Σχεδίαση και υλοποίηση VLSI αρχιτεκτονικών με χρήση σύνθεσης υψηλού επιπέδου για ανίχνευση ακμών σε ψηφιακές εικόνες

• Κύριος συγγραφέας: Μακρής, Δημήτριος
• Άλλοι συγγραφείς: Makris, Dimitrios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Ανίχνευση ακμών; Σύνθεση υψηλού επιπέδου; Μοτίβα στένσιλ; FPGA; HLS; Edge detection; VLSI; Stencils

Η ανίχνευση ακμών αποτελεί ένα θεμελιώδες εργαλείο της ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας για εξαγωγή χαρακτηριστικών. Οι ασυνέχειες στην φωτεινότητα μίας εικόνας μπορούν να υποδείξουν χαρακτηριστικά βάθους, προσανατολισμού και εντοπισμό προσώπων και αντικειμένων. Η διαδικασία της ανίχνευσης ακμών περιλαμβάνει πληθώρα μαθηματικών υπολογισμών που συνήθως γίνονται με μοτίβα στένσιλ. Σύνθετοι στένσιλ υπολογισμοί περιέχουν πολλά στάδια και επαναλήψεις σε συνδυασμό με περίπλοκες εξαρτήσεις μεταξύ των δεδομένων, που οδηγούν σε μεγάλες ανάγκες για μνήμη και προκλήσεις λόγω συμφόρησης. Συχνά, οι πυρήνες στένσιλ εκτελούνται σε πλατφόρμες με Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) με τη βοήθεια εργαλείων σύνθεσης υψηλού επιπέδου (High Level Synthesis - HLS). Τα εργαλεία αυτά έχουν διευκολύνει το σχεδιασμό τέτοιου είδους κυκλωμάτων αφού προσφέρουν δυνατότητες μετάφρασης γλωσσών υψηλού επιπέδου σε παραλληλοποιημένα μοντέλα σε επίπεδο μεταφοράς καταχωρητή. Σε αυτή την εργασία, προτείνονται καινοτόμοι αρχιτεκτονικές επιτάχυνσης που βασίζονται σε δύο δημοσιεύσεις. Αναλύονται δύο Αρχιτεκτονικές Αναφοράς, μία που χρησιμοποιεί το φίλτρο Sobel (ΑΑS) και μία που εκτελεί τον αλγόριθμο πολλαπλών σταδίων Canny (AAC), που αποτελούν την πιο απλή υλοποίηση των αλγορίθμων. Ένας πιο σύνθετος σχεδιασμός είναι η Αρχιτεκτονική Μονής Αλυσίδας (ΑΜΑ), που επεκτείνεται στην Αλληλουχία Αρχιτεκτονικών Μονής Αλυσίδας με Ροή δεδομένων (ΑΑΜΑΡ) με την σύνδεση πολλών σταδίων ΑΜΑ στη σειρά. Η ΑΜΑ χρησιμοποιεί μνήμη με μη ομοιόμορφα διαμερισμό σε συνδυασμό με τεχνικές επαναχρησιμοποίησης δεδομένων που αποθηκεύει στοιχεία εικόνων στο τσιπ μόνο για όσο χρειάζονται για τους υπολογισμούς. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτυγχάνει την ελάχιστη χρήση της μνήμης που υπάρχει εσωτερικά του chip και τις ελάχιστες προσπελάσεις στη μνήμη εκτός τσιπ. Βασισμένη στην ανάπτυξη της ΑΜΑ η Αρχιτεκτονική Πολλαπλών Αλυσίδων (ΑΠΑ) είναι η επόμενη αρχιτεκτονική που προτείνεται και μπορεί να επεκταθεί στην Αλληλουχία Αρχιτεκτονικών Πολλαπλών Αλυσίδων με Ροή δεδομένων (ΑΑΠΑΡ) με την σύνδεση πολλών σταδίων ΑΠΑ στη σειρά. H ΑΠΑ, όχι μόνο επιτυγχάνει να χρησιμοποιεί την ελάχιστη μνήμη μέσα στο τσιπ, αλλά συνδυάζει και χωρική παραλληλία υπολογίζοντας πολλά αποτελέσματα ταυτόχρονα. Οι αρχιτεκτονικές ΑΜΑ και ΑΠΑ βρίσκουν ακμές χρησιμοποιώντας το φίλτρο Sobel και οι αρχιτεκτονικές ΑΑΜΑΡ και ΑΑΠΑΡ βρίσκουν ακμές χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Canny. Για τις πειραματικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε η πλακέτα με όνομα xcvu35p-fsvh2892-3-e της οικογένειας Virtex Ultrascale+ HBM από την AMD Xilinx. Μέσα από τα αποτελέσμα της σύνθεσης των αρχιτεκτονικών η ΑΠΑ με 10 αλυσίδες ήταν η πιο γρήγορη αρχιτεκτονική. Κάθε αρχιτεκτονική που προτείνεται βελτιώνει την απόδοση των αρχιτεκτονικών αναφοράς. Επίσης, όλες οι αρχιτεκτονικές ευνοούνται όσο μεγαλώνει η ανάλυση εικόνας εισόδου, αφού με πολύ μικρή αύξηση στους πόρους που χρησιμοποιούν, προσφέρουν μεγάλη αύξηση στην απόδοση της εφαρμογής. Για την αρχιτεκτονική ΑΜΑ, έγινε όλη η απαραίτητη διαδικασία ώστε να υλοποιηθεί σε υλικό σε μία πλακέτα zc702 της οικογένειας Zynq-7000 της AMD Xilinx.