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308 B Aufbau von PC-Bildverarbeitungssystemen
B.4.1
Prozeßfenster
Charakteristisch für die Videosignalverarbeitung ist, daß die Operationen im Pixeltakt
(typischerweise 10 MHz) ablaufen, mit dem der aktive Bildspeicher einer Größe von
512 x 512 abgetastet wird. Will man nun nur einen kleinen Bildausschnitt bearbeiten,
z. B. bei Pyramidenoperationen, so wäre die Verarbeitung für den größten Teil
der Zeit inaktiv. Um Operationen auf Bildausschnitten zu beschleunigen, enthalten
die MVP-AT-Karten und die ITI-151 hardwaremäßig sogenannte Prozeßfenster (englisch:
area of interest). Nun wird nicht mehr der ganze aktive Bildspeicher abgetastet,
sondern nur noch ein programmierbarer Ausschnitt. Dadurch steigert sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit
proportional zur Prozeßfenstergröße. Einziger Nachteil des
Prozeßfenstermodus: Eine gleichzeitige Bildausgabe auf den Monitor ist nicht möglich.
B.4.2
Arithmetische Pipeline-Prozessoren
Ein arithmetisch-logisches Rechenwerk (ALU) ist in die MVP-AT-Karte (Abb. B.5)
und die ITI-151 integriert (Abb. B.8). Mit diesem Rechenwerk können zwei Bilder
arithmetisch oder logisch miteinander verknüpft werden. Dazu gehören Bildaddition,
-subtraktion, Vergleiche und Multiplikation mit einer Konstanten.
Faltungsoperationen sind ebenfalls möglich. Dazu wird zuerst ein Bildspeicherbereich
null gesetzt, in dem die Zwischenergebnisse der parallel ausgeführten Faltungs­
~ p e r aaufaddiert t i o n werden (Akkumulatorbild). Dann wird das Bild mit der ersten
Filtermaskenkonstanten multipliziert und mit dem entsprechenden Zeilen- und Spaltenoffset
zum Akkumulatorbild addiert. Diese Operation muß für jeden Filtermaskenkoeffizienten
durchgeführt werden. Am Ende wird das Akkumulatorbild durch einen
entsprechenden Faktor dividiert. Oft ist dies durch eine Shiftoperation möglich, wie
z. B. bei Binomialmasken (Absclmitt 5.2.2). Die Durchführung der Faltung mit der
ALU erbringt eine erhebliche Beschleunigung der Rechenzeit. Die Faltung mit der
5 x 5-Binomialmaske eines 512 X 512-Bildes dauert nur 0,36 s (vergleiche Tabelle B.3).
B.4.3
Filterprozessoren
Eine weitere Beschleunigung der Faltung ist durch Spezialprozessoren möglich, die über
parallele Rechenwerke vedügen. Das Blockschaltbild eines solchen Prozessors ist in
Abb. B.9e dargestellt. Er kann in Echtzeit Faltungen mit einer gewissen Filtermaskengröße
durchführen, z. B. das hier gezeigte Rechenmodul mit einer Größe bis zu 8 X 8.
Das entspricht einer Spitzenrechengeschwindigkeit von 640 Millionen Multiplikationen
und 630 Millionen Additionen pro Sekunde. Das Rechenmodul verfügt über Zeilenspeicher,
die so lange eingelesen werden, bis die Zeilengröße der Faltungsmaske erreicht
ist. Dann multiplizieren parallel arbeitende Multiplizierer die entsprechenden Pixel mit
den Filterkoeffizienten. Die Teilergebnisse werden über eine mehrstufige ALU akkumuliert.
Das berechnete Filterergebnis wird über eine 16-Bit-LUT umgerechnet und
mit einer Verzögerung, die der Größe der Faltungsmaske entspricht, auf den Videobus
zurückgegeben.