姜 靖，鄭啟龍，2

1(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥 230026)

2(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國(guó)家高性能計(jì)算中心，合肥 230026)

E-mail：jjdl@mail.ustc.edu.cn

1 引 言

計(jì)算機(jī)視覺(jué)(Computer Vision，CV)是指使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備對(duì)生物視覺(jué)的一種模擬，最終目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)能夠像人類一樣通過(guò)視覺(jué)觀察進(jìn)而理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力[1].近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)得到了飛速發(fā)展，大量高效、實(shí)用的AI算子被設(shè)計(jì)了出來(lái).傳統(tǒng)CV算子庫(kù)也得到了更新和完善.更多基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的軟件和系統(tǒng)已被廣泛使用.

領(lǐng)域特定語(yǔ)言(Domain Specific Language，DSL)是領(lǐng)域工程技術(shù)之一，它是針對(duì)某一特定領(lǐng)域具有受限制表達(dá)性的一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[2].不同于普通的編程語(yǔ)言，領(lǐng)域特定語(yǔ)言抽象層次更高.針對(duì)特定領(lǐng)域，領(lǐng)域特定語(yǔ)言能更簡(jiǎn)潔、清晰、系統(tǒng)地描述某部分的意圖，提高開(kāi)發(fā)效率，使開(kāi)發(fā)過(guò)程更加輕松.隨著需求和技術(shù)的不斷更新，領(lǐng)域特定語(yǔ)言的種類也越來(lái)越多.以下是一些比較常見(jiàn)的領(lǐng)域特定語(yǔ)言：用于描述Web頁(yè)面的HTML，用于構(gòu)造軟件系統(tǒng)的Ant、RAKE、MAKE，用于表達(dá)語(yǔ)法的 BNF 范式，語(yǔ)法分析器生成語(yǔ)言 YACC、Bison、ANTLR，用于數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)化查詢的SQL，用于描述樣式表的CSS，專用的排版系統(tǒng)LaTex等[3].近些年隨著人工智能的快速發(fā)展，一些面向機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的領(lǐng)域特定語(yǔ)言也相繼面世，例如OptiML、DeepDSL等.

在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中，有時(shí)需使用大量計(jì)算機(jī)視覺(jué)算子，例如OpenCV算子[4，5]、Halcon算子[6，7]以及其它商業(yè)算子，同時(shí)也在越來(lái)越多的使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的AI算子[8].這些算子間的組合調(diào)用較為困難，難以集成.例如在完成某商品包裝的缺陷檢測(cè)時(shí)，比較好的方式是先做A濾波再做亞像素的邊緣提取，A濾波算子只有OpenCV提供，而亞像素的邊緣提取只有某商業(yè)算子庫(kù)提供，所以需要跨算子庫(kù)調(diào)用兩種算子.雖然大部分算子庫(kù)均提供C++接口，用C++可以完成這些任務(wù)，但編碼過(guò)于繁瑣，而且一些計(jì)算機(jī)視覺(jué)開(kāi)發(fā)人員并非計(jì)算機(jī)背景出身，因此他們更愿意使用一種更抽象、簡(jiǎn)單的語(yǔ)言.在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，領(lǐng)域?qū)＜液途幋a人員的溝通也存在很大的問(wèn)題.故本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種DSL，其基本思想是為現(xiàn)有的常用計(jì)算機(jī)視覺(jué)算子庫(kù)和AI算子提供簡(jiǎn)單、一致的語(yǔ)法，從而整合使用這些算子，以提供統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái).這樣一種DSL減少了編碼時(shí)間和編碼量，能讓領(lǐng)域工作者將更多的時(shí)間和精力放在算法設(shè)計(jì)上.具有開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶也可以修改添加平臺(tái)內(nèi)的元模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的擴(kuò)展.此處將面向計(jì)算機(jī)視覺(jué)的領(lǐng)域特定語(yǔ)言命名為CVDSL.

圖1 CVDSL整體設(shè)計(jì)圖

本文采用模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的方式對(duì)CVDSL進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：1)構(gòu)建CV領(lǐng)域元模型；2)定義CVDSL語(yǔ)法規(guī)則；3)定制CVDSL語(yǔ)法檢查器；4)定制將CVDSL轉(zhuǎn)換為C++的代碼自動(dòng)生成器.CVDSL的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

2 CVDSL的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文首先確定了構(gòu)建CV領(lǐng)域元模型的方法及工具，并通過(guò)分析領(lǐng)域中的共性和變性、所需要的原始數(shù)據(jù)類型、必須的原始數(shù)據(jù)規(guī)模等一系列領(lǐng)域相關(guān)因素，確定了元模型的組成內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上建立了CV領(lǐng)域元模型.

本文在CV領(lǐng)域元模型的映射和持久化的基礎(chǔ)上，定義了CVDSL語(yǔ)法規(guī)則體系.同時(shí)通過(guò)自定義語(yǔ)法規(guī)則庫(kù)，定制了模型語(yǔ)法檢查器.語(yǔ)法檢查的目的是為了防止開(kāi)發(fā)人員在使用領(lǐng)域特定語(yǔ)言編碼時(shí)產(chǎn)生語(yǔ)法錯(cuò)誤，從而影響生成代碼的正確性.

