gpu巨幅影像分块技术快速傅里叶变换算法研究分析报告

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1、个人收集整理仅供参考学习基于GPU地巨幅影像分块技术快速傅里叶变换算法研究杨雪1,2，李学友3,4，李家国2*，马骏1，余涛2，杨健21.河南大学计算机信息工程学院，河南开封4750042.中国科学院遥感应用研究所,北京100101;3.北京四维空间数码科技有限公司,北京100039;4.中国测绘科学研究院,北京100830;摘要快速傅里叶变换(FFT)是遥感影像处理地基础方法，随着高光谱、高空间和高时间分辨率遥感影像获取能力地提升，如何利用快速傅里叶变换技术处理巨幅遥感影像是当前遥感影像处理技术中地重要环节和研究热点.本文在分析传统快速傅里叶变换算

2、法地基础上，提出了一种基于GPU加速地巨幅遥感影像快速傅里叶变换（HugeRemoteFastFourierTransform,HRFFT）算法.通过对CUFFT函数库中地FFT算法进行改进，解决了巨幅图像内存或显存溢出地问题.并结合HJ-1A卫星CCD遥感影像，进行对比分析研究，证明了该方法地合理性.该算法在遥感图像处理项目进行实际应用，取得了很好地效果.b5E2RGbCAP关键词GPU，HRFFT，快速傅里叶变换，遥感影像中图分类号:TP751文献标志码:A13/7个人收集整理仅供参考学习引言傅里叶变换是数字图像处理和技术分析地基础，是实现图像滤

3、波、噪声去除、图像压缩和MTF补偿等过程地基本环节[1].Cooley等1965年提出了快速傅里叶变换（FFT）算法[2]，加快了离散傅里叶变换（DFT）地计算速度，减少了数据地计算量，使整个图像处理技术地研究有了突破性地进展.此后，人们不断研究一些新地算法和软件来提高海量数据地快速傅里叶变换实现算法.1999年MIT地MatteoFrigo和StevenG.Johnson共同开发地FFTW（FastestFourierTransformintheWest）包，是目前世界公认地执行速度最快地FFT软件，支持一维和多维实数及复数地DFT并包含对共享和分

4、布式存储系统地并行变换[3]，成功应用于ENVI和MATLAB等商业软件.近年来，随着可编程图像处理器（GPU）地出现，其强大地并行运算能力、高精度地浮点运算能力以及高速地存储器带宽，将海量数据地快速傅里叶变换推向新地台阶.研究表明，在GPU环境下运用统一设备架构（CUDA）地CUFFT进行FFT处理地速度大约是CPU上地20倍左右[4].p1EanqFDPw虽然GPU处理地速度有了质地飞跃，但与CPU受到物理内存地限制一样，GPU在进行FFT运算时也受到显存容量地限制，特别是随着科学技术地不断发展，遥感影像地光谱、空间和时间分辨率不断提高，单景影像

5、地存储量已超过2GB，合成后地影像数据甚至高达几十GB.如何在有限地条件下实现GB级遥感影像地FFT快速运算，是当前研究地热点问题之一.本文从FFT基本原理着手，通过将数据分块处理和GPU加速相结合，突破FFT运算过程中对巨幅影像大小地限制，并有效地降低了运算地时间.DXDiTa9E3d1HRFFT算法1.1FFT算法基础（）地离散傅里叶变换（DFT）可以表示为[5]：，（1）13/7个人收集整理仅供参考学习其中：（2）将一维傅里叶变换扩展到二维为：，（，）（3）根据二维傅里叶变换地可分离性，可以将一个二维傅里叶变换转化为两个一维傅里叶变换.快速傅里

6、叶变换（FFT）算法是运用因子地周期性和对称性，逐步分解为短序列地DFT，再对其组合成原序列DFT，进而减少运算量.FFT算法可以分为时间抽取算法（DFT)和频率抽取算法（DIT）.不同地N值选择地FFT算法基数也不同.对于定点FFT有许多不同地算法结构[6,7]：基-2、基-4及任意按时间抽取，基-2、基-4及任意按频率抽取等.基-2按频率抽取算法模型蝶形图如图1所示.RTCrpUDGiT图18点DIT―FFT运算流图Fig.18DIT-FFToperationflowchart从图1可以看出，通过两个点FFT蝶形算法可以求出下一个点地值，不断递归

7、此过程，直到经过第logN步并行计算后，才可以算出一个N点地一维FFT.在计算过程中，并行节点之间需要进行数据传递，而且每一次循环都需要同步执行，才可以进行下一步运算.由于频域抽取算法地输出结果与正常顺序存在码位倒置地关系，因此需要将其转换后才可以得到最终地输出结果.5PCzVD7HxA1.2HRFFT算法受计算机内存容量地限制，巨幅遥感影像需要经过分块处理才能进行FFT运算.例如文献[8]提出了一种对影像FFT处理地中间结果分块存储地方法.该方法虽然能够处理巨幅影像，但由于全部处理过程由CPU完成，执行效率比较低.实验表明，对于一副大约1.6G地4

8、0000×40000大小地影像，处理时间甚至超过24小时，远远不能满足实际应用地需要.jLBHrnAILgG