0 引言

    近年來，將遙感技術(shù)與自動化控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)相結(jié)合，快速獲取并實時處理分析環(huán)境、時間等多維遙感信息是一種新型的遙感應(yīng)用方式。該方式融合了多種專業(yè)的技術(shù)特點，已成為促進遙感技術(shù)在多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用的重點研究問題。其中，機載激光雷達(dá)技術(shù)(Light Detection And Ranging，LiDAR)作為一種實現(xiàn)高精度地表多維信息快速獲取的新興航空遙感技術(shù)^[1]，已被廣泛應(yīng)用于油氣勘測、電力傳輸、城市規(guī)劃、土地資源調(diào)查、災(zāi)害評估等領(lǐng)域。

    目前，國內(nèi)外針對機載激光雷達(dá)的研究和商業(yè)化應(yīng)用不斷發(fā)展^[2]，其中 LiDAR系統(tǒng)直接獲取的原始數(shù)據(jù)(包括發(fā)射角、測距值)必須經(jīng)過點云解算才能形成三維數(shù)據(jù)，因此，點云解算是LiDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法中不可或缺的環(huán)節(jié)。然而，面對當(dāng)今應(yīng)用對精度、實時性要求不斷提升的需求，具有計算量很大、處理算法復(fù)雜等特點的點云解算需要依托于高性能的機載處理平臺。其中，DSP憑借著運算能力強、功耗低、資源豐富、靈活性強等優(yōu)勢，在圖像視頻處理、數(shù)字通信、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面^[3，4]得到了廣泛運用。

    隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的日益發(fā)展，DSP技術(shù)已發(fā)展至可高效共享資源、降低功耗成本^[5，6]的高性能多核DSP階段。這也是面對不斷向大帶寬、高精度、高實時性要求發(fā)展的信號處理趨勢的必然選擇。

    本文將利用多核DSP展開面向機載陣列推掃式激光雷達(dá)系統(tǒng)的點云解算方法的并行設(shè)計與實現(xiàn)，在點云解算原理、多核DSP系統(tǒng)資源方面介紹基礎(chǔ)上，對點云解算算法的并行模型設(shè)計、核間通信設(shè)計、效能測試方面進行研究與分析。

1 點云解算原理

    陣列推掃式機載激光雷達(dá)系統(tǒng)建立三維點云解算模型的數(shù)據(jù)采集模塊，而點云解算則是將該系統(tǒng)獲取的激光點數(shù)據(jù)通過一系列處理得到三維空間信息的過程。首先，利用激光雷達(dá)載荷獲得激光脈沖的往返時間間隔及載荷位置姿態(tài)信息；然后，將激光掃描坐標(biāo)系下的測距值經(jīng)激光掃描坐標(biāo)系、慣性導(dǎo)航坐標(biāo)系、導(dǎo)航投影坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，求出每個激光腳點精確的三維空間坐標(biāo)（X，Y，Z），從而完成激光點云解算。為提高激光點云的解算精度，在解算的過程中需將系統(tǒng)檢校參數(shù)代入，進行校正處理^[1]。

    另外，由于掃描過程中會出現(xiàn)誤將低空飛行物當(dāng)作被測目標(biāo)記錄，或受到多路徑誤差或激光測距儀誤差影響等情況，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中出現(xiàn)粗差。為保證機上處理速度，在算法中加入基于掃描距離值的快速粗差濾除閾值處理。處理流程如圖1所示。

2 基于多核DSP的并行設(shè)計

2.1 硬件平臺資源介紹

    相比于單核DSP，多核DSP具有更強的并行處理能力和更優(yōu)化的功耗管理能力^[7]，因而得到了更多的關(guān)注。各主要數(shù)字信號處理器廠商，如Cradle、TI、ADI以及Freescale公司都相繼推出多核DSP。其中，TI公司的TMS320C6678在內(nèi)核數(shù)、主頻、功耗、運算能力等方面均具有較為突出的優(yōu)勢。

    TMS320C6678是基于Keystone架構(gòu)的定點/浮點混合多核DSP^[8]，內(nèi)置8個C66x DSP核，最高工作頻率可達(dá)1.4 GHz，具有320GMACS的定點處理能力和160 GFLOPS的浮點運算能力。其還擁有豐富的片內(nèi)資源，多種高速互聯(lián)接口^[9]。此外，TI公司還提供了具有任務(wù)調(diào)度、資源管理等功能的SYS/BIOS實時操作系統(tǒng)，可大大縮短開發(fā)周期?？梢姡珻6678能很好地適應(yīng)對低功耗、高性能、可編程性等多方面有嚴(yán)格要求的應(yīng)用環(huán)境，是實現(xiàn)實時處理復(fù)雜算法的最佳選擇。

