离散Gabor变换与展开快速并行算法分析与实现

发布时间：2017-04-17 14:02

  本文关键词：离散Gabor变换与展开快速并行算法分析与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：Gabor展开与变换是信号处理领域里常用的理论工具,其计算效率一直是其实时应用中需要研究解决的问题。以前的快速算法研究大部分基于串行运算,计算效率有限。近年提出的并行化算法又都局限于理论分析,并没有正真地在并行环境下进行分析和实现,因而有许多在实现环节中出现的问题需要解决。本文将在并行计算环境下对现有的两种Gabor变换快速并行算法进行分析与实现,并提出了改进和优化的实现方法,提高了其实现效率。现有的Gabor变换快速并行算法主要有基于并行格的块时间递归算法和基于多抽样率滤波快速并行算法两种。前一种算法由于其递归结构和进程间通信与同步,在并行实现时会产生大量的通信耗时,极大的影响了其实现效率。本文提出了一种改进的实现方法,通过将原算法的递归部分展开为迭代形式,使得进程间的通信和同步操作转化成进程内的串行计算,使得用于计算的公式组彼此间完全独立,不需要进行进程间通信和同步就可以完成计算,极大的提高了运行效率。基于多抽样率滤波快速并行算法相比于第一种并行算法具有更高的并行度和单通道计算效率。但在并行计算环境下实现时也有一定的时间开销耗费在通信操作上,本文对实现方法中的通信操作进行了优化处理。使用纯MPI模型实现时,提出了使用子通信组划分的方法,使得全局的MPI聚合通信分为较小进程组的局部通信,降低了聚合通信耗费的时间开销,子通信组的大小选取基于具体计算机硬件的测试结果。当在多核架构的并行集群机上实现时,将MPI+OpenMP混合模型应用到聚合通信操作上,并将通信划分为粗细粒度的两级层次结构。第一级层次里,在节点内部使用共享内存的OpenMP模型来处理通信；在第二级层次里,即在节点之间采用MPI模型来处理节点间通信,这种方法不仅提高了通信效率,且更具一般性能推广应用到不同硬件体系结构的机器上。论文中研究的实现方式通过核函数的变更,能方便的推广到基于离散余弦变换核、离散正弦变换核以及离散哈特莱变换核的实值离散Gabor变换与展开的计算上。并可以进一步推广应用到到多窗Gabor或实值Gabor的变换与展开的计算。文中的实现方法在混合架构的集群机上进行了实现分析,实验结果表明改进的基于并行格型块时间递归算法的实现效率提升明显,改进后的运行时间要快于串行快速算法和原算法。基于多抽样率滤波的快速并行算法本身具有更好的进程独立度和更低的计算时间复杂度,通过对通信操作的优化,基于多抽样率滤波算法的运行时间也进一步得到了加快。
【关键词】：离散Gabor变换 并行计算 并行格结构 多抽样率滤波 混合模型
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP338.6
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 研究背景9-15
• 1.1.1 傅里叶变换与时频分析9-10
• 1.1.2 Gabor变换10-13
• 1.1.3 高性能计算与多核技术13-15
• 1.1.4 并行程序开发库MPI15
• 1.2 国内外相关研究工作15-19
• 1.2.1 Gabor变换快速算法研究15-17
• 1.2.2 基于并行格结构的块时间递归算法17-18
• 1.2.3 基于多抽样率滤波快速并行算法18-19
• 1.3 本文的主要内容和研究目的及创新点19-20
• 1.3.1 论文的主要组织结构19-20
• 1.3.2 论文的研究目的及主要创新点20
• 1.4 本章小结20-21
• 第二章 离散Gabor变换理论回顾及并行计算环境平台介绍21-32
• 2.1 离散Gabor变换回顾21-25
• 2.2 并行计算环境平台介绍25-31
• 2.2.1 并行计算概述25-26
• 2.2.2 竞争条件、同步、互斥以及并行放缓26-27
• 2.2.3 并行计算硬件背景27-28
• 2.2.4 并行计算的软件背景28-29
• 2.2.5 本文实验坏境描述29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 基于并行格型的块时间递归算法并行环境实现与优化32-52
• 3.1 并行格型块时间递归算法计算DGT32-35
• 3.2 DGT块时间递归算法及其并行格型结构并行环境下的改进方法35-37
• 3.3 基于并行格型的块时间递归算法用于信号重建37-41
• 3.4 并行格型的块时间递归算法用于信号重建的改进实现方法41-43
• 3.5 实验与分析43-51
• 3.5.1 计算复杂度分析43-44
• 3.5.2 运行时间分析44-46
• 3.5.3 改进算法与原算法运行时间对比46-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第四章 基于多抽样率滤波快速并行算法并行环境实现与优化52-74
• 4.1 多抽样率滤波算法用于计算DGT52-54
• 4.2 基于纯MPI模型的划分子通信组的优化方法54-63
• 4.2.1 划分子通信组方案54-58
• 4.2.2 实验与分析58-63
• 4.3 基于MPI+OPenMP混合模型的实现方案63-68
• 4.3.1. MPI+OPenMP模型63-68
• 4.3.2 实验结果分析68
• 4.4 多抽样率滤波算法用于信号重建68-72
• 4.4.1 多抽样率滤波算法用于信号重建理论基础68-70
• 4.4.2 实验结果70-72
• 4.5 本章小结72-74
• 第五章 实现方法的推广应用74-84
• 5.1 应用于实值离散Gabor变换与展开74-82
• 5.1.1 DCT-kernel-based RDGT(IRDGT)的定义74-75
• 5.1.2 应用改进的并行格型块时间递归结构计算DCT-kernel RDGT(IRDGT)75-80
• 5.1.3 基于多抽样率滤波算法用于RDGT和IRDGT计算80
• 5.1.4 实验测试80-82
• 5.2 应用于多窗实值离散Gabor变换与展开82-83
• 5.2.1 多窗复值离散Gabor变换82-83
• 5.2.2 多窗实值离散Gabor变换83
• 5.3 本章小结83-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 论文总结84-85
• 6.2 论文不足及展望85-86
• 参考文献86-94
• 致谢94-95
• 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况说明#@@

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