本文通過(guò)研究基于模板映射語(yǔ)言的、符合特定標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用模型代碼自動(dòng)生成技術(shù)，設(shè)計(jì)了將CVDSL代碼轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的C++代碼的代碼自動(dòng)生成器，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域特定語(yǔ)言向通用語(yǔ)言的自動(dòng)轉(zhuǎn)換.

2.1 構(gòu)建CV領(lǐng)域元模型

元模型的構(gòu)建依據(jù)元對(duì)象機(jī)制(MOF，Meta Object Facility).MOF也被稱為MOF標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是具有易擴(kuò)展性，高開(kāi)放性及良好的互操作性.MOF方法的核心是一種具有易擴(kuò)展性的元模型數(shù)據(jù)管理方法，其實(shí)現(xiàn)的方式是對(duì)元數(shù)據(jù)分層.它的特點(diǎn)是提供了一種四層建模結(jié)構(gòu)，支持各種元數(shù)據(jù)的框架.在需要添加新元模型數(shù)據(jù)的時(shí)候，就可以方便地加入新的類型[9].

MOF的層次分別為M0、M1、M2和M3，且M3∈M2∈M1∈M0.

1)M3層，元元模型層.為領(lǐng)域元模型的提取或搭建，而定義的模型.一般這些模型包括屬性、數(shù)據(jù)類型、關(guān)聯(lián)關(guān)系等，是元模型搭建的基礎(chǔ).CVDSL的元元模型包括獨(dú)立的算子(如讀取圖片的算子)、單個(gè)的語(yǔ)法規(guī)則(如賦值語(yǔ)句)等.

2)M2層，元模型層.由上一層模型搭建而來(lái)，它的元素包括各個(gè)元元模型之間的關(guān)系、元元模型的類型等.這一層輸出的結(jié)果是領(lǐng)域元模型，它是定制領(lǐng)域特定語(yǔ)言語(yǔ)義模型和語(yǔ)法規(guī)范的基礎(chǔ).

3)M1層，模型層.這一層的模型由用戶使用上一層的模型搭建而來(lái).所以，這一層的模型是元模型層的實(shí)例，即用戶使用CVDSL編寫出來(lái)的應(yīng)用模型.語(yǔ)法檢查將基于這一層的輸出結(jié)果進(jìn)行.

4)M0層，對(duì)象和數(shù)據(jù).這一層的結(jié)果是現(xiàn)實(shí)世界中的事物對(duì)象，由上一層的結(jié)果通過(guò)自動(dòng)生成的方式得到，比如文檔和代碼等.

元模型的構(gòu)建，需要去符合以下兩個(gè)條件：

1)分析領(lǐng)域模型內(nèi)部特征的相似性，對(duì)相似特征進(jìn)行合并；

2)對(duì)于合并之后的領(lǐng)域模型內(nèi)部特征，需要在對(duì)應(yīng)的元模型上體現(xiàn).

元模型的構(gòu)建過(guò)程如圖2所示.

圖2 元模型的構(gòu)建流程

本文采用EMF(Eclipse Modeling Framework)作為構(gòu)建元模型的工具.用EMF搭建的元模型即Ecore模型.Ecore模型是一種簡(jiǎn)化的UML模型.與UML類似，EMF也可以進(jìn)行圖形化的模型搭建，框架自帶了Existing Elements、Classifier、Feature、Relation、Dynamic、Package六大類型，包括Class、Datatype、Attribute、SuperType、Reference等實(shí)用基本模型[10].對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)可以很方便地通過(guò)拖拽的方式搭建CV領(lǐng)域的元模型.

另一方面，由于EMF的模型實(shí)例是由EMF框架提供的模型搭建的，如果當(dāng)模型實(shí)例需要修改或者添加的時(shí)候，就可以輕易地通過(guò) EMF提供的各種模型對(duì)模型實(shí)例進(jìn)行修改或者額外添加一個(gè)新的模型實(shí)例.EMF中集成的 Class、Datatype、Attribute、SuperType、Reference 等模型即相當(dāng)于CV領(lǐng)域中的元元模型，用 EMF 搭建出來(lái)的模型實(shí)例，就相當(dāng)于CV領(lǐng)域中的元模型，而在設(shè)計(jì)好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)里用EMF搭建的模型實(shí)例再次搭建的模型，就相當(dāng)于是CV領(lǐng)域的模型實(shí)例了.將CV領(lǐng)域的模型實(shí)例通過(guò)代碼自動(dòng)生成最終將得到模型的目標(biāo)代碼實(shí)現(xiàn).這樣MOF的四層結(jié)構(gòu)就很清晰了.

通過(guò)對(duì)CV領(lǐng)域的分析，確定CV領(lǐng)域元模型的兩個(gè)主要組成部分如下：

1)基礎(chǔ)語(yǔ)法部分.CV領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用模型中，是需要循環(huán)、分支、跳轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的，因此在元模型中，需要有常見(jiàn)的基礎(chǔ)語(yǔ)法建模.

2)算子庫(kù)部分.CV領(lǐng)域應(yīng)用模型的核心是各種算子的組合調(diào)用.本文將所涉及的算子分為兩大類：ImageOperators和BasicOperators.其中ImageOperators中包含與圖像處理相關(guān)的算子，依據(jù)算子的功能劃分成File、Filter、Matching等23類.其中每一類又依據(jù)更具體的功能劃分成若干細(xì)分類，例如File中的算子被劃分成Images、XLD_file、Text、Misc、Region和Tuple六類.每一細(xì)分類中則包含具體的算子模型，例如Images中包含用于進(jìn)行圖片讀取的算子ReadImage(string path，stringname，string color).BasicOperators中則包含字符串操作、位操作、元組操作、數(shù)學(xué)函數(shù)以及異常處理等相關(guān)的算子.