2.2 并行模型設(shè)計

    在多核DSP的系統(tǒng)設(shè)計中，并行處理模型的構(gòu)建包括任務(wù)調(diào)度、消息通信、內(nèi)存訪問三者間的綜合考慮，只有采用最優(yōu)化的結(jié)合方案，才能達(dá)到處理效果和資源功耗間的平衡狀態(tài)，從而獲得處理系統(tǒng)的高性能。因此，選擇適合的并行模型無疑是多核DSP系統(tǒng)開發(fā)的最關(guān)鍵步驟之一。目前，多核DSP并行模型主要有兩種：數(shù)據(jù)流模型(Data Flow Model)和主從模型(Master Slave Model)^[10]。其中，數(shù)據(jù)流模型描述了DSP的多個內(nèi)核串行的工作方式，具有思路簡單、實時性較好、模塊間依賴性強、通信頻繁的特點，較為適合處理流程單一、內(nèi)核間強相關(guān)性的應(yīng)用；主從模型則是從多個內(nèi)核中選定一個作為主核負(fù)責(zé)總體控制，其余內(nèi)核作為從核執(zhí)行具體計算任務(wù)的工作方式，具有各從核間相互獨立、配置靈活的特點，更適于處理流程算法復(fù)雜、核間弱相關(guān)性的應(yīng)用。

    本次設(shè)計中應(yīng)用的點云解算算法具有處理流程復(fù)雜、浮點運算量大的特點，且待處理的數(shù)據(jù)將以一行的量為基本處理單位，處理過程獨立。可見該算法并不適合將整體算法分塊拆分至不同核的設(shè)計思路，這樣會造成大量由于機載點云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測引入的邏輯消耗、核間同步以及數(shù)據(jù)通信消耗，是一種得不償失的做法。因此，本文將采用主從方式設(shè)計點云解算的并行模型。

    本文的具體設(shè)計思路是：將0核設(shè)置為主核，其任務(wù)包括監(jiān)控所有從核的任務(wù)進度、建立與多種外設(shè)以及從核間的有效通信橋梁；1~7核為從核，其任務(wù)包括當(dāng)前狀態(tài)反饋、點云解算主體操作。

2.3 核間通信設(shè)計

    核間通信是多核處理器實現(xiàn)并行處理的重要組成部分^[11]，其主要有消息通信和數(shù)據(jù)搬移兩方面。消息通信通常用于實現(xiàn)核間同步通知以及狀態(tài)反饋，而數(shù)據(jù)移動則適用于大量的運算數(shù)據(jù)傳輸。C6678中也提供了多種通信方式和模塊庫，主要的有：同步變量監(jiān)視、核間直接中斷、Event Notify、MessageQ Queue、多核導(dǎo)航器以及EDMA3^{[10，12，13]}。

    其中，同步變量監(jiān)視模式所需模塊最少，實現(xiàn)簡單，但需不斷維護Cache一致性和CPU占有情況；核間直接中斷方式無BIOS參與，實現(xiàn)思路清晰，但頻繁的中斷增加額外耗時，靈活度低；Event Notify方式簡單快捷，但數(shù)據(jù)傳輸能力弱，復(fù)雜度較高；Message Queue方式提供了更精細(xì)的數(shù)據(jù)消息，靈活性和適應(yīng)性強，應(yīng)用廣泛，但復(fù)雜度高；多核導(dǎo)航器方式實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)高性能傳輸，靈活度大，但復(fù)雜度很大；增強型直接內(nèi)存訪問(Enhanced Direct Memory Access 3，EDMA3)方式可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，且該過程幾乎不占用CPU時鐘^[14]，但復(fù)雜度也高。因此，同步變量監(jiān)視、核間直接中斷、Event Notify和Message Queue這4種方式比較適合于核間同步消息通知，而多核導(dǎo)航器和EDMA3則更適合于數(shù)據(jù)通信。

    本文待實現(xiàn)的點云解算算法在多核通信方面有如下需求：消息通信方面，需要實現(xiàn)主核和從核間的同步通知，用于監(jiān)控處理的進度；數(shù)據(jù)通信方面，需要實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)塊、各階段處理結(jié)果的劃分及高速數(shù)據(jù)傳輸過程。

