 言

顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)是采用圖像處理和模式識(shí)別對(duì)顯微鏡細(xì)胞圖像中特定成分進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和分析[1]。在臨床檢驗(yàn)中，利用顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)快速的檢驗(yàn)顯微鏡鏡檢，可以節(jié)省醫(yī)生的大量勞動(dòng)力，提高檢驗(yàn)速度，提高檢驗(yàn)準(zhǔn)確率。

針對(duì)醫(yī)學(xué)顯微圖像自動(dòng)分析系統(tǒng)在應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性需求，設(shè)計(jì)了一種基于TMS320C6678 顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別并行實(shí)現(xiàn)方法，該方法實(shí)現(xiàn)了任務(wù)級(jí)并行流水，提高了系統(tǒng)的魯棒性，達(dá)到了系統(tǒng)穩(wěn)定和性能加速的目的。

1 細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)原理

顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別是一個(gè)典型的模式識(shí)別過程。它主要由圖像預(yù)處理、圖像分割、目標(biāo)提取、特征提取和圖像識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)組成，其原理如圖1所示。

其中，圖像預(yù)處理通過各種自適應(yīng)濾波技術(shù)和圖像增強(qiáng)算法過濾由于各種因素引起的噪聲，同時(shí)增強(qiáng)細(xì)胞圖像的邊緣信息；圖像分割是從細(xì)胞圖像中將各種有形成分凸顯出來；目標(biāo)提取是從分割后的細(xì)胞圖像中提取出凸顯的有形成分，使其成為單一的脫離背景的目標(biāo)；特征提取是從形態(tài)、紋理和顏色等方面提取能夠區(qū)分各種有形成分的107維特征參數(shù)；圖像識(shí)別根據(jù)計(jì)算得到的特征采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)有形成分進(jìn)行識(shí)別分類，最后得到識(shí)別結(jié)果。

2 圖像識(shí)別多核并行流水設(shè)計(jì)

TMS320C6678 是基于TI 公司最新DSP 系列器件TMS320C66x、在單芯片上集成了8顆1.25 GHz內(nèi)核，不僅可支持最高性能密度，而且節(jié)約成本、功耗與板級(jí)空間；1 片8 核的TMS320C6678 提供等效達(dá)10 GHz 的內(nèi)核頻率，單個(gè)指令周期可以執(zhí)行4個(gè)32位定點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算，或者執(zhí)行1個(gè)16個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算，整個(gè)芯片提供320GMAC定點(diǎn)計(jì)算或者160GFLOP浮點(diǎn)計(jì)算能力[2]；提供多種多核之間的信息和數(shù)據(jù)交換方式，如EDMA、MessageQ Queue和QMSS等[3]。在C6678 平臺(tái)上設(shè)計(jì)細(xì)胞識(shí)別系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)流方式的任務(wù)并行方式。

2.1 并行流水設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

并行流水是每個(gè)流水級(jí)采用不同的運(yùn)算法則處理數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳遞到下一個(gè)流水級(jí)處理，不同流水級(jí)上的任務(wù)由上一級(jí)的流水結(jié)果來激活。適合于數(shù)據(jù)流模式的程序通常包含計(jì)算復(fù)雜度較大的模塊，且模塊間存在著數(shù)據(jù)依賴[4]。圖2為并行流水的示意圖。

流水線劃分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

（1） 所有的流水級(jí)應(yīng)該有相似的運(yùn)算延遲，這是因?yàn)橄到y(tǒng)性能受到計(jì)算負(fù)載最大的核的限制，為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐率，所以各流水級(jí)的運(yùn)算時(shí)間應(yīng)盡量均勻[5]。

（2） 流水線系統(tǒng)要求流水級(jí)之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性是單向傳遞的，只能由上級(jí)流水傳輸數(shù)據(jù)到下級(jí)流水，所以流水級(jí)中的模塊及其以下級(jí)別的數(shù)據(jù)必須是一個(gè)相關(guān)性環(huán)路。

2.2 細(xì)胞圖像識(shí)別算法實(shí)時(shí)性分析

以兩張800[×]600的BMP圖片為輸入，一張是目標(biāo)較少的細(xì)胞圖像，而另一張目標(biāo)較多，輸入到經(jīng)過優(yōu)化的程序中，在C66X單核內(nèi)運(yùn)行，利用CCSv5.3 的環(huán)境進(jìn)行軟件仿真得到各個(gè)處理過程所花的時(shí)間，結(jié)果如表1所示。