圖3 CV領(lǐng)域元模型部分結(jié)構(gòu)圖

圖3為CV領(lǐng)域元模型部分結(jié)構(gòu)圖，其中”a-> b”表示a包含b，”0..*”表示一個(gè)a包含0個(gè)或多個(gè)b，”0..1”表示一個(gè)a包含0個(gè)或1個(gè)b.整個(gè)元模型為樹(shù)形結(jié)構(gòu)，DomainModel為樹(shù)的根節(jié)點(diǎn).元模型的樹(shù)形結(jié)構(gòu)是下文建立語(yǔ)法規(guī)則樹(shù)的基礎(chǔ)，也是代碼自動(dòng)生成器中，關(guān)鍵字查詢匹配的基礎(chǔ).

元模型中不同類型的元元模型的具體構(gòu)建如表1所示.

2.2 CVDSL語(yǔ)法規(guī)則定義

CVDSL的語(yǔ)法規(guī)則定義分為以下兩步：

2.2.1 元模型的映射

在CV領(lǐng)域中，元模型本身會(huì)映射為領(lǐng)域特定語(yǔ)言中的語(yǔ)法框架，每個(gè)元元模型會(huì)映射為領(lǐng)域特定語(yǔ)言的每條基礎(chǔ)語(yǔ)法規(guī)則以及算子定義，元元模型的參數(shù)會(huì)映射成領(lǐng)域特定語(yǔ)言中各條語(yǔ)法規(guī)則定義的形參定義.

2.2.2 規(guī)則添加

為了領(lǐng)域特定語(yǔ)言語(yǔ)法的正確性與美觀，語(yǔ)法規(guī)范中除了元模型對(duì)應(yīng)的代碼之外，往往還需要加入其它的代碼.比如一個(gè)分支語(yǔ)句的開(kāi)始結(jié)束要有關(guān)鍵字給予明顯的提示；在代碼中是否要明確體現(xiàn)每一個(gè)模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等.

表1 不同類型的元元模型示例

本文選擇Xtext框架作為CVDSL語(yǔ)法規(guī)則定義的工具，因?yàn)槠渲С諩core元模型的導(dǎo)入.Xtext是一種基于Eclipse的開(kāi)源框架，配套語(yǔ)言為Xtend，其主要用于DSL的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

語(yǔ)法模型映射活動(dòng)圖如圖4所示.

圖4 語(yǔ)法模型映射

Xtext需要提取元模型語(yǔ)法的關(guān)鍵字與結(jié)構(gòu)，組合它們，產(chǎn)生抽象語(yǔ)法樹(shù).在本文中，Xtext的XModelSet()方法會(huì)訪問(wèn)EMF項(xiàng)目中的 Model文件夾，捕獲所有類名稱、屬性、相互之間的邏輯關(guān)系等[11].

作為DSL來(lái)說(shuō)，本身即是一種不完備的語(yǔ)言，故在定制語(yǔ)法模型的時(shí)候一方面不能讓基于語(yǔ)法模型生成的代碼，在進(jìn)行語(yǔ)法檢查時(shí)遇到特征屬性缺失等問(wèn)題.另一方面，要使領(lǐng)域開(kāi)發(fā)人員能夠簡(jiǎn)便地捕捉到DSL代碼中的相關(guān)信息，從而方便定制代碼生成的模板.

CVDSL部分語(yǔ)法規(guī)則的Xtend語(yǔ)言形式化描述如下：

DomainModel：(elements+=AbstractElement)*；

AbstractElement：BasicGrammar | Operators；

BasicGrammar：ControlFlow | Assignment |

Import |Arithmetic |Comparison |VariableDeclaration；

Operators：ImageOperatos | BasicOperatos；

ImageOperatos：File |_1D_Measurling | XLD | _3D_Matching |_3D_Reconstruction | Classification | Calibration | Filter | Indentification | Graphics | Image | Inspection | Matirx | Matching | Object | OCR | Morphology | Regions | Segmentation | System | Transformations | Tools | _Tuple；

BasicOperatos：BitOp | StringOp | TupleOp | BooleanOp | TrigonometricFunctions | ExponentialFunctions | NumericalFunctions | ExceptionHandling；

File：Images | XLD_file | Text | Misc | Region | TupleFile；

Images：ReadImage | WriteImage | ListImageFiles | ParseFilename；

ReadImage：′ReadImage′′(′ path=CharacterType‘，’ name=CharacterType(‘，’color=CharcterType)?′)′；

由此可知CVDSL的語(yǔ)法規(guī)則框架是繼承于元模型的樹(shù)形結(jié)構(gòu)的.

表2為算子部分和基礎(chǔ)語(yǔ)法部分的語(yǔ)法規(guī)則定義的Xtend語(yǔ)言形式化描述示例.

