Neighborhood - Adaptable Processor for Multi - Processing

Abstract

Tato práce se zabývá implementací základních morfologických filtrů v číslicových obvodech. Hlavním úkolem této práce je vytvořit programovatelné a efektivní číslicové implementace základních morfologických operátorů za použití výpočetně efektivních algoritmů. Důležitým hlediskem je chování celé aplikace složené z více operátorů. V první části jsou prostudovány existující algoritmy základních morfologických operátorů a jejich realizace na vhodných výpočetních platformách. Z existujících algoritmů se pro implementaci dilatace jako nejvhodnější jeví algoritmy využívající paměť fronty. Důvodem jsou vhodné vlastnosti pro číslicové obvody, sekvenční přístup k datům a minimální latence. Posléze navrhneme a popíšeme vlastní algoritmus morfologického otevření využívající stejnou paměť fronty, který umožňuje výpočet pod libovolným úhlem a přímý výpočet granulometrie. Výkonnostní parametry obou dvou algoritmů jsou zde diskutovány. Druhá část obsahuje popis obvodové implementace těchto algoritmů ve formě výpočetních jednotek. Napřed vytvoříme 1-D jednotku dilatace, pomocí které díky rozložitelnosti dilatace vytvoříme 2-D jednotku dilatace pomocí obdélníků a polygonů. Návrh výpočetní jednotky algoritmu orientovaného otevření a spektra vzorů je také uveden v této části. Abychom dosáhli vyššího výpočetního výkonu, použijeme metodu paralelního výpočtu, která využívá několika kopií použitých výpočetních jednotek pracujících ve stejném čase. Všechny navržené výpočetní jednotky byly experimentálně ověřeny v číslicových obvodech typu FPGA, výsledky výpočetního výkonu a potřebné plochy čipu jsou diskutovány. Ve třetí části jsou navržené výpočetní jednotky použity ve dvou různých aplikacích, čímž ilustrují svoji využitelnost v embedded aplikacích vyžadujících velmi velký výpočetní výkon a zároveň nízkou spotřebu. Hlavní přínosy této práce jsou následující: 1) vlastní algoritmus morfologického otevření a spektra pod libovolným úhlem, 2) číslicová implementace základních morfologických operátorů filtrů s velkými a libovolně orientovanými strukturujícími elementy, 3) zvýšení výpočetního výkonu díky víceúrovňovému paralelnímu výpočtu. Dosažené výsledky ukazují, že výpočet těchto náročných operátorů v reálném čase, kterého dosud nebylo možné docílit, je nejen dosažitelný ale i udržitelný pro dlouhé zřetězené filtry a vysoké rozlišení zpracovávaných obrazů.