PowerPoint-Präsentation

hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
FPGA-Anwendung in der digitalen Bildverarbeitung
Beitrag aus der HAW Hamburg.
20.03.2002
Im Hause R. Bosch Stuttgart Feuerbach.
Abteilung VT-ATMO EKE21
1
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
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
2
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
3
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
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
4
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Hardware-Plattformen
IPU 2
XS95/XS40
XST-1
IPU 1
95108/
4010XL
4013E
4044XLA
Virtex
300
µC8032
512 kB
SRAM
2 MB
SRAM
2 MB
SRAM
PAL22V10
CCDInterface
Codec
12 Bit
ISA
PCI
LPT/PCI
32 kB
SRAM
MicroEnable
Codec
20 Bit
LPT
DSP
Katana
5
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
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.
6
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
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
7
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
FPGAProzessor
ALGORITHMUS:
Nachbarschaftsoperationen/
TransformationsLUTs
FSM-Controller
RAMCOM:
Multiplexer mit
Tristate-Treibern
8
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Grauwertäqualisation
Absolutes Histogramm
Histogramm des transformierten Bildes
Häufigkeit
2000
2000
1800
1800
1600
1600
1400
1400
1200
1200
Grau
249
241
233
225
217
209
201
193
185
177
169
161
153
145
137
129
121
113
97
105
89
81
Grauwert
Grauwert
Schwarz
73
65
57
49
41
33
25
9
249
241
233
225
217
209
201
193
185
177
169
161
153
145
137
129
121
113
97
105
89
81
0
73
0
65
200
57
200
49
400
41
400
33
600
25
600
9
800
17
800
1
Reihe1
1000
17
Reihe1
1000
1
Häufigkeit
Weiß
Schwarz
Grau
Weiß
9
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Kontrastverstärkung
10
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Transformationskennlinie
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Ergebnis
1 x
y ( x)    H B (k )
C k 0
11
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Median-Filterung
12
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Laplace-Filterung
13
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Prof. Dr. B. Schwarz
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Implementierung einer Laplace-Filterung
 Lokale Nachbarschaftsoperationen
 Pixeladressierung
 Datenpfad mit Pipelining
 Timing-Schema der Laplace-Pipeline
 Steuerautomat
 Implementierungskennwerte
14
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Lokale Nachbarschaftsoperationen
0
1
2
3
4
5
6
7
n
Strukturierendes
Element:
Laplace-Operator
0
m
1
2
3
4
Eingangsbild
5
6
7
I m,n
Strukturelement
M11
M12 M13
M21 M22 M23
M31 M32 M33
0
1 0
L1  1 - 4 1
0
1
0
S
0
1
2
3
n
4
5
6
Om,n = I m,n - I‘‘ m,n
7
0
m
3
4
5
6
7
1
2
Ergebnisbild
Om,n
15
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Pixeladressierung in 4 SRAM-Blöcken
Graustufenbild
32 Pixel a 1Byte
Anwender_Entity
RAMCOM
ADDRESSCOUNTER
c_address(1:0)
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
32 Bit
Transfer
Multiplexer
11
SEL
10
RAM 2
1 Byte
RAM 1
1 Byte
RAM 0
1 Byte
SRAM
3
2
1
0
Adresse 0
01
7
6
5
4
Adresse 1
00
11
10
9
8
Adresse 2
15
14
13
12
Adresse 3
19
18
17
16
Adresse 4
23
22
21
20
Adresse 5
27
26
25
24
Adresse 6
8 Bit
CONTROL
RAM 3
1 Byte
BVAlgorithmus
31
30
CS(3)
29
CS(2)
28
CS(1)
Adresse 7
CS(0)
16
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Laplace-Filter ohne Pipelining
P1
P2
P3
Spalte n
Zeile 1
P13
Zeile 2
P12
* M13
*
P11
M12
*
P23
M11
P22
* M23
+
Zeile 3
P21
* M22
P33
* M21
* M33
+
P31
* M32
* M31
+
+
+
P32
+
+
+
RESULT
17
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Laplace-Filter mit Pipelining (1)
Spalte n+2
Spalte n+1
P13
