Gerçek zamanlı bir görüntü işleme sisteminin model tabanlı olarak tasarlanması

Abstract

Görüntü işleme sistemleri günümüzde birçok alanda sıklıkla kullanılmaktadır. Bu sistemlerin önemli bir kısmı sistemin doğası yapısı gereği gerçek zamanlı olarak çalışmak zorundadır. Bu tip sistemlerdeki gerçek zamanlı çalışma ihtiyacı yüksek işlem gücü gerektirdiğinden uygulamaya özel gömülü donanım ve yazılım tasarımları kullanma gereği doğabilmektedir. Bu sebeplerden gerçek zamanlı çalışacak olan gömülü sistem tasarımlarda Alan Programlanabilir Kapı Dizileri (FPGA) sıklıkla kullanılmaktadır. Son yıllarda yarıiletken teknolojisinin de gelişimiyle birlikte FPGA ve mikro işlemciyi aynı tümleşik devre içerisinde bir araya getiren sistemler kullanıma sunulmuştur. Bu sayede tümüyle programlanabilir ve klasik sistemlere göre çok daha düşük güç ve alan tüketimi olan sistemler geliştirilebilmektedir. Ancak bu tip sistemlerin önemli bir dezavantajı hem donanım hem de yazılım tasarımının yapılması gerekmesi ve donanım tasarımının ileri düzeyde sayısal tasarım bilgisi ve tecrübesi gerektirmesidir. Bu durumu aşmak için geliştirilen yüksek seviyeli sentez ve tasarım araçları ile donanım tanımlama dilleri kullanılmadan da donanım tasarımları yapılabilmektedir. Bu tez çalışmasında Xilinx Vivado Design Suite yazılımı ile birlikte yeni nesil yüksek seviyeli bir programlama aracı olan Matlab/Simulink geliştirme ortamlarında model tabanlı tasarım yöntemleri kullanılarak gerçek zamanlı bir görüntü işleme sistemi tasarlanmıştır. Çalışmada Xilinx Zynq-7000 mimarisine sahip Zedboard geliştirme kartı kullanılmıştır. Kameradan anlık olarak alınan görüntü üzerinde kenar bulma, gürültü giderme, gri ton dönüştürme ve keskinleştirme filtreleri uygulanarak işlenmiş olan görüntü monitöre aktarılmıştır. Çalışmada kullanılan Zynq platformu klasik FPGA mimarisinden farklı olarak mikroişlemci ve FPGA'dan oluşan tümleşik bir sistem mimarisi olduğundan öncelikle bu sistem mimarisi ve model tabanlı tasarım metotları hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Sonraki bölümlerde uygulanacak olan görüntü işleme yöntemleri ve bunların gerçek zamanlı video üzerinde uygulanışı hakkında gerekli bilgiler verilmiştir. Daha sonra bu görüntü işleme ve filtre algoritmaları Matlab/Simulink ortamında model tabanlı olarak tasarlanıp simülasyonu yapılmış, ardından Xilinx geliştirme ortamında tasarlanan görüntü işleme sisteminin donanım entegrasyonu ve yazılım tasarımı yapılarak Zedboard üzerinde sistem gerçeklenmiş ve kaynak kullanımı izlenmiştir. Yapılan çalışmalar neticesinde sistemin gerçek zamanlı olarak başarıyla çalıştığı gözlemlenmiştir.

Image processing systems are frequently used in many fields today. A significant portion of these systems have to work in real time due to the nature of system. Because of the need for real-time operation on such systems requires high processing power, it is possible to use application-specific embedded hardware and software designs. For these reasons, the Field Programmable Gate Arrays (FPGA) are often used in embedded system designs that will work in real-time. In recent years, with the development of semiconductor technology, the use of FPGA and microprocessor systems in the same integrated circuit has been presented. Systems that are fully programmable and have much lower power and space consumption than classical systems can be developed in this way. However, a major disadvantage of such systems is the need for both hardware and software design, and advanced design knowledge and experience in hardware design. High-level synthesis and design tools are developed to overcome this situation which can be used to design hardware without using hardware description languages. In this thesis study, a real time image processing system is designed by using model based design methods in Matlab / Simulink environment which is a new generation high level programming tool with Xilinx Vivado Design Suite. Zedboard development board with Xilinx Zynq-7000 architecture is used in the study. The processed image is transferred to the monitor by applying edge detection, noise reduction, grayscale conversion and sharpening filters on the image taken from the camera instantaneously. The Zynq platform used in this study is an integrated system architecture which consists both microprocessor and FPGA what makes it different from the classical FPGA architecture. Because of that, the system architecture and the model based design methods are given in detail first. The following sections provide information on image processing methods and how they are applied to real-time video. Then, these image processing and filter algorithms were designed and simulated with model-based tools in Matlab / Simulink environment, then hardware integration and software design of the image processing system designed in Xilinx development environment were implemented and system usage was analyzed on Zedboard. As a result of the studies done, it has been observed that the system worked successfully in real time.