表2 算子和基礎(chǔ)語(yǔ)法定義示例

因?yàn)閄tend的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型有限，而在CV領(lǐng)域會(huì)涉及到豐富的數(shù)據(jù)類型，如RealType、Tuple、

Matrix等，因此需要在元模型映射的基礎(chǔ)上擴(kuò)展新

的數(shù)據(jù)類型.具體示例如下：

1)擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型語(yǔ)法定義示例：

terminalDOUBLE：((′0′..′9′)*(′.′)(′0′..′9′)*)；

terminalBOOL：′true′ | ′false′；

terminalTUPLE：′[′(STRING | ID | INT | DOUBLE)*′]′；

terminalMATRIX_TYPE：′[′(TUPLE)*′]′；

2)復(fù)合數(shù)據(jù)類型語(yǔ)法定義示例：

CharacterType：STRING | ID；

RealType：INT | DOUBLE；

其中STRING、ID、INT為Xtend語(yǔ)言內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，DOUBLE為擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型.CharterType和RealType為復(fù)合數(shù)據(jù)類型.

2.3 定制語(yǔ)法檢查器

CV領(lǐng)域應(yīng)用模型檢查是依據(jù)語(yǔ)法規(guī)則庫(kù)，檢查在之前步驟中建立的CV領(lǐng)域應(yīng)用模型，判斷這些已經(jīng)建立的應(yīng)用模型的語(yǔ)法是否正確[12].

語(yǔ)法檢查應(yīng)以領(lǐng)域特定語(yǔ)言的語(yǔ)法模型為基礎(chǔ)，定制模型語(yǔ)法檢查器[13].模型語(yǔ)法檢查器通過(guò)用戶對(duì)模型的選擇，找到其對(duì)應(yīng)的對(duì)象根節(jié)點(diǎn)，然后找到應(yīng)用模型對(duì)應(yīng)的CV領(lǐng)域元模型.此時(shí)找到領(lǐng)域特定語(yǔ)言相應(yīng)元模型對(duì)應(yīng)的語(yǔ)法規(guī)則，驗(yàn)證用戶搭建的應(yīng)用模型的正確性，與通用語(yǔ)言相同，這種驗(yàn)證應(yīng)該是一種即時(shí)性的驗(yàn)證.同時(shí)，在語(yǔ)法檢查器中還應(yīng)該包括警告驗(yàn)證.警告，不一定會(huì)導(dǎo)致程序錯(cuò)誤，但是可能會(huì)提高出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，或者影響用戶閱讀體驗(yàn).比如模塊名稱是由不恰當(dāng)?shù)淖址M成，或者將不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較等.無(wú)論是錯(cuò)誤還是提醒，語(yǔ)法檢查器都應(yīng)該進(jìn)行快速定位，并將語(yǔ)法檢查的結(jié)果直觀體現(xiàn)在用戶界面上.語(yǔ)法檢查的流程如圖5所示.

圖5 語(yǔ)法檢查流程

語(yǔ)法檢查器的開(kāi)發(fā)同樣基于Xtext.Xtext驗(yàn)證機(jī)制中提供兩個(gè)文件：CVDSLValidator.Xtend和CVDSLQuickfixProvider.Xtend.這兩個(gè)文件，前者主要是添加檢查規(guī)則，對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的代碼進(jìn)行標(biāo)注說(shuō)明，后者主要是針對(duì)不同的代碼錯(cuò)誤提供快速修正的方法.具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1)由編輯器中的監(jiān)視器通知CVDSLValidator.Xtend，用戶修改了模型.

2)由typeof()接口，確定模型的類型.

3)再次調(diào)用typeof()接口確定檢查的屬性，或者調(diào)用方法的名稱.

4)判斷相關(guān)屬性類型，屬性值等數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn).

5)如果符合標(biāo)準(zhǔn)，該次檢查結(jié)束.如果不符合標(biāo)準(zhǔn)，定位不符合標(biāo)準(zhǔn)的代碼位置，執(zhí)行6).

6)根據(jù)具體標(biāo)準(zhǔn)的不同，使用error()或者warning()接口.這兩個(gè)接口都需要提供代碼的定位以便標(biāo)注，同時(shí)為了用戶修改的方便，還需要提供相應(yīng)的提示文字.如果該類錯(cuò)誤可控性較高，則將該錯(cuò)誤用一串字符串作為特征，調(diào)用CVDSLQuickfixProvider.Xtend相應(yīng)快速修復(fù)方法.

7)CVDSLQuickfixProvider.Xtend中的相應(yīng)方法會(huì)得到錯(cuò)誤的關(guān)鍵信息，在提示框里對(duì)用戶提供快速修復(fù)按鈕.

8)用戶點(diǎn)擊快速修復(fù)后，模型會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，故將再次激活步驟1).

算法1描述了在CVDSLValidator.Xtend文件中檢查算子首字母是否大寫的過(guò)程.

算法1.檢查算子首字母是否大寫：

輸入：算子類型參數(shù)

輸出：在編程界面上提示算子首字母是否大寫

1.通過(guò)代碼生成器中的過(guò)濾器獲取每一個(gè)operator，將其作為參數(shù)傳入2.中函數(shù)

2.defcheckOpetationNameStartsWithCapital：

ifoperator.name.charAt(0).lowerCase==true

warning("Operator′s name should start with a capital"，CVDSLPackage.eINSTANCE.operation_Name，INVALID_NAME，operator.name)；

算法2描述了在CVDSLQuickfixProvider.Xtend文件中快速修正首字母為大寫的過(guò)程.

