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针对细胞图像处理的异构多核处理器研究

发布时间:2020-07-18 17:00
【摘要】:随着细胞图像处理在临床医疗诊断中的广泛应用,细胞图像处理的实时性要求越来越高。由于同构多核处理器在处理细胞图像时运算速度提升受限,因此研究含有不同加速指令的异构多核处理器对细胞图像处理具有重要意义。通过对多核处理器及细胞图像处理算法的研究,设计了一款应用于细胞图像处理的异构多核处理器。该处理器共有八个内核,每个内核均是两级流水处理器,第0个内核前设置输入缓冲作为细胞图像的缓存,八个内核通过交叉开关矩阵访问具有四个存储块的共享数据存储池。交叉开关矩阵对内核地址低的数据进行优先编码,当两个内核同时访问同一存储块时,地址较低的内核优先进行访问。多核处理器采用了无锁结构的生产者-消费者并行编程模型,实现多个内核存储及读取数据的配合。针对细胞图像处理的算法选用K近邻平滑滤波、全等级直方图灰度拉伸、高斯模糊、USM锐化、最大类间方差法及连通域标记等算法,并在不同内核中设计Absort指令、Inireg指令、Sumreg指令、Sum4指令、Abs指令、Mulsub指令及Mulpow指令对算法进行加速,使得运行K近邻平滑滤波算法的内核速度提升了2.66倍,运行全等级直方图灰度拉伸及高斯模糊算法内核的速度提升了1.21倍,运行USM锐化算法内核的速度提升了1.36倍,运行最大类间方差法内核的速度提升了1.17倍。异构多核处理器在UMC110nm的工艺下完成仿真及综合,其在各个内核运行对应算法时处理细胞图像速度为每秒203.11帧,相比于单核结构速度提升了10.83倍,最高时钟频率为136.98MHz,总面积为19.0mm~2。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP391.41;R318
【图文】:

架构图,架构,处理器


图 1-1 Mr.Wolf 处理器架构Fig.1-1 The Mr.Wolf Processor Architecture方发达国家相比,国内对细胞图像自动检测分析的研究起步较晚。80 展通过细胞进行诊断的研究,90 年代初期,癌细胞视觉检测和识别。经过了二十余年的发展,我国细胞图像自动检测技术也有了一定的 年,张桂梅等人针对医学图像灰度不均匀的问题提出了新的分割模方法,将其在 CPU 中运行,发现可以分割图像的效率以及准确度都2016 年,北京邮电大学针对癌细胞检测对 Alex Net 进行了改进,提网络更加稳定,规模缩小且提升了速度[28]。2018 年,杨金鑫等人针确细胞的问题,提出了一种基于超像素分割的 NLM 去噪算法,以降低像的影响[29]。2018 年,南京理工大学朱珊珊等人发现 CPU 串行处理里叶变换的需求,处理时间较长,而光学相干层析技术在生物医学领着重要的作用,而活体成像对实时性要求较高,因此考虑将 CUDA 到数据处理中,发现 CUDA 这种 CPU+GPU 的混合编程技术使处理。

框图,内部功能,框图,内核


图 2-1 LPC5411x 内部功能框图Fig.2-1 The LPC5411x Internal Functional Block Diagram核处理器流处理的方式处理数据,将不同的算法分配在各个内内核的数据,不同内核间仅有细胞图像数据的传输,存储器中,当一个内核处理完数据存入共享存储器多核处理器分为两类,一类为集中式共享存储多核ultiprocessors,SMP),另一类为多核架构采用ed Memory,DSM),内核的数量决定了两类存储器多核处理器均采用 SMP 结构,其架构如图 2-2 所示内核,通常数量小于等于 32 个。对于内核数量较少个集中式的存储器,并且每一个内核对所有存储器构有时也被称为一致性存储访问多核处理器,所有内

最大类间方差,人像,灰度图,处理效果


(a)灰度图 (b)最大类间方差法处理效果 (c)Canny 算子处理效果图 3-4 人像灰度图经最大类间方差法及 Canny 算子处理效果图Fig.3-4 Portrait Grayscale Image Processed by OTSU and Canny Operator(a)灰度图 (b)最大类间方差法处理效果 (c)Canny 算子处理效果图 3-5 细胞灰度图经最大类间方差法及 Canny 算子处理效果图Fig.3-5 Cell Grayscale Image Processed by OTSU and Canny Operator图 3-4(a)是一幅较为复杂的人像灰度图,可以从图 3-4(b)及图 3-4(c)看出 Cann算子分割出了人像图的细节,最大类间方差法对人像图的所有细节处理的效果都不如Canny 算子,因此对于这种较为复杂的图像最大类间方差法并不占优势。图 3-5(a)是一

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