*
M13
* M23
*
M33
* M12
+
P33
P23
* M22
Spalte n
* M32
*
M11
+
*
M21
M31
+
+
+
+
Stufe 1
Z3
Z2
Z1
Stufe 2
Z3b
Z2b
Stufe 3
Z3c
ADD1
*
+
ADD2
+
RESULT
18
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
8
D_IN
DEMUX
SEL[1:0]
READ_DATA
Laplace-Filter mit
vollständigem
Pipelining (2)
P13
M12
'0'
P33
8
'0'
8
Spalte n
P23
M32
+
8
TEMP1
9
REG 1
EN_REG
REG 2
Registerebene 1
8
9
'0'
"00"
8
"00"
M22
Mittlere Spalte
ADD1
11
Registerebene 2
Z13
Z2
8
11
8
Z2b
Z3b
Registerebene 3
8
8
Z3c
11
M21'0'
8
'0'
M23
Registerebene 4
TEMP2
Mittlere Zeile
+
9
REG 3
REG 5
REG 4
11
"00"
9
Registerebene 5
+
11
I''
8
TEMP3
REG6
REG 7
I = P2n
11
Registerebene 6
8
"000"
TEMP4
11
O = I - I''
REG 8
Registerebene 7
11
Begrenzung
8
REG 9
8
RESULT
Registerebene 8
19
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Timing-Schema der Laplace-Pipeline
Laplace-Matrix
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16
zu bearbeitendes
Bild
6 PIXEL
1
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
16 PIXEL
column_counter
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3
4
5
count
REGISTER
EBENE
Anlaufverhalten der
Pipeline
8
Normalbetrieb
Reihenwechsel
Normal
betrieb
Leerlaufen
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
28
29
30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
30
31
32
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
31
32
xx
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
32
xx
xx
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
xx
xx
xx
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
xx
xx
xx
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
xx
xx
xx
7
6
5
4
3
2
1
1
count
20
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Zustandsdiagramm des Steuerautomaten
PON
RESET
INCADR
1 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 1 0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
0 0 0 1 00 00 0 0 1 0 0
_____
P_END
X
SLEEP
LAST_PIX
P_END
_____
algo_start
algo_start
X
A0_2
LAST_WRITE
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0
X
X
A0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
A1_2
ALGO2
0 0 0 0 01 00 0 0 0 0 0
0 1 1 0 00 00 0 1 0 0 0
X
X
A1
0 0 0 0 01 00 0 0 0 0 0
median_ready
A2_2
PRD_2
0 0 0 0 10 00 0 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
X
X
__________
median_ready
X
A2
W0_2
0 0 0 0 10 00 0 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 0
D0_2
X
ALGO2_STOP
0 0 0 00 00 0 0 0 0 1
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
X
X
D1_2
W0
0 0 0 0 00 01 1 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 0
X0 0 0 0
X
X
D2_2
PRD
0 0 0 0 00 10 1 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
X
X
D0
ROW _BEGIN
0 0 0 0 00 00 1 0 0 0 0
READREG
0 0 0 0 00 00 0 0 1 0 0
X
__________
ROW _BEGIN
X
D1
INCADR2
PIXWRITE
0 0 0 0 00 01 1 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 0 0 0 1 0
_____
fstep
0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0
X
D2
READREGS
0 0 0 0 00 10 1 0 0 0 0
0 0 0 0 00 00 0 0 1 0 0
X
X
fstep
Zustand
RESET_ALL, reset_median_ac, reset_median_cc, set_median_ready, SEL, W_SEL, READ,
WRITE, EN_REG, ADR_COL_COUNT, algo_ready
WD
0 0 0 0 00 00 0 1 0 0 0
algo_start, ROW_BEGIN, P_END,
fstep, median_ready
21
hochschule für angewandte wissenschaften hamburg
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Prof. Dr. B. Schwarz
Implementierungskennwerte
Gesamtsystem
Verarbeitungstakte pro Bild
maximale
Betriebsfrequenz
maximale
Datenpfadfreq.
(Median)
Verarbeitungszeit
pro Bild
Median
8 stufig
2 047 116
32 MHz
40,5 MHz
63,9 ms
Median/Laplace
10/8 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
Implementierungszeit mit F2.1i
Median
8 stufig
354
6973
ca. 46 Min.
Median/Laplace
10/8stufig
775
11007
ca. 12 Min.
22