Java中的大规模图像去模糊及移动对象轨迹索引方案

### Java 中的大规模图像去模糊及移动对象轨迹索引方案 在当今的技术领域，图像去模糊和移动对象轨迹索引是两个重要的研究方向。Java 凭借其独特的优势，在图像去模糊方面展现出了巨大的潜力；而对于空间网络中移动对象的轨迹索引，也有新的方案被提出以提升性能。 #### Java 在图像去模糊中的应用 Java 在图像去模糊领域有着广泛的应用前景。自 2007 年起，Java 源代码遵循 GNU 通用公共许可证进行分发。Java 具有原生的多线程编程支持，这在多核 CPU 时代是一种必不可少的编程范式。此外，Java 内置了复杂的成像功能，能够对计算结果进行高效的可视化和动画展示。 自 1996 年 JDK 1.0 发布以来，Java 有了显著的改进，如即时编译、内存分配增强以及对现代 x86 和 x64 CPU 性能特性的利用。如今，Java 已不再被认为不适合高性能科学计算应用，在光谱图像去模糊方面就很好地证明了这一点。 不过，Java 在科学计算中也存在一些缺点，例如没有复数的原始类型，无法进行运算符重载，不支持 IEEE 扩展精度浮点数。而且，Java 数组并非为高性能计算而设计，多维数组实际上是一维数组的数组，这使得难以充分利用缓存内存，并且数组不可调整大小，只能进行 32 位数组索引。幸运的是，像 Colt 这样的开源数值库已经被开发出来以克服这些缺点。 ##### JTransforms 库 JTransforms 是第一个用纯 Java 编写的开源多线程快速傅里叶变换（FFT）库。FFT 算法是计算离散傅里叶变换（DFT）最有效的方法，复杂度为 Θ(N log(N))。常见的 radix - 2 算法采用分治法将大小为 N 的 DFT 递归地拆分为两个大小为 N/2 的部分。而 split - radix 算法在 N 为 2 的幂时，计算 DFT 的算术运算次数最少。 JTransforms 的代码源自 Ooura 编写的通用 FFT 包（OouraFFT），OouraFFT 是用 C 和 Fortran 实现的 split - radix 算法的多线程版本。但 JTransforms 有一些重要的区别： - **线程池的使用**：JTransforms 使用线程池，而 OouraFFT 没有。线程池的使用避免了每次使用线程时创建和销毁线程的开销。 - **自动多线程**：在多 CPU 机器上，JTransforms 会自动使用线程进行计算，而 OouraFFT 和 FFTW 需要手动设置最大计算线程数。 - **简单的 API**：JTransforms 的 API 非常简单，只需要指定输入数据的大小，工作数组会自动分配，也没有规划阶段。 为了展示 JTransforms 的性能，对其与原始的 OouraFFT 和 FFTW 3.1.2 进行了基准测试。测试在配备 4 个双核 AMD Opteron 处理器 875（2.2GHz）和 32GB RAM 的 Sun Microsystems SunFire V40z 服务器上进行。测试结果如下表所示： | Library \ Size | 2^7 | 2^8 | 2^9 | 2^10 | 2^11 | 2^12 | 2^13 | 2^14 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | JTransforms | 2.43 | 3.76 | 6.21 | 32.84 | 198.31 | 529.81 | 4028.17 | 15682.78 | | OouraFFT | 0.74 | 3.15 | 12.60 | 33.66 | 202.78 | 789.25 | 4165.33 | 16738.65 | | FFTW_ESTIMATE | 1.15 | 4.84 | 31.75 | 131.80 | 1149.87 | 2715.39 | 26889.97 | 49670.29 | | FFTW_MEASURE | 0.83 | 2.91 | 10.73 | 37.65 | 182.77 | 840.09 | 6665.73 | 14735.13 | | FFTW_PATIENT | 0.67 | 2.81 | 11.73 | 36.84 | 179.55 | 884.39 | 3761.50 | 56522.40 | 对于二维复杂正向 DFT，在 2^9 × 2^9、2^10 × 2^10 和 2^12 × 2^12 大小下，JTransforms 的性能优于其他测试库。 | Library \ Size | 2^2 | 2^3 | 2^4 | 2^5 | 2^6 | 2^7 | 2^8 | 2^9 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | JTransforms | 0.12 | 1.09 | 2.