    再結(jié)合DSP內(nèi)部存儲器空間小但訪問速度快、外部存儲器DDR3空間大而訪問速度慢以及陣列推掃式激光雷達(dá)系統(tǒng)具有按描行存儲處理數(shù)據(jù)的特點，為了盡可能提高傳輸效率，以PING-PONG傳輸方式建立數(shù)據(jù)緩存機制：先將采集的數(shù)據(jù)流逐行緩存到DDR3中，并在從核內(nèi)部存儲器建立兩個緩存區(qū)，以EDMA3方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)在DDR3與內(nèi)部存儲器之間的高速傳輸，并且采用靈活度高的Message Queue實現(xiàn)核間同步消息通信。圖2展示了本文基于TMS320C6678的點云解算總體設(shè)計構(gòu)架。

3 實驗結(jié)果分析

    本文實驗采用TMDXEVM6678L EVM C6678 DSP開發(fā)板，這是一款用于對TMS320C6678進行評估開發(fā)的硬件平臺。實驗時，DSP核主頻設(shè)置為1 GHz。實驗激光點云原始數(shù)據(jù)來自某線陣推掃LiDAR載荷飛行試驗獲取的一段數(shù)據(jù)，行數(shù)為8 400行，每行208 B，總數(shù)據(jù)量約為1.67 MB；載荷位置數(shù)據(jù)也選取對應(yīng)的8 400行，每行52 B，總數(shù)據(jù)量約為426.56 KB。

    實驗分析了不同大小數(shù)據(jù)塊對基于多核DSP主從模型的LiDAR數(shù)據(jù)實時處理運行效率的影響，在數(shù)據(jù)處理總行數(shù)一定的條件下，分別以1、2、4、6、8、10行數(shù)劃分每次處理數(shù)據(jù)傳輸塊，從而獲取數(shù)據(jù)傳輸及點云解算處理的耗時測試數(shù)據(jù)。同時，實驗還對比記錄了相同總數(shù)據(jù)量、每次處理行數(shù)不變的條件下，單核實現(xiàn)點云解算處理的耗時，如表1所示。

    從表1可知，設(shè)計的點云解算多核并行模型在7核并行運算的情況下，效率達(dá)不到7倍單核的理想狀態(tài)，原因為實際的運算過程會由于核間通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍虍a(chǎn)生時間消耗和資源競爭。需要注意的是，不合理的方案設(shè)置反而會增加整體的運行耗時，造成與資源消耗情況相距甚遠(yuǎn)的結(jié)果。文中設(shè)計充分考慮并平衡了通信消耗和傳輸資源競爭等方面的影響，將效率提升到單核的6.6倍左右，使得性能得到了較大提升。

    圖3顯示了單/多核模型的總耗時與處理行數(shù)間的關(guān)系。針對多核并行處理方式，如圖3(a)所示，運行耗時由核間通信和EDMA3模塊調(diào)用的次數(shù)變化共同影響，其隨著每次處理行數(shù)的增加而降低。在處理總行數(shù)一定的情況下，每次處理的行數(shù)越多，總體處理方案調(diào)用核間同步通信和EDMA 3模塊的次數(shù)越少，通信傳輸消耗降低。此外，從圖3(a)中還能看出：曲線斜率隨著行數(shù)的增加而變緩，其原因在于增加每核處理行數(shù)，也會增大每次傳輸時間和內(nèi)部緩存壓力，體現(xiàn)出核間調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸兩者的矛盾關(guān)系，需要遇到具體問題具體劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊行數(shù)。圖3(b)顯示了單核處理方式下，運行耗時和每次處理行數(shù)的關(guān)系，其變化趨勢與多核一致。隨著每次處理的行數(shù)增多，每次EDMA3傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加，對EDMA3相關(guān)控制器設(shè)置的總次數(shù)減少，而EDMA3控制器的設(shè)置耗時相對較少。由此可得：EDMA3每次傳輸數(shù)據(jù)量的不同導(dǎo)致了耗時的不同，充分驗證了EDMA3在傳輸大數(shù)據(jù)量時具有一定的優(yōu)勢。在具體的設(shè)計過程中，需要合理選擇每次的處理行數(shù)，以達(dá)到效率最優(yōu)化。

4 結(jié)論

    本文采用TMS320C6678硬件平臺，設(shè)計搭建了基于機載陣列式推掃激光雷達(dá)系統(tǒng)的點云解算算法的多核并行主從處理模型，執(zhí)行效率達(dá)到了單核的6.6倍，使得性能得到了很大的提升，證明了對激光雷達(dá)技術(shù)的嵌入式實時處理系統(tǒng)的可行性。為進一步的遙感三維影像生成技術(shù)的嵌入式實時處理系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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作者信息:

牛京玉，胡  堅，孟凡榮，賀文靜

（中國科學(xué)院光電研究院 中國科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點實驗室，北京100094）