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Ing. Luis Manuel Garcés SocarrásTutores: Dr. Santiago Sánchez Solano Dra. Piedad Brox Jiménez Dr. Alejandro José Cabrera SarmientoTesis en opción al grado de Máster en Sistemas Digitales
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Aceleración de Algoritmos Mediante HardwareReconfigurable
Biblioteca de Procesamiento de Imágenes para System Generator
Ing. Luis Manuel Garcés Socarrás
Tutores:Dr. Santiago Sánchez SolanoDra. Piedad Brox Jiménez
Dr. Alejandro José Cabrera Sarmiento
Tesis en opción al grado de Máster en Sistemas Digitales
Garcés Socarrás, Luis M. lmgarcess@electrica.cujae.edu.cu Biblioteca de Procesado de Imágenes XSGImgLib
MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Índice
1 MotivaciónProcesado de imágenes con FPGADiseño Teórico
2 Biblioteca de Procesado de Imágenes XSGImgLibFlujo de diseño con XSGBloques de procesadoProcesado de imágenes con XSGImgLib
Garcés Socarrás, Luis M. lmgarcess@electrica.cujae.edu.cu Biblioteca de Procesado de Imágenes XSGImgLib
MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
DIP con FPGADiseño Teórico
Aplicaciones del procesado de imágenes (DIP)
CarcterísticasComplejosAlto costocomputacionalEjecución entiempo real
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
DIP con FPGADiseño Teórico
Aplicaciones del procesado de imágenes (DIP)
CarcterísticasComplejosAlto costocomputacionalEjecución entiempo real
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
DIP con FPGADiseño Teórico
Realización Software vs realización Hardware (SoC)
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Conclusiones
DIP con FPGADiseño Teórico
Xilinx System Generator (XSG)
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
DIP con FPGADiseño Teórico
Objetivo
Biblioteca de procesado de imágenes de XSG1 Basada en convolución de 5×52 Arquitectura MAC de 5 píxeles de entrada3 Configuración ⇒Selección del núcleo (kernel) de convolución
ObjetivoBiblioteca de DIP en escala de grises para XSGConfigurabilidadAgregue otros tipos de procesado
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
DIP con FPGADiseño Teórico
Objetivo
Biblioteca de procesado de imágenes de XSG1 Basada en convolución de 5×52 Arquitectura MAC de 5 píxeles de entrada3 Configuración ⇒Selección del núcleo (kernel) de convolución
ObjetivoBiblioteca de DIP en escala de grises para XSGConfigurabilidadAgregue otros tipos de procesado
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Flujo de diseño con XSGSistema de procesado de imágenes
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Flujo de diseño con XSGSubsistema de entrada/salida
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Flujo de diseño con XSG para DIPSubsistema de procesado. Unidad de paralelización
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Flujo de diseño con XSG para DIPSubsistema de procesado. Unidad de procesado
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Flujo de diseño con XSG para DIPCo-simulación HW
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
XSGImgLib
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Procesado lineal de imágenesResultado del procesado lineal de imágenes
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Procesado lineal de imágenesArquitectura genérica de convolución 2D
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Procesado lineal de imágenesArquitectura específica de convolución 2D
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Comparación de arquitecturasConvolución genérica simétrica vs filtro específico
Bloque Conv. Gen. 3×3 Sim.Filtro Sobel X-Y
Optimización Área Velocidad
Slices 125 176 65
DSP48A 6 6 0
Frecuencia 136.054 MHz 181.389 MHz 361.795 MHz
Consumo de recursos
Recursos lógicos: 17%, 60%Comportamiento temporal
Filt. Vel.: 1.33 vecesFilt. Esp.: 3.20 veces
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Comparación de arquitecturasConvolución de XSG vs convolución genérica simétrica vs filtro específico
Bloque Conv. Gen. Conv. Gen. 5x5 no Sim. Filtro
Optimización XSG 5x5 Área Velocidad Smooth
Slices 381 343 543 318
DSP48A 5 25 25 0
BRAM 5 0 0 0
Frecuencia 27.211 MHz 136.054 MHz 148.214 MHz 210.970 MHz
Consumo de recursos
Recur. lógicos: 10%, 42%, 16%
Multiplicadores: 5 vecesBRAM: 5 bloques
Comportamiento temporal
Filt. Gen: 5 vecesFilt. Smooth: 7 veces
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Sistema de procesado de imágenesSegmentado de imágenes con XSGImgLib
Consumo de recursos
Recursos lógicos: 7.12%Multiplicadores: 17.26%
Comportamiento temporal
Frec. píxel: 33.612 MHzLatencia: 0.183 ms
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Sistema de procesado de imágenesSegmentado de imágenes con XSGImgLib
Consumo de recursos
Recursos lógicos: 7.12%Multiplicadores: 17.26%
Comportamiento temporal
Frec. píxel: 33.612 MHzLatencia: 0.183 ms
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Conclusiones
Flujo de diseño con XSGBloques de procesadoDIP con XSGImgLib
Sistema de procesado de imágenesResultado del segmentado de imágenes con XSGImgLib
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Conclusiones
Conclusiones
1 Paralelismo de ejecución del hardware.2 XSG como herramienta de desarrollo basada en modelos.3 XSGImgLib biblioteca con funciones básicas y
parametrizables.1 Definición matemática de la operación de convolución 2D.