算法2.快速修正算子首字母為大寫：

輸入：Issue類對(duì)象，IssueResolutionAcceptor對(duì)象

輸出：在編程界面上呈現(xiàn)出將算子首字母修正為大寫的提示，雙擊即可修正

1.將輸入中的系統(tǒng)類的對(duì)象傳入2.中函數(shù)

2.defvoidcapitalizeOperationNameFirstLetterWithModel

acceptor.accept( issue，"Capitalize first letter"，"Capitalize first letter of ′" + issue.data.get( 0)+ "′"，"upcase.gif"，[element，context|(element as Operation).

name=issue.data.get(0).toFirstUpper])

表3 語(yǔ)法檢查器運(yùn)行示例

表3為檢查算子首字母是否大寫及快速修正的運(yùn)行示例.

2.4 定制代碼自動(dòng)生成器

領(lǐng)域特定語(yǔ)言雖然在領(lǐng)域相關(guān)環(huán)境或者人員中具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和作用，但是基于通用性、安全性等的考量，領(lǐng)域特定語(yǔ)言的代碼必須能夠轉(zhuǎn)換成通用語(yǔ)言代碼.

由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域軟件有規(guī)模龐大、功能復(fù)雜、迭代更新快等因素，再加上人工代碼的書寫習(xí)慣差異及良莠不齊的不確定性，希望人工通過(guò)領(lǐng)域語(yǔ)言代碼，編寫通用代碼是不現(xiàn)實(shí)的.所以選擇代碼自動(dòng)生成是必然結(jié)果[14].

代碼生成技術(shù)可以提高代碼質(zhì)量，增強(qiáng)代碼的一致性，也可以突出設(shè)計(jì)決策或者便于系統(tǒng)的遷移實(shí)現(xiàn).應(yīng)用模型代碼生成技術(shù)使設(shè)計(jì)師擁有更多的設(shè)計(jì)時(shí)間，使得程序員將更多的時(shí)間花在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，從而可以提高系統(tǒng)健壯性、可擴(kuò)展性、以及可維護(hù)性.

所以，CV領(lǐng)域軟件的非領(lǐng)域代碼生成器，應(yīng)當(dāng)建立在已經(jīng)研究的領(lǐng)域語(yǔ)言規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)及非領(lǐng)域語(yǔ)言規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)之上，然后將開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)階段的模型集成，從而形成統(tǒng)一且符合規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)的持久化模型文件，然后將這些模型文件通過(guò)代碼生成器生成出符合已有標(biāo)準(zhǔn)的通用代碼.

代碼自動(dòng)生成器的開(kāi)發(fā)同樣基于Xtext框架，因?yàn)槠淇蓾M足代碼自動(dòng)生成器對(duì)于良好擴(kuò)展性的需求.代碼自動(dòng)生成器主要由元模型分析數(shù)據(jù)、應(yīng)用模型分析數(shù)據(jù)、生成通用代碼的模板以及環(huán)境配置工具組成，其設(shè)計(jì)的核心思想是制定CVDSL與C++間的映射關(guān)系，確定每一條合法的CVDSL語(yǔ)句將對(duì)應(yīng)的C++代碼塊.當(dāng)代碼生成器獲取到CVDSL的應(yīng)用模型后，會(huì)依據(jù)上文中建立的語(yǔ)法樹(shù)，檢索每一行代碼，確定它所對(duì)應(yīng)的元元模型類型和語(yǔ)法規(guī)則，然后依據(jù)該語(yǔ)句與C++代碼塊的映射規(guī)則，進(jìn)行代碼生成.圖6為代碼自動(dòng)生成活動(dòng)圖.

圖6 代碼自動(dòng)生成活動(dòng)圖

算法3描述了CVDSL代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換為C++代碼的過(guò)程.

算法3.CVDSL代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換C++代碼模板

輸入：Resource類對(duì)象，IFileSystemAccess類對(duì)象，IGeneratorContext類對(duì)象

輸出：生成的C++代碼文件

1.對(duì)classCVDSLGeneratoreXtendsAbstractGenerator中的函數(shù)doGenerate進(jìn)行重寫

2.在函數(shù)overridevoiddoGenerate(Resource resource，IFileSystemAccess2 fsa，IGeneratorContext context)中，對(duì)CVDSL中的每一個(gè)元元模型進(jìn)行遍歷，然后調(diào)用相應(yīng)的映射模板進(jìn)行代碼生成

for(e：resource.allContents.toIterable.filter(AbstractElement))：

/*調(diào)用自定義的映射模板中的函數(shù)，獲取每一行CVDSL代碼所對(duì)應(yīng)的C++代碼塊，并進(jìn)行存儲(chǔ)*/

fsa.generateFile(/*這里包含兩個(gè)參數(shù)：①所生成的文件名②上文中已獲取的所需生成文件的內(nèi)容*/)

算法4描述了ReadImage算子的代碼生成過(guò)程.

