Geri Dön

Video işleme için FPGA tabanlı bir donanım platformu

FPGA based a hardware platform for video processing

  1. Tez No: 406560
  2. Yazar: VECDİ EMRE LEVENT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. FETHULLAH KARABİBER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 82

Özet

Günümüzde yüksek işlem gücü gerektiren uygulamalarda, donanımsal olarak sabit mimariye sahip olan mikrokontrolörler, bilgisayarlar tek başlarına ihtiyaç duyulan performansı verememektedir. Sabit donanım yapısına sahip olan işlemcileri kullanmak yerine uygulamaya özgü geliştirilen çip tasarımları gerçeklemesi performans bakımından ihtiyaca cevap verebilmektedir. Çip tasarımlarında standart mimariden farklı olarak merkez işlem birimi bulunmaz. Bunun yerine çipin içerisindeki farklı bölgelerde tasarımcı tarafından belirtilmiş olan donanımlar çalışır. Dolayısıyla FPGA içerisinde paralel çalışan donanımların hesaplama gücü karşısında sabit mimarinin rekabet etme şansı olmamaktadır. Özellikle görüntü işleme algoritmalarında, çözünürlük ve saniye başına işlenmesi gereken kare sayısı ile doğru orantılı olarak yüksek işlem gücüne ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun gibi durumlarda sabit donanıma sahip olan mimariler ancak gerçek zamanlı olmayan, yani daha önceden kayıtlı olan bir video veya görüntünün işlenmesini gerçekleştirebilmektedir. Ancak gerçek zamanlı hesaplama ihtiyacı olduğunda, sabit mimariler ardışık gelen karelerin üzerinde koşması gereken algoritmayı gerekli zaman aralığında çalıştıramayacaklar ve sistem gerçek zamanlı özelliğini yitirecektir. FPGA üzerinde koşacak olan algoritmanın en fazla kazanç sağlayabilmesi, algoritmadaki akışta ne kadar paralel işlem yapmaya müsait olduğu ile doğru orantılıdır. Bu çalışmada görüntü işleme sistemi iskeleti sunulmaktadır. Görüntü işleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılan ortanca, gauss, sobel gibi filtrelerin donanım uygulamaları gerçeklemesi yapılmıştır. Bu sistem hem FPGA hem de işlemci ile birlikte çalışan heterojen bir yapıdadır. Sistem, işlemci ile işlenecek olan görüntünün ve hangi algoritma koşacağının bilgilerini FPGA'e aktarır, FPGA üzerinde işlenmiş olan görüntü, işlemciye geri aktarılmaktadır. Tasarımın bu yapıda olması sistemin yeniden kullanılabilirliğini arttırmakta ve başka sistemler için altyapı özelliği taşımaktadır. Tezde kullanılan UDP, ARP, DHCP protokolleri, HDMI yakalama ve aktarım yöntemi, EDID veri akışı gibi yapıların detayları paylaşılmıştır. Tasarımda verilen modüllerin çalışma prensipleri detaylıca açıklanmış, bu bilgiler referans alındığında diğer sistemlere entegrasyonu hızı artacaktır. Çalışma üzerinde Xilinx Spartan6 serisi LX-45 modeli FPGA bulunan Digilent firmasının Atlys FPGA geliştirme kartı kullanılarak geliştirilmiştir. Geliştirme kartının üzerinde dahili olarak bulunan HDMI, Ethernet ve DRAM arayüzleri kullanılmıştır. Sistemin akışında öncelikle HDMI portu üzerinden alınan yüksek çözünürlüklü görüntü, görüntü işleme modülüne aktarımı gerçekleştirilmektedir. Görüntü işleme modülünden çıkan veriler, görüntü sıkıştırma modülüne aktarılmaktadırlar. Görüntü sıkıştırma, görüntünün işlemciye aktarılması esnasında daha az bant genişliği kullanması için önemlidir. Bu işlemden sonra sıkıştırılmış görüntünün DRAM üzerinde tamponlanma işlemi gerçekleşmektedir. Son aşamada ise görüntü Ethernet modülü üzerinden işlemciye aktarım sağlanmaktadır. İşlemci tarafında ise geliştirilen .Net uygulaması ile görüntünün alınması, ekrana gösterilmesi ve FPGA üzerinde koşacak algoritmanın seçilebildiği bir arayüz kullanıcıya sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

