基于GPU的大影像正射校正分塊處理方法

王平　全吉成　王宏偉

【摘 要】圖像正射校正處理具有計算復雜度和并行性高的特點，適合在GPU中進行大規模并行處理。然而由于大幅面的影像超過了GPU全局存儲器的范圍，無法直接導入全局存儲器中進行處理。本文提出了影像分塊處理策略，對大幅面影像分塊然后依次傳輸到全局存儲器中進行處理。實驗表明：與CPU串行正射校正算法相比，GPU分塊并行處理算法達到了很好的加速效果，加速比達到了188.34倍。

【關鍵詞】正射校正；GPU；分塊；并行處理

【Abstract】Orthorectification has the characteristics of high computational complexity and high parallelism， and is suitable for large scale parallel processing in GPU. However due to large format image exceeds the scope of the GPU global memory ，unable to directly import into the global memory for processing. this paper presents the image block processing strategy， large format image block followed by transfer to the global memory for processing. The experimental results show that compared with the CPU serial correction algorithm， the GPU block parallel processing algorithm achieves a good acceleration effect， and the speedup is up to 188.34 times.

【Key words】Orthorectification； GPU； Block； Parallel processing

0 引言

正射校正是圖像預處理的重要組成部分，是進行后續圖像處理的前提。隨著影像獲取手段的發展，影像獲取的速度以及數據量急劇增加，僅利用中央處理器（CPU）進行影像的串行正射校正處理已經無法滿足影像信息的快速獲取的要求。因此如何對海量的影像數據進行快速處理具有重要的意義。

近年來，圖形處理器（GPU）以其強大的并行處理能力和浮點運算能力得到了國內外學者[1-2]的廣泛關注，并將其運用到通用計算中，取得了很好的加速效果。目前，不少研究人員已將GPU引入到了影像正射校正的算法中，顯著加快了影像的處理速度[3-4]。但是，相關研究都沒有考慮 GPU的存儲空間，對應目前的大數據影像已經遠遠超過了GPU的全局存儲器，不能一次將影像數據全部加載到GPU存儲器中，因此本文提出了基于GPU的大影像正射校正分塊處理方法。

1 正射校正原理

根據影像成像瞬間記錄設備的攝影參數，然后依據共線方程建立影像坐標與地物坐標之間的對應關系，從而進行影像的正射校正[5]。具體步驟如下：

1）根據原始影像的四個角點坐標，帶入共線方程中，求得原始影像在地物空間坐標系的覆蓋范圍。

2）根據地物空間坐標的覆蓋范圍確定糾正影像的大小。

3）對糾正影像的每個像素帶入共線方程中求得像點在原始影像的坐標，進行灰度值內插并賦予糾正影像的像素。

2 大影像正射校正分塊并行處理

2.1 正射校正并行處理

根據正射校正算法原理可以看出，該算法是針對圖像中每個像素單獨執行的操作，各個像素之間沒有任何相關性，非常適合在GPU中進行多線程并行處理。

GPU中線程的組織結構是按照線程網格和線程塊進行組織的。正射校正的并行化把校正影像映射到線程網格上，使影像的每個“邏輯塊”與GPU線程塊相對應，確保線程塊中的每個線程對影像“邏輯塊”中的每個像素進行處理。

2.2 分塊策略

假設主機內存空間足夠大，可以同時存放原始影像和糾正后的影像，主要考慮處理的影像大小超過GPU的存儲器的情況。文中采用了按行分塊的策略，分別將影像數據的分塊依次讀入GPU全局存儲器中，如圖1所示。GPU進行校正的具體流程如下：

①將原始影像讀入到主機內存；

②從主機內存中將影像分塊傳輸到設備全局存儲器中；

③調用核函數，進行影像并行處理；

④將處理后的影像傳輸到主機內存；

⑤重復執行②～③步驟，直到將影像所有分塊處理完成，在內存中將各分塊組合一個完整的校正影像。

3 實驗結果

本文實驗環境CPU型號為AMD Athlon（tm） II 640，4核處理器，主頻3.0GHz，內存為10.0G；GPU為Fermi架構的 NVIDIA GTX580，16個流多處理器，512顆計算核心，1.5G的全局存儲器。

