FPGA üzerinde gerçek zamanlı Harris Köşe Algılama Algoritması tabanlı görüntü işleme uygulaması

Abstract

Günümüzde birçok disiplin içerisinde çalışma yapılan alanlardan birisi olan görüntü işleme birçok uygulamada yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Görüntü işleme işlemleri birçok süreci kapsamaktadır. Bu süreçlere bölütleme, morfolojik işlemler, kenar bulma, köşe bulma ve filtreleme gibi işlemler örnek olarak verilebilir. Piksellerden oluşan resim veya görüntüler üzerinde işlemlerin yapılabilmesi için yoğun hesaplama işlemlerinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Örneğin HD (High Definition (Yüksek Çözünürlüklü)) (1280X720) formatındaki görüntü üzerinde işlem yapılabilmesi için 921.600 adet verinin hesaplanması gerekmektedir. Görüntülerin gerçek zamanlı olarak işlenebilmesi için literatürde çeşitli sayısal platformlar kullanılmaktadır. Ancak görüntü kalitesi/boyutu arttığında işlem hacmi de büyümektedir. Sonuç olarak bu işlemlerin gerçek zamanlı ve HD kalitesinde işlenebilmesi için yüksek hızlı ve paralel işlem yapabilen sayısal platformlara ihtiyaç duyulmaktadır. FPGA (Field Programmable Gate Array (Alan Programlanabilir Kapı Dizileri)) çipleri paralel sinyal işleme, tekrar tekrar programlanabilme, düşük güç tüketimi, hızlı ilk prototip gibi özellikleri sayesinde literatürde oldukça yoğun bir şekilde kullanılan sayısal bir tümleşik devre platformudur. Bu çalışmada, gerçek zamanlı görüntü işleme uygulamalarında kullanılmak üzere Harris Köşe Algılama Algoritması FPGA çipi üzerinde çalışmak üzere VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language-Çok Yüksek Hızlı Tümleşik Devre Donanımı Tanımlama Dili) dilinde tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem Xilinx Vivado Design Suite Programı kullanılarak sentezlenmiş ve test edilmiştir. Ardından tasarlanan gerçek zamanlı görüntü işleme sistemi Xilinx Vivado Design Suite Programı kullanılarak Xilinx firmasına ait Zybo Z7-20 geliştirme kartına yüklenerek çalıştırılmıştır. Gerçek zamanlı görüntüler HDMI (High Definition Multimedia Interface (Yüksek Çözünürlüklü Çoklu Ortam Arayüzü)) kablosu aracığıyla kameradan alınmış ve alınan gerçek zamanlı görüntü verileri FPGA üzerinde işlenebilmesi için FPGA çipine aktarılmıştır. Xilinx Zybo Z7-20 FPGA geliştirme kartı üzerinde çalışan gerçek zamanlı Harris Köşe Algılama algoritmasından elde edilen sonuçlar sunulmuştur. İleriki çalışmalarda, FPGA çipleri üzerinde çalışmak üzere diğer köşe algılama algoritmaları tasarlanarak bu çalışmadan elde edilen sonuçlar ile performans ve kaynak kullanım analizleri gerçekleştirilebilir.

Image processing, which is one of the areas where many disciplines are studied, is widely used in many applications. Image processing processes cover many processes. These processes include segmentation, morphological operations, edge detection, corner finding and filtering. In order to perform operations on the image or images consisting of pixels, intensive calculation operations must be performed. For example, 921,600 data must be calculated in order to be able to process HD (High Definition) (1280X720) images. Various digital platforms are used in the literature to process images in real time. However, when the image quality and size increases, the transaction volume also increases. As a result, high-speed and parallel processing digital platforms are needed to process these transactions in real time and in HD quality. FPGA (Field Programmable Gate Array) chips are a digitally integrated circuit platform that is used extensively in the literature thanks to its features such as parallel signal processing, reprogramming, low power consumption and fast first prototype. In this study, Harris Corner Detection Algorithm is designed in FPGA chip to be used on real-time image processing applications in the language of VHDL. The designed system was synthesized and tested using the Xilinx Vivado Design Suite Program. Then, the real-time image processing system designed was installed and operated on the Zybo Z7-20 development card of Xilinx company using the Xilinx Vivado Design Suite Program. Real-time images were taken from the camera via the HDMI (High Definition Multimedia Interface) cable and the real-time image data received was transferred to the FPGA chip for processing on FPGA. The results obtained from real time Harris Corner Detection algorithm running on Xilinx Zybo Z7-20 FPGA development board are presented. In further studies, other corner detection algorithms can be designed to work on FPGA chips, and performance and resource usage analysis can be performed with the results obtained from this study.