由表1可知， 整個(gè)微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)測(cè)試中， 在算法代碼經(jīng)過優(yōu)化的情況下，其中提取模塊耗時(shí)最多，大約相當(dāng)于其他過程的3倍；一張800[×]600的BMP圖片在單個(gè)TMS320C66x CPU 內(nèi)核上的處理時(shí)間約為1.06 s，另外一張的處理時(shí)間為1.31 s，對(duì)于不同的圖像輸入，在單個(gè)TMS320C66x CPU內(nèi)核上各個(gè)模塊的處理時(shí)間相差較大，故對(duì)于測(cè)試結(jié)果設(shè)計(jì)相應(yīng)的并行流水算法。

2.3 圖像識(shí)別流水任務(wù)分配設(shè)計(jì)

根據(jù)流水模式的兩個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和系統(tǒng)算法實(shí)時(shí)性分析，把0核設(shè)計(jì)為通信控制核，把顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別各模塊映射到剩余的7個(gè)C66X核， 組成一個(gè)5 級(jí)流水線，如圖3所示。

將圖像預(yù)處理、分割、目標(biāo)提取、特征提取和圖像識(shí)別分配到不同核，實(shí)現(xiàn)算法的任務(wù)級(jí)流水。由于特征提取計(jì)算復(fù)雜度較大，制約了任務(wù)級(jí)流水的處理速度，為了充分發(fā)揮C6678 性能優(yōu)勢(shì)，將特征提取分配到了3個(gè)核，以3個(gè)核并行運(yùn)算來提高系統(tǒng)的識(shí)別速度。

2.4 基于隊(duì)列的相鄰流水級(jí)之間的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的多核流水的解決方案絕大部分都是基于單向的控制，沒有反饋機(jī)制，這些結(jié)構(gòu)的處理性能受到最大計(jì)算復(fù)雜度的流水級(jí)限制。

對(duì)于不同圖片的輸入，顯微細(xì)胞圖像的處理時(shí)間有很大差異，為了充分發(fā)掘流水級(jí)間處理的并行度，并適應(yīng)細(xì)胞圖像識(shí)別數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)，提出一種反饋系統(tǒng)級(jí)流水線體系結(jié)構(gòu)。每一級(jí)流水線包含至少一個(gè)可編程的C66X核，不同流水級(jí)之間數(shù)據(jù)傳遞用循環(huán)隊(duì)列存儲(chǔ)（先進(jìn)先出）單元完成，當(dāng)下級(jí)流水級(jí)處理完當(dāng)前次流水時(shí)，需要返回一個(gè)消息給上級(jí)流水級(jí)，以通知上級(jí)流水級(jí)對(duì)循環(huán)隊(duì)列的控制。

如圖4所示，兩個(gè)相鄰流水級(jí)之間的聯(lián)系，分為控制層和數(shù)據(jù)層。對(duì)于一般流水設(shè)計(jì)，受到計(jì)算負(fù)載最大的核的限制，假如輸入一張目標(biāo)較少的細(xì)胞圖片，導(dǎo)致各個(gè)流水級(jí)的處理時(shí)間很短，流水級(jí)任務(wù)處于掛起狀態(tài)，等待下一個(gè)輸入，浪費(fèi)資源，且當(dāng)輸入到流水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)超過了系統(tǒng)的負(fù)載最大核的限制可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。而采用在兩個(gè)流水級(jí)之間加入一個(gè)循環(huán)隊(duì)列存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的冗余存儲(chǔ)空間，只要隊(duì)列存儲(chǔ)器沒有存儲(chǔ)滿，系統(tǒng)可以繼續(xù)處理下一張細(xì)胞圖片，不需要等待，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和吞吐率。

3 細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)多核流水實(shí)現(xiàn)

根據(jù)細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)流水設(shè)計(jì)思路， 將本文提出的DSP多核流水設(shè)計(jì)在CCSv5 上進(jìn)行軟件仿真實(shí)現(xiàn)。其中，利用SYS/BIOS[6]提供核間任務(wù)調(diào)度，利用IPC[7]實(shí)現(xiàn)核間同步和通信，利用NDK[8]實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。整個(gè)細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)有8個(gè)DSP C66X核，6塊DDR存儲(chǔ)區(qū)，其中核0負(fù)責(zé)與外部通信，其余7個(gè)DSP核負(fù)責(zé)運(yùn)算， 6塊存儲(chǔ)器區(qū)，作為每個(gè)系統(tǒng)輸入/輸出和流水級(jí)之間的循環(huán)隊(duì)列存儲(chǔ)區(qū)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行步驟如下：