算法4.ReadImage算子代碼生成模板

輸入：CVDSL中的ReadImage類型變量

輸出：ReadImage對(duì)應(yīng)的C++代碼

1.將ReadImage變量作為參數(shù)傳遞給compile函數(shù)，在complie函數(shù)中，解析ReadImage的參數(shù)，并用content記錄對(duì)應(yīng)的C++代碼

varcontent=′′′′′′

content+=′′′Mat ′′′

content+=readImage.name.compile

content+=′′′=imread(′′′

content+=readImage.path.compile

content+=′′′，′′′

if(readImage.color==null)

content+="IMREAD_COLOR"

else

content+=readImage.color.compile

content+=′′′)′′′

2.返回content

returncontent

3 實(shí)驗(yàn)及評(píng)估

3.1 實(shí) 驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)了四位領(lǐng)域工作者，并提前對(duì)他們進(jìn)行了兩種語(yǔ)言的培訓(xùn).而后將他們分為兩組，分別使用CVDSL和C++來(lái)開(kāi)發(fā)貓眼識(shí)別、人臉識(shí)別和人臉定位三個(gè)CV應(yīng)用模型，并對(duì)開(kāi)發(fā)時(shí)間以及代碼量進(jìn)行了對(duì)比.

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)估

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示.從表4可知，采用CVDSL的開(kāi)發(fā)效率約為采用C++的3倍.從表5可知，采用CVDSL開(kāi)發(fā)的代碼量約為采用C++的0.5倍.由此可得到初步結(jié)論：在CV領(lǐng)域，使用CVDSL編程比C++編程效率更高，所編寫的代碼量更少，更加面向領(lǐng)域工作者，凸顯出了CVDSL的易用性和高效性.

表4 CVDSL與C++開(kāi)發(fā)時(shí)間對(duì)比

表5 CVDSL與C++代碼量對(duì)比

表6為貓眼識(shí)別應(yīng)用模型示例，對(duì)比CVDSL源碼和所生成的C++代碼，可知CVDSL具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)語(yǔ)法規(guī)則嚴(yán)格統(tǒng)一；從表6可知，使用C++調(diào)用不同底層算子庫(kù)中的算子時(shí)，在語(yǔ)法上是存在差異的.CVDSL在語(yǔ)法規(guī)則定義上，統(tǒng)一了所有算子的語(yǔ)法風(fēng)格，通過(guò)代碼生成器中制定的映射規(guī)則將這些差異透明化，從而可以極大降低領(lǐng)域工作者的編碼難度.

2)相關(guān)頭文件及代碼自動(dòng)補(bǔ)全；在表6中，生成的C++代碼中編號(hào)為0的行，是依據(jù)函數(shù)體中使用的相關(guān)算子自動(dòng)補(bǔ)全的，既減少了領(lǐng)域工作者的編碼量，又降低了bug的出現(xiàn)率.

3)算子合并；在構(gòu)建CV應(yīng)用模型時(shí)，很多時(shí)候某些算子間有著嚴(yán)格的調(diào)用次序，那么在構(gòu)建元模型和定制語(yǔ)法規(guī)則時(shí)，可將這些算子進(jìn)行合并.例如本例中CVDSL代碼中編號(hào)6的代碼行，在通過(guò)代碼生成后得到了對(duì)應(yīng)C++代碼中編號(hào)為6的兩行代碼.通過(guò)算子合并的方式可以極大降低領(lǐng)域工作者的編碼難度和編碼量.

4)保證算子性能較優(yōu)；通過(guò)前期的充分調(diào)研，以及與多位CV領(lǐng)域?qū)＜?、工程師的充分溝通，本文?duì)實(shí)現(xiàn)不同功能的算子的性能進(jìn)行了評(píng)估.例如Halcon中與域處理相關(guān)的算子的性能要優(yōu)于其他算子庫(kù)中的相應(yīng)算子，因此在進(jìn)行代碼生成時(shí)，以Region為前綴的算子，在生成的C++代碼中，默認(rèn)調(diào)用Halcon中的相應(yīng)算子.這樣領(lǐng)域工作者在進(jìn)行編碼時(shí)，僅需考慮算子的功能，而無(wú)需考慮算子的性能優(yōu)劣，這在很大程度上提高了其編碼效率.

5)隱藏不同算子庫(kù)中變量的聲明；不同算子庫(kù)中的某些變量，在C++代碼中有著不同的變量類型.例如OpenCV用Mat來(lái)表示圖像類型，而Halcon中用Himage來(lái)表示圖像類型.CVDSL通過(guò)在代碼自動(dòng)生成器中判別不同算子所屬的算子庫(kù)以及算子的參數(shù)類型，生成相應(yīng)變量聲明的C++代碼.同時(shí)CVDSL對(duì)不同類型變量的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了封裝.這一過(guò)程對(duì)于領(lǐng)域工作者是透明的，從而降低了其編碼難度.

3.2 基于FQAD對(duì)CVDSL的評(píng)估

FQAD是基于ISO/IEC 25010：2011標(biāo)準(zhǔn)的用于DSL定性評(píng)估的框架[15].該框架定義了一套評(píng)估DSL質(zhì)量的特性，包括：功能適用性，可用性，可靠性，可擴(kuò)展性，可集成性，可維護(hù)性，生產(chǎn)力，兼容性，表達(dá)性和可重用性.本文基于以上特性，對(duì)CVDSL作出了如下評(píng)估：

1)功能適用性是指DSL完全開(kāi)發(fā)的程度，即判斷DSL是否包括所有必要的功能且不包括域中不存在的功能.CVDSL擁有完整的面向于域的語(yǔ)法定義，且其底層有多個(gè)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算子庫(kù)的支持，并支持算子庫(kù)的擴(kuò)展，因此可以滿足大部分計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用模型開(kāi)發(fā)的需求.且其語(yǔ)法規(guī)則不具有普適性，僅面向計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域.綜上可知CVDSL擁有良好的功能適用性.

