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Hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 1 FPGA-Anwendung in der digitalen Bildverarbeitung.

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Präsentation zum Thema: "Hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 1 FPGA-Anwendung in der digitalen Bildverarbeitung."—  Präsentation transkript:

1 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 1 FPGA-Anwendung in der digitalen Bildverarbeitung Beitrag aus der HAW Hamburg Im Hause R. Bosch Stuttgart Feuerbach. Abteilung VT-ATMO EKE21

2 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 2 Vorstellung 13 Fachbereiche der HAW Hamburg; gegr Studierenden in 27 Studiengängen 471 Professorinnen und Professoren Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Berliner Tor Studierende 69 Professoren, 64 Mitarbeiter 5 Studiengänge: Informatik - Technische Informatik - Automatisierungs-, Kommunikations- und Informationstechnik - Information Engineering - Europäischer Studiengang

3 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 3 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

4 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 4 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

5 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 5 Hardware-Plattformen IPU 2 MicroEnabl e PCI 4044XLA 2 MB SRAM CCD- Interface DSP Katana LPT/PCI 2 MB SRAM Codec 12 Bit Virtex 300 XS95/XS40 XST-1 LPT µC kB SRAM 95108/ 4010XL Codec 20 Bit IPU kB SRAM PAL22V E ISA

6 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 6 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.

7 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 7 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

8 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 8 FPGA- Prozessor ALGORITHMUS: Nachbarschafts- operationen/ Transformations- LUTs FSM-Controller RAMCOM: Multiplexer mit Tristate-Treibern

9 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 9 Grauwertäqualisation Schwarz Grau Weiß

10 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 10 Kontrastverstärkung

11 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 11 Transformationskennlinie Ergebnis

12 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 12 Median-Filterung

13 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 13 Laplace-Filterung

14 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 14 Implementierung einer Laplace-Filterung Lokale Nachbarschaftsoperationen Pixeladressierung Datenpfad mit Pipelining Timing-Schema der Laplace-Pipeline Steuerautomat Implementierungskennwerte

15 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 15 Lokale Nachbarschaftsoperationen Strukturierendes Element: Laplace-Operator Eingangsbild Strukturelement Ergebnisbild M11M12M13 M21M22M23 M31M32M33 O m,n I L1 O m,n = I m,n - I m,n m m n n

16 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 16 Pixeladressierung in 4 SRAM-Blöcken

17 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 17 Laplace-Filter ohne Pipelining

18 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 18 Laplace-Filter mit Pipelining (1)

19 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 19 Laplace-Filter mit vollständigem Pipelining (2)

20 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 20 Timing-Schema der Laplace-Pipeline

21 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 21 Zustandsdiagramm des Steuerautomaten

22 hochschule für angewandte wissenschaften hamburg Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Prof. Dr. B. Schwarz 22 Implementierungskennwerte GesamtsystemVerarbeitungs- takte pro Bild maximale Betriebsfrequenz maximale Datenpfadfreq. (Median) Verarbeitungszeit pro Bild Median 8 stufig MHz40,5 MHz63,9 ms Median/Laplace 10/8 stufig ,4 MHz54.7 MHz70.7 ms Differenz relativ +49,97 %+35,41 %+35,06%+10,64% GesamtsystemAnzahl der Flip Flops Anzahl der Gatter - Äquivalente Implementierungs- zeit mit F2.1i Median 8 stufig ca. 46 Min. Median/Laplace 10/8stufig ca. 12 Min.


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