（1） 啟動(dòng)系統(tǒng)，完成所有核的初始化后，首先調(diào)用IPC_start函數(shù)讓各核進(jìn)入同步等待狀態(tài)。

（2） 上位機(jī)通過網(wǎng)口啟動(dòng)并發(fā)送數(shù)據(jù)到核0后，核0接收了第一個(gè)圖片后，利用Notify_sendEvent（）函數(shù)啟動(dòng)核1，并通知核1該從隊(duì)列的那個(gè)存儲(chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)。

（3） 核1開始預(yù)處理圖像，而此時(shí)核0接收第二張圖片，核2、3、4、5、6、7都處于掛起狀態(tài)；核1處理完成后，利用Notify_sendEvent（）通知核2開始圖像分割，并通知核2該從隊(duì)列的哪個(gè)存儲(chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)。

（4） 核2開始圖像分割，而此時(shí)核0正在接收第三張圖片，核1預(yù)處理第二張圖片，核3、4、5、6、7都處于掛起狀態(tài)；直到核2處理完，利用Notify_sendEvent（）通知核3開始目標(biāo)提取，并通知核3該從隊(duì)列的哪個(gè)存儲(chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)。

（5） 核3對(duì)分割后的圖片提取目標(biāo)，而此時(shí)核0正在接收第四張圖片，核1預(yù)處理第三張圖片，核2分割第二張圖片，核4、5、6、7都處于掛起狀態(tài)；直到核3處理完，把得到的目標(biāo)數(shù)分成三份，利用Notify_sendEvent（）通知核4、5、6三個(gè)核開始工作，并通知核4、5、6該從隊(duì)列的哪個(gè)存儲(chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)。

（6） 核4、5、6計(jì)算目標(biāo)特征，而此時(shí)核0正在接收第五張圖片，核1預(yù)處理第四張圖片，核2分割第三張圖片，核3提取第二張圖片的目標(biāo)，核7都處于掛起狀態(tài)；直到處理完成，核4、5、6各自通知核7，并通知核7該從隊(duì)列的哪個(gè)存儲(chǔ)區(qū)取數(shù)據(jù)。

（7） 當(dāng)核7接到核4、5、6三個(gè)核的通知后，開始識(shí)別目標(biāo)類型，處理完后，通知核0，核0把識(shí)別的結(jié)果發(fā)送各上位機(jī)，而此時(shí)核0正在接收第六張圖片，核1預(yù)處理第五張圖片，核2分割第四張圖片，核3提取第三張圖片的目標(biāo)，核4、5、6計(jì)算第二張圖片目標(biāo)的特征。

（8） 所有核并行處理。

以上步驟對(duì)應(yīng)的流水時(shí)序圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)的TMS320C6678 任務(wù)并行設(shè)計(jì)方案， 本節(jié)將給出CCSv5 平臺(tái)下的軟件仿真結(jié)果，并進(jìn)行分析。

為了測(cè)試基于TMS320C6678的顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)的性能，將相同顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別程序在C6678的單個(gè)C66x核和C6678上的運(yùn)行，把6張2.2節(jié)用來測(cè)試的兩張圖片交替的圖片連續(xù)輸入到單個(gè)C66x核和C667兩個(gè)版本中運(yùn)行，先輸入圖片1，再輸入圖片2，再重復(fù)輸入2次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可知，對(duì)比不同平臺(tái)的顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)，第一張圖片的處理時(shí)間相近，但是從第二張圖片在C66x平臺(tái)上處理的周期是C6678平臺(tái)上的6.28倍，且其后輸入的圖片情況都是如此，說明基于TMS320C6678的顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)并行的可行性。

5 結(jié) 語

針對(duì)顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求，根據(jù)顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別原理和多核流水設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了細(xì)胞圖像識(shí)別算法實(shí)時(shí)性，提出了一種基于TMS320C6678 顯微鏡細(xì)胞圖像識(shí)別并行流水實(shí)現(xiàn)方法，該方法實(shí)現(xiàn)了任務(wù)級(jí)并行流水，提高了系統(tǒng)的魯棒性，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定和性能加速的目的。

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