FPGA üzerinde görüntü işleme algoritmalarının gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmesi

Abstract

Son yıllarda yoğun çalışma yapılan alanlardan birisi olan görüntü işleme, birçok mühendislik alanında başarıyla kullanılmaktadır. Görüntü işleme, girişleri ve çıkışları görüntüler olan işlemleri ve ayrıca bu görüntülerden öznitelikleri çıkartan süreçleri kapsamaktadır. Bu süreçlere, bölütleme, morfolojik işlemler, kenar bulma, köşe bulma ve filtreleme gibi işlemler örnek olarak verilebilir. Bu işlemler için kullanılan Resim veya görüntüler piksellerden oluşmaktadır. Bir VGA (Video Graphics Array (Video Grafik Dizisi)) aracılığı ile aktarılan 640x480 piksel boyutundaki bir görüntü üzerinde işlem yapılabilmesi için 307,200 adet verinin hesaplanması gerekmektedir. Görüntü kalitesi veya boyutu arttığında işlem hacmi de büyümektedir. Bu işlemlerin gerçek zamanlı yapılabilmesi için yüksek hızlı ve paralel işlem yapabilen sayısal platformlara ihtiyaç duyulmaktadır. Sunulan bu çalışmada, köşe algılama algoritmalarından FAST (Features from Accelerated Segment Test (Hızlandırılmış Segment Testinden Özellikler)) ve Harris köşe algılama algoritmaları, kenar bulma algoritmalarından Sobel kenar bulma algoritması, morfolojik işlem algoritmalarından yayma ile aşındırma yöntemleri ve renk değiştirme algoritması FPGA (Field Programmable Gate Array (Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri)) çipleri üzerinde çalışmak üzere gerçek zamanlı olarak tasarlanmıştır. Tasarlanan gerçek zamanlı görüntü işleme algoritmalarında Xilinx Vivado Design Suite HLx kullanılmıştır. Gerçek zamanlı görüntüler HDMI (High Defination Multimedia Interface (Yüksek Çözünürlüklü Çoklu- Ortam Arayüzü)) aracığıyla kameradan alınmıştır. Alınan gerçek zamanlı görüntü verilerinin FPGA üzerinde işlenebilmesi için VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (Çok Yüksek Hızlı Tümleşik Devre Donanımı Tanımlama Dili)) kullanılmıştır. Yapılan tüm tasarımlar Xilinx Zybo Z7-20 kartı üzerinde gerçeklenmiştir. FPGA-tabanlı tasarımların sonuçlarından elde edilen görüntü verileri HDMI aracılığıyla monitöre aktarılmıştır. Xilinx Zybo Z7-20 FPGA kartı üzerinde çalışmak üzere tasarımı yapılan gerçek zamanlı görüntü işleme algoritmalarından elde edilen sonuçlar sunulmuştur.

Image processing, which has been one of the areas of intensive work in recent years, has been successfully used in many engineering fields. Image processing includes processes whose inputs and outputs are images, as well as processes that extract attributes from these images. Examples of these processes are segmentation, morphological operations, edge finding, corner finding and filtering. The pictures or images used for these operations consist of pixels. 307,200 pieces of data need to be calculated in order to be able to process an image of 640x480 pixels, which is transferred via a VGA (Video Graphics Array). As image quality or size increases, the transaction volume also increases. In order to carry out these transactions in real time, digital platforms that can perform high speed and parallel transactions are required. In this study presented, FAST (Features from Accelerated Segment Test) and Harris corner detection algorithms, Sobel algorithm from edge detection algorithms, spreading and erosion methods from morphological processing algorithms, and color changing algorithm FPGA (Field Programmable It is designed to run on Gate Array (Field Programmable Gate Arrays) chips in real time. Xilinx Vivado Design Suite HLx was used in the designed real time image processing algorithms. Real-time images were taken from the camera via HDMI (High Definition Multimedia Interface). VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) was used to process the real-time image data received on FPGA. All the designs were implemented on the Xilinx Zybo Z7-20 card. Image data obtained from the results of FPGA-based designs were transferred to the monitor via HDMI. The results obtained from real-time image processing algorithms designed to work on Xilinx Zybo Z7-20 FPGA board are presented.