實驗數據為10000 x10000的影像數據，以2000行為一塊進行分塊處理，記錄GPU的處理時間，與CPU串行處理時間進行比較。實驗結果表明，GPU分塊并行處理的時間為1.14s，而CPU串行處理的時間為214.71s，加速比達到了188.34倍，取得了很好的加速效果。

4 結論

本文針對大幅面影像無法直接導入GPU存儲器處理的問題，采用了影像分塊策略實現了GPU并行處理，通過實驗驗證取得了很到的加速比，能夠實現大幅面影像的快速處理。

【參考文獻】

[1]D GRANATA， U AMATO， B ALFANO. MRI denoising by nonlocal means on multi-GPU[J]. Journal of Real-Time Image Processing， 2016：1-11.

[2]王晶，李仕.運動模糊視頻圖像在圖形處理器平臺上的實時恢復[J].光學精密工程，2010，18（10）：2262-2268.

[3]楊靖宇，張永生，李正國，等.遙感影像正射糾正的GPU-CPU協同處理研究[J].武漢大學·信息科學版，2011，36（9）：1043-1046.

[4]方留楊，王密，李德仁.CPU和GPU協同處理的光學衛星遙感影像正射校正方法[J].測繪學報，2013，42（5）：668-675.

[5]李德仁，王樹跟，周月琴.攝影測量與遙感概論[M].2版.北京：測繪出版社，2008.

[責任編輯：楊玉潔]

【摘 要】磁制冷技術是一種綠色環保，高效節能的制冷技術。固態制冷劑MnCoGe合金在相變時的巨大晶格體積變化帶來的熱效應，使其成為室溫磁致冷工質的有力競爭者之一。本文注重對提高MnCoGe合金磁性能的方法進行綜述，為該合金在實際工業制冷應用中提供參考。

【關鍵詞】固態制冷劑；MnCoGe合金；磁制冷

【Abstract】Magnetic refrigeration is a kind of green environmental protection， high efficiency and energy saving refrigeration technology. Thermal effects originating from giant crystal lattice volume changing of phase transition makes MnCoGe alloy become one of the strong competitors in the room temperature magnetic refrigerant. This paper focuses on the method of improving the magnetic properties of MnCoGe alloy， which provides reference for the practical application of industrial refrigeration.

【Key words】Solid state magnetic refrigerant； MnCoGe alloy； Magnetic refrigeration

0 前言

磁制冷技術具有綠色環保，高效節能的特點。由于磁制冷技術采用磁性材料，對周圍環境沒有污染。氣體壓縮制冷中使用的氣體制冷劑會破壞大氣臭氧層并引起溫室效應。而且，在熱效率方面，目前普遍使用的氣體壓縮制冷技術其卡諾循環效率最高僅為25%左右，磁制冷可以達到理想卡諾循環的60～70%。所以磁制冷技術具有綠色環保，高效節能的特點。對于當今社會，綠色高效的磁制冷技術有著十分廣闊的應用前景。

1 固態磁工質簡介

作為磁制冷技術的核心，固態制冷劑通常為具有一級或二級相變的合金。馬氏體相變是固態相變中一種非常重要的非擴散型晶體結構相變，相變性質為一級。相變時，高溫母相格點在原子尺度內發生無擴散位移型切變，因此又被稱為位移型相變。值得注意的是，在相變過程中，體系內部并沒有發生化學鍵的破壞，相變前后兩相化學成分保持不變。而材料的晶體結構往往發生顯著的改變。為了便于描述，馬氏體相變中，通常人們稱高溫母相為奧氏體，低溫產物為馬氏體。這樣，由奧氏體向馬氏體轉變的過程稱為馬氏體相變，反之，稱為馬氏體逆相變。在眾多馬氏相變材料中，最具代表性的就是前文提到的NiMn基哈斯勒型鐵磁馬氏體材料，其物性豐富，表現為磁場誘發應變，磁場驅動形狀記憶效應，大磁電阻，大磁熵變，交換偏置等等。

