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hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
FPGA-Anwendung in der digitalen Bildverarbeitung
Beitrag aus der HAW Hamburg.
20.03.2002
Im Hause R. Bosch Stuttgart Feuerbach.
Abteilung VT-ATMO EKE21
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hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Vorstellung
• 13 Fachbereiche der HAW Hamburg; gegr. 1970
• 14000 Studierenden in 27 Studiengängen
• 471 Professorinnen und Professoren
• Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Berliner Tor 3 1.940 Studierende 69 Professoren, 64 Mitarbeiter 5 Studiengänge: Informatik - Technische Informatik -
Automatisierungs-, Kommunikations- und
Informationstechnik - Information Engineering -
Europäischer Studiengang
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hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Inhalt
• Schwerpunkte in der Digitaltechnik-Ausbildung
• Hardware-Plattformen
• Ziele der Hardware-Anwendungen
• Entwurfsbeispiele aus Projekten und Diplomarbeiten
• Implementierung einer Laplace-Filterung Nachbarschaftsoperationen - Pixeladressierung Datenpfad mit Pipelining Timing-Schema der Laplace-Pipeline Steuerautomat Implementierungskennwerte
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hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Digitaltechnik Ausbildung
• Entwurf digitaler Funktionsblöcke als Prozessorelement Pipelining der Arithmetikstufen Resource Sharing mit Übertaktung
• Modellierung mit synthesefähigem VHDL-Code
• Implementierung mit Xilinx CPLDs und FPGAs
• Verifikation mit Backannotation-Simulation
• Messtechnische Analyse an den Hardware-Schnittstellen
• Ergebnisvergleich mit Matlab-Referenzen
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Hardware-Plattformen
IPU 2MicroEnable
PCI
4044XLA
2 MBSRAM
CCD-Interface
DSPKatana
LPT/PCI
2 MBSRAM
Codec12 Bit
Virtex 300
XS95/XS40XST-1
LPT
µC8032
32 kB SRAM
95108/4010XL
Codec20 Bit
IPU 1
512 kBSRAM
PAL22V10
4013E
ISA
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Ziele der Hardware-Anwendungen
• Ausbildungsstufen vom 2. Semester bis zum 2. Jahr der Masterkurse werden mit zunehmender Hardware-Komplexität unterstützt.
• Zu implementierende Funktionen basieren auf Inhalten von Lehrveranstaltungen: Nachrichtentechnik, Signalverarbeitung, Bildverarbeitung, Datenübertragung,
• Mathematisch basierte Themen werden in praxisnahen Anwendungen vertieft.
• Hardware-Bezug betont elektrotechnische Aspekte.• Messtechnik wird mit analytischer Vorhersage gekoppelt.
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Entwurfsbeispiele
• UART-Interface: CPLD µC8032 Terminal• CISC- u. RISC-Prozessor-Modelle• Bildverarbeitung: Kontrastverstärkung
Rauschunterdrückung - Kantenverstärkung
Segmentierung• Signalverarbeitung:Audio-Codec-Interface
FIR-Filter Implementierungsvarianten• Quellen- und Kanalcodierung: Huffman-Decoder
Viterbi-Decoder mit Traceback
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FPGA-Prozessor
ALGORITHMUS:Nachbarschafts-operationen/Transformations- LUTs FSM-Controller RAMCOM: Multiplexer mit Tristate-Treibern
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Grauwertäqualisation
Absolutes Histogramm
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1 917 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97
105
113
121
129
137
145
153
161
169
177
185
193
201
209
217
225
233
241
249
Grauwert
Häufigkeit
Reihe1
Histogramm des transformierten Bildes
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105
113
121
129
137
145
153
161
169
177
185
193
201
209
217
225
233
241
249
Grauwert
Häufigkeit
Reihe1
Schwarz Grau WeißSchwarz Grau Weiß
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Kontrastverstärkung
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Transformationskennlinie ErgebnisKumulatives Histogramm
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Grauwert
Summierte Häufigkeit
Reihe1
Transformationskennlinie
0
50
100
150
200
250
300
x
y(x)
Reihe1
x
kB kH
Cxy
0
)(1
)(
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Median-Filterung
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Laplace-Filterung
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Implementierung einer Laplace-Filterung
Lokale Nachbarschaftsoperationen Pixeladressierung Datenpfad mit PipeliningTiming-Schema der Laplace-PipelineSteuerautomat Implementierungskennwerte
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Lokale Nachbarschaftsoperationen
Strukturierendes Element:
Laplace-Operator
0 1 2 3 4 5 6 70
12
34
56
7
0 1 2 3 4 5 6 70
12
34
56
7
Eingangsbild
Strukturelement
Ergebnisbild
M11 M12 M13
M21 M22 M23
M31 M32 M33
O m,n
I m,n
010
141
010
L1
Om,n = I m,n - I‘‘
m,n
m
m
n
n