2)可用性是指用戶可以使用DSL來(lái)實(shí)現(xiàn)指定目標(biāo)的難易程度.為分析CVDSL的可用性，本文邀請(qǐng)多位CV領(lǐng)域?qū)＜液虲V領(lǐng)域工程師對(duì)CVDSL進(jìn)行了評(píng)估，得出的結(jié)論是：CVDSL簡(jiǎn)單且具有表現(xiàn)力，相對(duì)容易學(xué)習(xí).與通用編程語(yǔ)言C++相比，CVDSL降低了構(gòu)建CV應(yīng)用模型的復(fù)雜性，并提高了可理解性和可維護(hù)性.綜上可知CVDSL的可用性極高，未來(lái)可通過(guò)完善用戶使用手冊(cè)來(lái)進(jìn)一步提高CVDSL的可用性.

3)可靠性是指生成可靠程序語(yǔ)言的屬性.CVDSL語(yǔ)法規(guī)則的定義較為完善，并且本文針對(duì)CVDSL的語(yǔ)法規(guī)則及CV領(lǐng)域C++代碼風(fēng)格定制了語(yǔ)法檢查器，大幅度減少了在編碼過(guò)程中可能產(chǎn)生的語(yǔ)法錯(cuò)誤.同時(shí)本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于模板映射的的代碼自動(dòng)生成器，使得每一行CVDSL代碼能夠轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的C++代碼塊，確保了C++代碼風(fēng)格的統(tǒng)一.以上都是CVDSL可靠性的保證，未來(lái)可通過(guò)在CVDSL級(jí)定制調(diào)試器來(lái)進(jìn)一步提高CVDSL的可靠性.

4)可擴(kuò)展性是指DSL添加新功能的難易程度.本文是采用模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的方式對(duì)CVDSL進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，因此可方便的通過(guò)擴(kuò)展元模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CVDSL功能的擴(kuò)展，可見(jiàn)CVDSL擁有很好的擴(kuò)展性.

表6 貓眼識(shí)別應(yīng)用模型示例

5)可集成性是指DSL與其他語(yǔ)言和建模工具集成的難易程度.CVDSL的開(kāi)發(fā)是基于EMF工具和Xtext框架的，兩者均屬于Eclipse框架中的插件.Eclipse平臺(tái)允許開(kāi)發(fā)人員通過(guò)插件擴(kuò)展Eclipse IDE等Eclipse應(yīng)用程序以及其他功能，故未來(lái)可將CVDSL語(yǔ)言框架開(kāi)發(fā)為Eclipse框架中的插件，然后使用Eclipse IDE和整個(gè)OSGI組件模型來(lái)完成CVDSL和其他語(yǔ)言的集成.

6)可維護(hù)性是指DSL易于維護(hù)的程度.可維護(hù)性與可擴(kuò)展性相關(guān)，上文中已說(shuō)明CVDSL具有很好的可擴(kuò)展性，并且CVDSL的構(gòu)建是基于元模型的，故易于修改和完善.由此可知CVDSL是具有良好的可維護(hù)性的.

7)生產(chǎn)力是指DSL提高編程效率的程度.CVDSL僅面向計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，因此與通用編程語(yǔ)言相比，在領(lǐng)域概念的描述上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，便于領(lǐng)域工作者的建模.從上文的實(shí)驗(yàn)中可知使用CVDSL開(kāi)發(fā)CV應(yīng)用模型的效率約為C++的3倍，大大提高了領(lǐng)域工作者的開(kāi)發(fā)效率.

8)兼容性是指DSL與域和開(kāi)發(fā)過(guò)程的兼容程度.CVDSL是基于CV領(lǐng)域元模型的，因此與CV領(lǐng)域有很好的兼容性.同時(shí)CV領(lǐng)域元模型的構(gòu)建與CV應(yīng)用模型的開(kāi)發(fā)過(guò)程密切相關(guān)，這使得CVDSL與開(kāi)發(fā)過(guò)程也有著良好的兼容性.

9)可重用性是指DSL的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)在其他語(yǔ)言中的使用程度.CVDSL本身的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)是唯一的，但為CVDSL所定制的基于模板映射的代碼自動(dòng)生成器是可重用的，通過(guò)修改映射規(guī)則，CVDSL可以轉(zhuǎn)換成任意一種通用編程語(yǔ)言.同時(shí)CVDSL底層的算子庫(kù)也是可重用的，凡有相應(yīng)算子庫(kù)接口的語(yǔ)言均可調(diào)用.

10)表達(dá)性是指問(wèn)題解決策略映射為程序的難易程度.CVDSL的語(yǔ)法規(guī)則是針對(duì)CV領(lǐng)域而定制的，因此其對(duì)于任何CV應(yīng)用模型都有很好的表達(dá)性.與C++相比，CVDSL封裝了很多與問(wèn)題解決策略無(wú)關(guān)的編程細(xì)節(jié)，如類型轉(zhuǎn)換等.通過(guò)使用CVDSL，領(lǐng)域工作者可以輕松的將問(wèn)題解決策略映射為程序.在CV領(lǐng)域，CVDSL有著強(qiáng)大的表達(dá)性.