與哈斯勒型合金的馬氏相變類似，MMX合金也呈現無擴散的馬氏體相變特性。在1953年，Castelliz報道了一類具有Ni2In型六角結構的三元金屬間化合物[1]，這些化合物三種組元按1：1：1配比，均含有3d過渡族磁性元素。這樣，此種化合物做為一類新結構體系開始被人們關注，體系的成員逐步增加，故命名為MMX合金。其中M和M為過渡族元素Mn、Co、Fe、Ni等，X為Si、Ge、Sn等元素。與傳統馬氏體相變相同，MMX合金發生相變時，也具有原子尺度上的切變，并伴隨著母相對稱性的降低和晶格體積的變化，同時也表現出一定的滯后行為，呈現一級相變特性。

MnCoGe合金是MMX合金代表材料之一。該材料從高溫冷卻的過程中，晶格結構從高溫的六角結構奧氏體母相轉變成低溫的正交結構的馬氏體低溫相。對于正分的樣品，馬氏體結構相變溫度為420K，該溫度隨著組分的不同而變化。高溫六角奧氏相和低溫正交馬氏相都具有鐵磁特性，其分子飽和磁矩和居里溫度分別是，2.76μB和 275K，4.13μB和345K，二者的磁相變均呈現二級相變的特性。此外，我們可以發現，MnCoGe合金的馬氏結構相變溫度和母相的居里溫度存在著一定的差異，也就是說，該材料的磁相變和結構相變是分離的。所以正分的MnCoGe合金樣品僅能在345K附近表現出傳統的二級磁相變。所以，該材料在早期僅被當做一種研究磁性材料基本結構和磁性的對象。但是，伴隨著哈斯勒合金的誕生，一系列鐵磁形狀記憶合金及磁熱材料逐漸成為人們的研究熱點。這樣，這種母相具有六角結構的MnCoGe合金所扮演的角色才從基本的磁性材料轉變成磁相變功能材料。

正如上文所述，由于馬氏結構相變溫度遠離居里溫度，伴隨著結構相變的磁轉變并不能夠發生。如果采用合適的手段來調控結構相變溫度，使之與母相的居里溫度重合，即磁相變和結構相變耦合，那么MnCoGe合金就可以展現出鐵磁-順磁的馬氏結構相變。如果這種相變可以被外界因素（例如，磁場、應力等）調控，那么磁結構耦合馬氏相變可以產生形狀記憶效應、磁電阻、大磁熵變等物理性質。而這些物性在磁性傳感器、能量捕獲裝置以及磁制冷方面有著潛在的應用。

2 固態磁性制冷劑MnCoGe合金的研究進展

2006年，Song等人報道了MnFe1-xCoxGe系列合金的結構和磁性[2]。隨著Co含量的增加，在室溫下，合金由六角相逐漸轉變成正交相。實際上，這種結構的變化蘊含著磁結構耦合的契機。不過，由于對該體系磁結構耦合的認識并不深入，所以，這種隱藏的信息并沒有受到當時研究者的重視。2009年，Sandeman等人利用合金化的思想，對MnCoGe和MnCoSn的合金化熔煉，制備MnCoGe1-xSnx系列合金[3]。通過DSC測量清楚地觀察到了磁相變和結構耦合的過程。MnCoGe基合金的巨磁熱效應是由Trung等人在2010年首先報道的[4]。他們通過在MnCoGe合金中摻雜B原子，在適當的組分下，實現了巨磁熱效應。與此同時，Liu等人在體系中引入Mn空位也成功地實現磁結構相變耦合，并發現了約100K的轉變窗口[5]。在該轉變窗口中，磁相變和結構相變可以發生耦合。除此之外，在相變過程中，MnCoGe合金的巨大晶格體積變化（約3～4%）也是十分吸引人的。在之后的研究中，研究者們也集中地研究了其他原子的引入對MnCoGe合金磁結構耦合的影響。V、Cu、Ti等原子分別引入體系用來替代磁性的Mn或者Co原子。結果發現，通過V、Cu、Ti非磁性原子對磁性原子的替代可以降低馬氏結構相變溫度，使其與居里溫度重合，實現巨磁熱效應。