0 引　言

随着技术的不断发展，对舰船红外图像处理系统的性能和效率也提出了更高的要求。多通道DMA控制器作为舰船红外图像处理系统的重要组成部分，其性能对整个系统的运行有着显著影响^[1−2]。然而，现有多通道DMA控制器存在一定的不足之处，如传输速率有限、同步性差、功耗较高等问题，无法满足日益增长的处理需求^[3]。因此，对多通道DMA控制器进行改进设计显得尤为重要。王磊等^[4]为优化数据传输性能，利用高速缓存和优化地址计算的方法，采用中断处理和任务调度策略，相较于传统控制器，具有更高的数据传输效率和良好的硬件资源利用效率，能够显著提升图像处理速度。但改进控制器只能处理特定格式的舰船红外图像数据，限制了其通用性。孙欣欣等^[5]采用PCIe总线和DMA控制器改进设计，通过实验验证了改进设计的有效性和性能提升。但该方法改进的控制器需要与特定的PCIe设备和操作系统进行兼容性测试，导致其在推广和应用时存在限制，影响舰船红外图像处理的稳定性。针对上述问题，研究舰船红外图像处理中多通道DMA控制器改进设计方法，实现更快速、更高效、更稳定的传输控制。

1 多通道DMA控制器改进设计 1.1 多通道DMA控制器的传输改进

舰船红外图像处理利用多通道DMA控制器进行舰船红外图像传输，传统DMA控制器的红外图像传输效率较慢^[6]，为此引入嵌入式Motion-JPEG2000编码器进行改进，加快舰船红外图像处理时的传输效率。嵌入式Motion-JPEG2000编码器为DMA控制器提供4个通道，分别是DMA0～DMA3通道。DMA0负责读入舰船红外图像帧，DMA1负责读入舰船红外图像分量，DAM2负责生成子带与打包，DMA3负责生成子带与舰船红外图像压缩时的数据复制与初始化。DMA0通道改进过程为：通过中断触发DMA0通道，读入舰船红外图像帧。由于DAM0的优先级最低，因此仅在其余通道空闲时，才会触发其读入舰船红外图像帧。利用DMA1读入舰船红外图像分量数据，可剔除舰船红外图像的同步信息与三分量解交织，节约读入舰船红外图像占用的内存，加快红外图像处理效率。利用DMA2通道生成水平、垂直与对角线方向上的舰船红外图像高频信息（LH、HL、HH）子带，利用DMA3通道生成舰船红外图像低频信息（LL）子带。嵌入式Motion-JPEG2000编码器，改进多通道DMA控制器舰船红外图像传输过程的实现流程如图1所示。

改进后舰船红外图像传输的实现步骤如下：

步骤1　启动DMA0与DMA1，读入第一帧舰船红外图像，以及其 $ Y $ 分量。

步骤2　通过结合小波变换与正交化分形编码的压缩算法，压缩读入的第一帧舰船红外图像的 $ Y $ 分量；并量化对应的子带。

步骤3　完成每级压缩后，启动DMA2与DMA3，并再次生成与量化LH、HL、HH的子带。

步骤4　启动DMA1，读入舰船红外图像的 $ U $ 、 $ V $ 分量，并执行上述操作。

步骤5　三个分量完成处理后，继续启动DMA1读入第二帧舰船红外图像的 $ Y $ 分量。

步骤6　当全部舰船红外图像帧完成处理后，对全部子带展开优化截取，同时启动DMA2记录打包信息，完成舰船红外图像传输处理。

1.2 舰船红外图像的压缩算法

利用结合小波变换与正交化分形编码的压缩算法，对DMA0与DMA1读入的舰船红外图像帧分量进行压缩，具体步骤如下：

1）对读入的舰船红外图像分量进行小波变换，获取LH、HL、HH、LL信息，通过正交分形编码法，对LL信息展开压缩编码。

2）将LL信息划分成4像素×4像素大小的 $ {X_i} $ 块，以及8像素×8像素大小的 $ {Y_i} $ 块，同时等距变换处理第 $ i $ 个块。

3）通过式（1）搜索 $ {R_i} $ 的最优匹配块，获取对比度与亮度调节因子 $ {a_i} $ 、 $ {o_i} $ ，公式如下：

$ \min \left\{ {\min {{\left\| {{X_i} - \left( {{a_i} \cdot {Y_i} + {o_i} \cdot Y} \right)} \right\|}^2}} \right\} $

(1)

其中， $ U $ 为灰度是1的子块。

$ {a_i} $ 与 $ {o_i} $ 的计算公式如下：

$ {a_i} = \frac{{\left\langle {{X_i} - {{\bar X}_i} \cdot U,{Y_i} - {{\bar Y}_i} \cdot U} \right\rangle }}{{{{\left\| {{Y_i} - {{\bar Y}_i} \cdot U} \right\|}^2}}} ，$

