Neighborhood - Adaptable Processor for Multi - Processing

Ing. Jan BARTOVSKÝ

Doctoral thesis

Hardware Architectures for Morphological Filters with Large Structuring Elements

Abstract:

This thesis is focused on implementation of fundamental morphological filters in the dedicated hardware. The main objective of this thesis is to provide a programmable and efficient implementation of basic morphological operators using efficient dataflow algorithms considering the entire application point of view. In the first part, we study existing algorithms for fundamental morphological operators and their implementation on different computational platforms. We are especially interested in algorithms using the queue memory because their implementation provides the sequential data access and minimal latency, the properties very beneficial for the dedicated hardware. Then we propose another queue-based arbitrary-oriented opening algorithm that allows for direct granulometric measures. Performance benchmarks of these two algorithms are discussed, too. The second part presents hardware implementation of the efficient algorithms by means of stream processing units. We begin with a 1-D dilation unit, then thanks to the separability of dilation we build up 2-D rectangular and polygonal dilation units. The processing unit for arbitrary-oriented opening and pattern spectrum is described as well. We also introduce a method of parallel computation using a few copies of processing units in parallel, thereby speeding up the computation. All proposed processing units are experimentally assessed in hardware by means of FPGA prototypes, and the performance and FPGA occupation results are discussed. In the third part, the proposed units are employed in two diverse applications illustrating thus their capability of addressing performance-demanding, low-power embedded applications. The main contributions of this thesis are: 1) new algorithm for arbitrary-oriented opening and pattern spectrum, 2) programmable hardware implementation of fundamental morphological operators with large structuring elements and arbitrary orientation, 3) performance increase obtained through multi-level parallelism. Results suggest that the previously unachievable, real-time performance of these traditionally costly operators can be attained even for long concatenations and high-resolution images.

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.

Keywords

Matematická morfologie, morfologický filtr, obvodová implementace, algoritmus, FPGA.

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 10. 2012

Zverejniť od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 14. 11. 2012
• Vedúci: Doc. Dr. Ing. Vjačeslav Georgiev

University of West Bohemia

Fakulty of Electrical Engineering

Doctoral programme / odbor:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics