基于cpu的归一化互相关算法波前斜率技术研究

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1、密级:硕士学位论文基于CPU的归一化互相关算法波前斜率技术研究作者姓名：陈冰倩指导教师：王彩霞副研究员学位类别：工程硕士学科专业：计算机技术研究所：中国科学院光电技术研究所二零一六年三月StudyontheNormalizedCross-correlationWavefrontGradientProcessorBasedonCPUByBingqianChenADissertation/ThesisSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedeg

2、reeofMasterofEngineeringTheInstituteofopticsandelectronicstheChineseAcademyofSciencesMonthMarch,Year2016致谢时间如白驹过隙，研究生三年就要匆匆结束。在中国科学院光电技术研究所的这三年读研生涯中，我学到了很多，收获了很多。值此毕业临近之际，谨以此文感谢所有帮助过我，陪伴着我的老师和同学们。首先，非常感谢王彩霞老师和魏凌老师。本论文是在两位老师的指导和帮助下完成的。从文献调研、选择课题、着手实验到中期报告、撰写毕业论文，是王彩霞老师督促着我一路走来，一步步的工作都离不开王彩霞老师

3、的悉心指导。而魏凌老师在编程及实验方面给了我很多的建议和帮助。他们以丰富的实践经验和深厚的学术功底指导我完成了课题，其认真负责的工作态度，踏实严谨的科研精神，都深深地影响了我，他们是我最敬爱的老师！感谢八室为我的课题提供了平台支持，也给了我一个温馨友爱、积极向上的学习环境。李新阳老师，向银辉书记以及姜文汉院士都为此付出了很多。感谢八室的师兄师姐们，在生活中给予我关心和帮助，让我感受到了温暖，尤其是何杰铃师兄，在我做课题的过程中，给了我很多帮助和建议。感谢研究生部的各位老师们，是他们为学生提供了井然有序的生活条件，并大力支持学生活动，让我们在中科院光电所的生活变得多姿多彩。感谢光

4、电所和川大的各位小伙伴们，是他们的陪伴和鼓励，使我这一路走来，不会孤单。红神、梦舒、凤姐、狒狒、高博、栩白、侯爷、晨晨、袁二寒还有郑林楠，是他们陪我一起努力，一起疯闹，有了他们才有这一段难以忘怀的青春。感谢我的家人，是他们给了我最大的温暖和支持！在成都的这几年，远离家乡，但爱从未远离！陈冰倩2016年3月I摘要随技术的发展，自适应光学系统广泛应用于大型望远镜、激光波前校正、人眼视光学等领域。但随着应用的推广，自适应光学的校正对象及使用环境愈加复杂。这对波前控制提出了严峻的挑战。而波前斜率处理作为波前控制系统的源头，其性能直接影响整个自适应光学系统的校正效果。因此，本文以自适应光

5、学系统的斜率算法优化为核心研究内容，从不同斜率算法特性和平台特点两个方面展开研究。首先，本文分析了质心、绝对差分和归一化互相关这三种常用的斜率算法的计算量，并设计目标探测仿真实验，对三种算法在不同探测条件下的性能进行了对比。归一化互相关算法虽然计算量大，但抗噪性强，能抵御伪光斑对目标探测的干扰，而且能用于强闪烁目标和扩展目标的探测，适用范围广。针对归一化互相关算法的特点，分析常用硬件平台的适用性，选择多核CPU作为归一化互相关斜率计算的实现平台。其次，本文结合归一化互相关算法特点，分析斜率处理任务的特点，对斜率处理算法进行了优化研究，利用并行处理技术，根据斜率计算中的数据相关性

6、和独立性，进行任务的流水线和并行处理，采用OpenMP多核编程模型，实现了斜率处理的线程级并行，缩短了任务处理时间；随后根据多核CPU的特点，用AVX指令对斜率程序的部分代码进行向量化，增加了斜率处理过程的数据级并行，进一步提升了归一化互相关斜率计算的效率。然后，本文在Intel（R）Core(TM)i7-3770k四核计算机和Windows7操作系统上，采用分辨率为9*9像素的模板对哈特曼图像中400个15*15像素的子孔径进行了归一化互相关斜率探测的时间测试，从测试结果可知，优化后的斜率探测时间约为340μs，为优化前的29%。最后，将优化后的归一化互相关斜率算法应用于自适

7、应光学系统中，进行了系统闭环实验，实验结果验证了本优化后的归一化互相关斜率算法可以进行有效的波前斜率探测，且具有良好的抗伪光斑噪声能力。本文提出的基于通用多核CPU的归一化互相关斜率计算方法，可以使自适应光学系统适应多种工作场景的需求，且方便移植，具有良好的通用性，扩展性强，能够通过处理器核数的扩展可以满足更大自适应光学系统的处理需求。本文的研究成果为扩展自适应光学波前斜率处理的应用场景提供了有效的技术基础和支撑，具有重要的研究价值和实际工程意义。III关键词：自适应光学系统，波前斜率处理，