(2)

$ {o_i} = {\bar X_i} - {a_i}{\bar Y_i}。$

(3)

其中： $ \left\{ {{a_i},{o_i},i} \right\} $ 为 $ {X_i} $ 的分形编码； $ {\bar X_i} $ 为 $ {X_i} $ 的均值； $ {\bar Y_i} $ 为 $ {Y_i} $ 的均值。

4）舰船红外图像解码时， $ {X_i} $ 的迭代式为：

$ X_i^k = {a_i} \cdot {\lambda _i}\left( {Y_i^{k - 1}} \right) + {o_i} \cdot U。$

(4)

其中： $ k $ 为迭代次数； $ {\lambda _i} $ 为正交系数； $ Y_i^{k - 1} $ 为 $ k - 1 $ 次迭代后的 $ {Y_i} $ 块。

1.3 改进的多通道DMA控制器

舰船红外图像处理中，改进后的多通道DMA控制器结构如图2所示。仲裁器负责依据优先级对每个DMA通道展开轮询仲裁，仅在获取仲裁授权后的通道，才能构造舰船红外图像读写的传输通道，进行舰船红外图像传输。嵌入式Motion-JPEG2000编码器负责读入需要处理的舰船红外图像，并对其进行压缩编码，加快舰船红外图像处理的传输效率。寄存器配置负责保存舰船红外图像处理时，DMA控制器产生的配置信息；存储器端口负责向存储器端发送处理后的舰船红外图像；外设端口负责向外设端发送处理后的舰船红外图像。

2 实验结果分析

以P228型号红外传感器采集的舰船红外图像为实验对象，其动态范围大于120 dB，空间分辨率是1 280×1 024像素，光谱分辨率在10⁻¹²~10⁻¹¹cm⁻¹之间，时间分辨率较低。在P228型号红外传感器采集的舰船红外图像内，随机选择一幅舰船红外图像，利用本文方法对其进行压缩，压缩过程中的迭代次数为7次，舰船红外图像的压缩结果如图3所示。从图3（a）可以看出，在压缩舰船红外图像时，当迭代次数为1次时，舰船红外图像压缩时产生了大量噪声，清晰度不佳。从图3（b）可以看出，当迭代次数为3次时，舰船红外图像压缩时产生的噪声有所减少，但清晰度也不佳。从图3（c）可以看出，当迭代次数为5次时，舰船红外图像压缩时产生的大部分噪声均已消除，但图像亮度较暗。从图3（d）可以看出，当迭代次数为7次时，不仅消除了舰船红外图像压缩时的噪声，还提升了舰船红外图像的亮度。综合分析可知，本文方法可有效压缩舰船红外图像，且压缩后的图像主观视觉效果较优。

分析利用本文方法改进前后，舰船红外图像处理时，舰船红外图像的传输效率，分析结果如图4所示。从图4（a）可以看出，未用本文方法改进前，多通道DMA控制器传输舰船红外图像过程中，读入舰船红外图像需要3 μs，输出舰船红外图像处理结果也需要3 μs，即整个舰船红外图像处理的传输书剑是6 μs。从图4（b）可以看出，应用本文方法改进后，多通道DMA控制器读入舰船红外图像仅需1μs，输出舰船红外图像处理结果也仅需1 μs，即舰船红外图像处理时的总传输时间是2 μs。综合分析可知，应用本文方法改进后的多通道DMA控制器，可加快舰船红外图像的传输效率。本文方法设计的改进多通道DMA控制器，对于快速处理和传输大量数据的舰船红外图像处理系统来说尤其有利，因为可以大大提高系统的吞吐量和响应速度。

分析不同目标比特率时，本文方法舰船红外图像的处理效果，利用逼真度与一阶熵，衡量舰船红外图像的处理质量，逼真度与一阶熵越高，代表处理后的舰船红外图像的真实性越佳，包含的信息量越多，即处理质量越佳，逼真度与一阶熵阈值分别是0.9与5，分析结果如图5所示。从图5可知，随着目标比特率的提升，对于舰船红外图像的高频分量与低频分量来说，处理后舰船红外图像的逼真度与一阶熵均呈上升趋势，最低逼真度分别在0.94与0.925左右，最低一阶熵分别在0.93与0.935左右，均显著高于设置阈值，说明应用本文方法后，处理后的舰船红外图像质量较高。

3 结　语

本文对舰船红外图像处理中多通道DMA控制器进行改进设计，提高其性能和效率。通过优化硬件设计、引入图像压缩编码算法，使改进后的DMA控制器能够更快速、更高效、更稳定的传输舰船红外图像。本文的研究成果可为相关领域的实际应用提供有益参考。