1 Simetría.2 Precisión.3 Filtros específicos.
2 Algoritmos de ordenamiento.3 Operadores morfológicos.
4 XSGImgLib para el desarrollo de sistemas DIP complejos.
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Recomendaciones
Desarrollar nuevos bloques de procesado.Implementar bloques de control para las señales desincronismo de vídeo.Utilizar nuevas arquitecturas de ordenamiento.Desarrollar bloques básicos en HDL.Implementar sistema con procesador embebido.
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Conclusiones
Preguntas del oponentePregunta 1
Pregunta 1
El uso de MATLAB/Simulink con co-simulación hardware medianteXSG genera una latencia en el sistema de procesado de imágenes.¿En qué medida se corresponde esta situación si se utiliza, para elmismo proceso, un DSP y su hardware asociado?
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MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Preguntas del oponentePregunta 1
Pregunta 1
El uso de MATLAB/Simulink con co-simulación hardware medianteXSG genera una latencia en el sistema de procesado de imágenes.¿En qué medida se corresponde esta situación si se utiliza, para elmismo proceso, un DSP y su hardware asociado?
Garcés Socarrás, Luis M. lmgarcess@electrica.cujae.edu.cu Biblioteca de Procesado de Imágenes XSGImgLib
MotivaciónXSGImgLib
Conclusiones
Preguntas del oponentePregunta 1
Co-simulación HW:
Simulación temporal.
Uso DSP:
Procesado secuencial.Tiempo de instrucción.
Bloques MAC en laALU.
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Conclusiones
Preguntas del oponentePregunta 1
Co-simulación HW:
Simulación temporal.
Uso DSP:
Procesado secuencial.Tiempo de instrucción.
Bloques MAC en laALU.
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Conclusiones
Preguntas del oponentePregunta 2
Pregunta 2¿Que repercusión en el procesamiento de imágenes puede tener eluso de filtros IIR en vez de filtros FIR? ¿Reduciría la latencia delsistema esta sustitución?
Bloques de procesado XSGImgLib ⇒ basados en la definiciónmatemática.
Arquitectura totalmente paralela.
Bloque de procesado XSG ⇒ arquitectura MAC de 5 píxelesde entrada (FIR).Utilización de Filtros IIR:
Recursivo (implementación en HW).Reduce el tiempo de la operación a realizar (τop).
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Conclusiones
Preguntas del oponentePregunta 3
Pregunta 3¿Qué ventajas proporcionan los diseños de la biblioteca XSGImgLibsobre los diseños realizados mediante la programación en lenguajesHDL?
Flujo de diseño basado en modelos:
Desarrollo de sistemas DIP utilizando abstracción de HW.Flujo de diseño rápido.Herramientas para la comprobación funcional de losalgoritmos.
Flujo de diseño convencional:
Optimización de los bloques de procesado.Parametrización de los bloques de procesado.
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Conclusiones
Agradecimientos
Muchas gracias
Garcés Socarrás, Luis M. lmgarcess@electrica.cujae.edu.cu Biblioteca de Procesado de Imágenes XSGImgLib
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