3.3 CVDSL與Halide的性能比較

Halide是面向圖像處理的著名領(lǐng)域特定語(yǔ)言，比起傳統(tǒng)編程語(yǔ)言，用Halide編寫的程序不僅更容易閱讀、編寫和修改，而且由于Halide能夠自動(dòng)優(yōu)化代碼，因此程序運(yùn)行速度也顯著提高[16].Halide語(yǔ)言將算法描述、算法中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算執(zhí)行等調(diào)度方便的內(nèi)容解耦合，從而算法的描述和性能的優(yōu)化可以分開(kāi)進(jìn)行，可在不改動(dòng)算法的情況下對(duì)算法進(jìn)行調(diào)優(yōu)[17].

下面基于FQAD中定義的特性，對(duì)CVDSL與Halide進(jìn)行性能比較：

1)功能適用性：Halide和CVDSL均只面向計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，在語(yǔ)法上均不具有普適性，且均能滿足大部分計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用模型的開(kāi)發(fā)，因此都具有很好的功能適用性.但在對(duì)代碼性能要求更高的情況下，Halide要優(yōu)于CVDSL.

2)可用性：Halide不是獨(dú)立的編程語(yǔ)言，而是嵌入在C++中的.在語(yǔ)法上，相比較于CVDSL，要復(fù)雜一些，CVDSL更易于學(xué)習(xí)和使用.可用性上CVDSL要優(yōu)于Halide.

3)可靠性：Halide是非常成熟的商用編程語(yǔ)言，有獨(dú)立的編譯器，能在多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，且其能自動(dòng)優(yōu)化代碼.而CVDSL目前沒(méi)有獨(dú)立的編譯器，僅提供從CVDSL到C++的代碼自動(dòng)生成器.因此在可靠性上比Halide稍差一些.

4)可擴(kuò)展性：Halide是成熟的商用編程語(yǔ)言，普通用戶很難在功能上進(jìn)行擴(kuò)展.而具有開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶可通過(guò)擴(kuò)展元模型，方便的對(duì)CVDSL進(jìn)行功能擴(kuò)展.Halide提供C++API，甚至可以將Halide中功能強(qiáng)大的算子擴(kuò)展到CVDSL中，因此CVDSL有著更優(yōu)的可擴(kuò)展性.

5)可集成性：CVDSL是一門獨(dú)立的語(yǔ)言，因此很難做到和其他語(yǔ)言集成，但后期可將CVDSL開(kāi)發(fā)成Eclipse的插件，因此可將其與其它建模工具進(jìn)行集成.Halide在某種意義上可看做一個(gè)函數(shù)庫(kù)，因此它可與其它提供接口的通用編程語(yǔ)言進(jìn)行集成.由此可見(jiàn)在不同層面上，CVDSL和Halide都有較好的集成性.

6)可維護(hù)性：CVDSL的構(gòu)建是基于元模型的，具有良好的維護(hù)性.Halide作為一門著名的編程語(yǔ)言，同樣具有很好的維護(hù)性.

7)生產(chǎn)力：CVDSL語(yǔ)法更簡(jiǎn)潔，底層算子庫(kù)更龐大.但Halide對(duì)于代碼的優(yōu)化更好，因此兩者都可以大大提高領(lǐng)域工作者的開(kāi)發(fā)效率.對(duì)于不同的開(kāi)發(fā)需求，兩者所能帶來(lái)的效率提升則不同.

8)兼容性：CVDSL和Halide都是僅面向計(jì)算機(jī)視覺(jué)的編程語(yǔ)言，因此兩者與域及開(kāi)發(fā)過(guò)程必然具有很好的兼容性.

9)可重用性：CVDSL的可重用性體現(xiàn)在基于模板映射的代碼生成器.而Halide有著獨(dú)立的編譯器，其語(yǔ)言結(jié)構(gòu)很難在其他語(yǔ)言中重用，因此CVDSL相比較于Halide，有著更好的可重用性.

10)表達(dá)性：CVDSL與Halide對(duì)于任何CV領(lǐng)域的問(wèn)題，都可以方便的將解決策略映射為程序，因此兩者都具有很好的表達(dá)性.

綜上可知，CVDSL與Halide各有優(yōu)劣，選擇哪門開(kāi)發(fā)語(yǔ)言完全依賴于開(kāi)發(fā)需求.

4 總 結(jié)

本文基于CV領(lǐng)域元模型，采用模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種面向計(jì)算機(jī)視覺(jué)的領(lǐng)域特定語(yǔ)言——CVDSL.本文首先分析了CV領(lǐng)域元模型的結(jié)構(gòu)及構(gòu)建方法，然后在領(lǐng)域元模型的基礎(chǔ)上，定義了CVDSL的語(yǔ)法規(guī)則，并依據(jù)語(yǔ)法規(guī)則定制了語(yǔ)法檢查器，以減少在使用CVDSL編碼過(guò)程中出現(xiàn)的語(yǔ)法錯(cuò)誤.最后本文基于模板映射規(guī)則，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將CVDSL轉(zhuǎn)換為C++的代碼自動(dòng)生成器，保證了其通用性和安全性.

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和FQAD框架，對(duì)CVDSL做了詳細(xì)評(píng)估，分析了CVDSL所具有的優(yōu)勢(shì)和特性，并依據(jù)FQAD對(duì)CVDSL和Halide進(jìn)行了比較.在未來(lái)的工作中，可通過(guò)定制CVDSL級(jí)調(diào)試器來(lái)提升其可靠性，并可通過(guò)將CVDSL語(yǔ)言框架封裝成Eclipse插件的方式來(lái)提升其可集成性.