Günümüzde yüksek işlem gücü gerektiren uygulamalarda, donanımsal olarak sabit mimariye sahip olan mikrokontrolörler, bilgisayarlar tek başlarına ihtiyaç duyulan performansı verememektedir. Sabit donanım yapısına sahip olan işlemcileri kullanmak yerine uygulamaya özgü geliştirilen çip tasarımları gerçeklemesi performans bakımından ihtiyaca cevap verebilmektedir. Çip tasarımlarında standart mimariden farklı olarak merkez işlem birimi bulunmaz. Bunun yerine çipin içerisindeki farklı bölgelerde tasarımcı tarafından belirtilmiş olan donanımlar çalışır. Dolayısıyla FPGA içerisinde paralel çalışan donanımların hesaplama gücü karşısında sabit mimarinin rekabet etme şansı olmamaktadır. Özellikle görüntü işleme algoritmalarında, çözünürlük ve saniye başına işlenmesi gereken kare sayısı ile doğru orantılı olarak yüksek işlem gücüne ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun gibi durumlarda sabit donanıma sahip olan mimariler ancak gerçek zamanlı olmayan, yani daha önceden kayıtlı olan bir video veya görüntünün işlenmesini gerçekleştirebilmektedir. Ancak gerçek zamanlı hesaplama ihtiyacı olduğunda, sabit mimariler ardışık gelen karelerin üzerinde koşması gereken algoritmayı gerekli zaman aralığında çalıştıramayacak ve sistem gerçek zamanlı özelliğini yitirecektir. FPGA üzerinde koşacak olan algoritmanın en fazla kazanç sağlayabilmesi, algoritmadaki akışta ne kadar paralel işlem yapmaya müsait olduğu ile doğru orantılıdır. Bu çalışmada bir görüntü işleme sistemi iskeleti sunulmaktadır. Görüntü işleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılan ortanca, gauss, sobel gibi filtrelerin donanım uygulamaları gerçeklemesi yapılmıştır. Bu sistem hem FPGA hem de işlemci ile birlikte çalışan heterojen bir yapıdadır. Sistem, işlemci ile işlenecek olan görüntünün ve hangi algoritma koşacağının bilgilerini FPGA'e aktarır, FPGA üzerinde işlenmiş olan görüntü, işlemciye geri aktarılmaktadır. Tasarımın bu yapıda olması sistemin yeniden kullanılabilirliğini arttırmakta ve başka sistemler için altyapı özelliği taşımaktadır. Tezde kullanılan UDP, ARP, DHCP protokolleri, HDMI yakalama ve aktarım yöntemi, EDID veri akışı gibi yapıların detayları paylaşılmıştır. Tasarımda verilen modüllerin çalışma prensipleri hakkında detaylıca bilgi verilmiştir. Bu bilgiler referans alındığında, verilen modüllerin diğer sistemlere entegrasyon hızı artacaktır. Bu çalışma üzerinde Xilinx Spartan6 serisi LX-45 modeli FPGA bulunan Digilent firmasının Atlys FPGA geliştirme kartı kullanılarak bir görüntü işleme sistemi geliştirilmiştir. Geliştirme kartının üzerinde dahili olarak bulunan HDMI, Ethernet ve DRAM arayüzleri kullanılmıştır. Sistemin akışında öncelikle HDMI portu üzerinden alınan yüksek çözünürlüklü görüntü, görüntü işleme modülüne aktarımı gerçekleştirilmektedir. Görüntü işleme modülünden çıkan veriler, görüntü sıkıştırma modülüne aktarılmaktadırlar. Görüntü sıkıştırma, görüntünün işlemciye aktarılması esnasında daha az bant genişliği kullanması için önemlidir. Bu işlemden sonra sıkıştırılmış görüntünün DRAM üzerinde tamponlanma işlemi gerçekleşmektedir. Son aşamada ise görüntü Ethernet modülü üzerinden işlemciye aktarım sağlanmaktadır. İşlemci tarafında ise geliştirilen .Net uygulaması ile görüntünün alınması, ekrana gösterilmesi ve FPGA üzerinde koşacak algoritmanın seçilebildiği bir arayüz kullanıcıya sunulmuştur. Geliştirilen sistem üzerinde farklı filtreler uygulanarak performansı ölçülmüştür. Bu ölçümler Matlab, OpenCV ve GPU üzerinde gerçeklenen uygulamaların performansları geliştirilen sistemin performansı ile karşılaştırılarak sistemin başarımı gösterilmiştir.

Benzer Tezler

  1. Yeniden yapılandırılabilir hesaplama tabanlı çok kullanıcılı işletim sistemi

    Reconfigurable computing based multi-user operating system

    TANER GÜVEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SUHAP ŞAHİN

  2. Kaos tabanlı gerçek rasgele sayı üreteci tasarımı ve fpga ortamında video şifreleme uygulaması

    Chaos based true random number generator design and video encryption application in fpga environment

    ESRA İNCE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA TÜRK

  3. Gerçek zamanlı bir görüntü işleme sisteminin model tabanlı olarak tasarlanması

    Model based implementation of a real-time image processing system

    MUSTAFA YUSUF DEMİRCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL YABANOVA

  4. An efficient H.264 intra frame coder hardware design

    Etkin bir H.264 intra çerçeve kodlayıcı donanım tasarımı

    ESRA ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İLKER HAMZAOĞLU

  5. H.264 intra frame coder system design

    H.264 çerçeve içi kodlama sistemi tasarımı

    ÖZGÜR TAŞDİZEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    YRD. DOÇ. DR. İLKER HAMZAOĞLU