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Pixeladressierung in 4 SRAM-BlöckenGraustufenbild32 Pixel a 1Byte
24 25 26 27 28 29 30 31
16 17 18 19 20 21 22 23
8 9 10 11 12 13 14 15
0 1 2 3 4 5 6 7
SRAMRAM 21 Byte
RAM 11 Byte
RAM 01 Byte
3
7
11
15
19
23
27
31
2
6
10
14
18
22
26
30
1
5
9
13
17
21
25
29
0
4
8
12
16
20
24
28
Adresse 0
Adresse 1
Adresse 2
Adresse 3
Adresse 4
Adresse 5
Adresse 6
Adresse 7
RAM 31 Byte
Anwender_Entity
RAMCOM
BV-Algorithmus
Multiplexer
11
10
01
00
ADDRESS-COUNTER
CONTROL
8 B
it
CS(0)CS(1)CS(2)CS(3)
32 BitTransfer
SEL
c_address(1:0)
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Laplace-Filter ohne Pipelining
P13 P12 P11 P23 P22 P21 P33 P32 P31
* * * * * * * * *
+ +
+
+
++
+
+
RESULT
Zeile 3Zeile 2Zeile 1
M13 M12 M11 M23 M22 M21 M33 M32 M31
P1 P2 P3Spalte n
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Laplace-Filter mit Pipelining (1)
ADD2
ADD1
* * * * * * * * *
+ + +
++ +
P13 P23 P33
Spalte n+1
Spalte n+2
+
+
RESULT
Z1Z2
Z2bZ3b
Z3c
Z3
Spalte n
Stufe 3
Stufe 2
Stufe 1
M13 M23 M33 M12 M22 M32 M11 M21 M31
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8
-
8
8
"00""00"
Z2b
Z2
11
Z3b
Z13
8
8
Z3c
8
11
8
11 8
TEMP4
TEMP1
TEMP2
TEMP3
ADD1
Begrenzung
8
RESULT
Registerebene 1
11
+
-"000"
P13 P33 P23 Spalte n
DEMUX
8 D_IN
READ_DATA
SEL[1:0]
EN_REG
'0''0'
'0''0'
'0'
"00"
REG 1
9
REG 2
8
REG 4
REG6
REG 3
9
11 9
11
REG 7
11
8
9
REG 5
8
8
REG 8
11
REG 9
8
Registerebene 2
Registerebene 3
Registerebene 4
Registerebene 5
Registerebene 6
Registerebene 7
Registerebene 8
+
+
I = P2nI''
O = I - I''
M12 M32
M22
M21 M23
Mittlere Spalte
Mittlere Zeile
Laplace-Filter mit vollständigem Pipelining (2)
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Timing-Schema der Laplace-Pipeline
column_counter
17
16
1521
1
1
1
1
1
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
15 17
17 18 28 29 30
xx
xx
xx
xx
xx
xx
32
32
32
xx25242322212019181716151413121110987654321
1
REGISTEREBENE
Anlaufverhalten derPipeline
Normalbetrieb LeerlaufenReihen-wechsel
Normalbetrieb
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 23
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 22
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
2
21
20
19
23
22
21
20
3
2
4
3
5
4
6
5
7
6
8
7 8
9 10
9
11
10
12
11
13
12
14
13
15
14
16
16
18
18
19
19
20
31
xx
xx
xx
xx
xx
30
29
31
30 31
1
2
3
4
5
6
7
8
5431 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1312 14 15 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9
count
count
16 PIXEL
Laplace-Matrix
6 P
IXE
L zu bearbeitendesBild
3220 21 2217 18 19 23 24 25 26 27 28 29 30 31
164 5 61 2 3 7 8 9 10 11 12 13 14 15
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Zustandsdiagramm des SteuerautomatenPON
_____algo_start
_____fstep
fstep
ROW_BEGIN
READREGS
0 0 0 0 00 00 0 0 1 0 0
INCADR2
0 0 0 0 00 00 0 0 0 1 0
X
X
X
ALGO2_STOP
0 0 0 00 00 0 0 0 0 1
median_ready
__________median_ready
D0
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
PRD
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
X
RESET
1 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
algo_start
SLEEP
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
A0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
X
X
X
X
A1
0 0 0 0 01 00 0 0 0 0 0
A2
0 0 0 0 10 00 0 0 0 0 0
W0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
D1
0 0 0 0 00 01 1 0 0 0 0
D2
0 0 0 0 00 10 1 0 0 0 0
X
X
X
X
__________ROW_BEGIN
_____P_END
P_END
PRD_2
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
W0_2
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
A2_2
0 0 0 0 10 00 0 0 0 0 0
A1_2
0 0 0 0 01 00 0 0 0 0 0
A0_2
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
INCADR
0 0 0 0 00 00 0 0 0 1 0
X
X
X
X
X
X
PIXWRITE
0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0
READREG
0 0 0 0 00 00 0 0 1 0 0
D0_2
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
D1_2
0 0 0 0 00 01 1 0 0 0 0
X
X
D2_2
0 0 0 0 00 10 1 0 0 0 0
X
LAST_PIX
0 0 0 1 00 00 0 0 1 0 0
LAST_WRITE
0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0
ALGO2
0 1 1 0 00 00 0 1 0 0 0
WD
0 0 0 0 00 00 0 1 0 0 0
X
Zustand
RESET_ALL, reset_median_ac, reset_median_cc, set_median_ready, SEL, W_SEL, READ,WRITE, EN_REG, ADR_COL_COUNT, algo_ready
algo_start, ROW_BEGIN, P_END, fstep, median_ready
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Implementierungskennwerte
Gesamtsystem Verarbeitungs-takte pro Bild
maximale Betriebsfrequenz
maximale Datenpfadfreq.
(Median)
Verarbeitungszeit pro Bild
Median8 stufig
2 047 116 32 MHz 40,5 MHz 63,9 ms
Median/Laplace10/8 stufig
3 070 141 43,4 MHz 54.7 MHz 70.7 ms
Differenz relativ +49,97 % +35,41 % +35,06% +10,64%
Gesamtsystem Anzahl der Flip Flops
Anzahl der Gatter -
Äquivalente
Implementierungs-zeit mit F2.1i
Median8 stufig
354 6973 ca. 46 Min.
Median/Laplace10/8stufig
775 11007 ca. 12 Min.