Współczesne techniki informacyjne

Transkrypt

1 Współczesne techniki informacyjne są multimedialne, można oczekiwać, że po cywilizacji pisma (i druku) nastąpi etap cywilizacji obrazowej czyli coraz większa jest potrzeba gromadzenia i przysyłania wielkiej liczby obrazów!

2 Potrzebne są zatem techniki umożliwiające skuteczną kompresję obrazów (w ogólności wszystkich gromadzonych i przesyłanych danych). Jednym z innowacyjnych sposobów transformacji obrazu, będącym obecnie przedmiotem zainteresowania jest transformacja falkowa

3 Transformacja falkowa jest już stosowana: a) jako integralna część standardu kompresji obrazu JPEG 2000, b) w kompresji oraz przetwarzaniu wyników badań medycznych, takich jak rezonans magnetyczny, tomograf komputerowy, badanie RTG. Ze względu na stosunkowo dużą złożoność algorytmiczną istotne stają się sposoby jej efektywnej realizacji za pomocą sprzętu.

4 ..i tu z pomocą przychodzą nowe technologie i nowe metody syntezy logicznej Jak je wykorzystać do projektowania układów cyfrowego przetwarzania sygnałów i obrazu?

5 Łącznikiem tych problemów jest operacja MAC Data in Register Multiply and Accumulate: Loop algorithm MAC unit Wiele operacji mnożenia i dodawania Data out suma iloczynów: y N = c, x = = n 1 0 c[ n] x[ n] = c[0] x[0] + c[1] x[1] c[ N 1] x[ N 1] Ustalony współczynnik n-ta próbka

6 Operacja Multiply and Accumulate Data in Register Mnożenie z akumulacją Loop algorithm MAC unit Filtry cyfrowe Filtry falkowe Data out Transformaty: DFT, FFT

7 Realizacja bezpośrednia wygodna dla procesorów sygnałowych Rejestr przesuwający Układ mnożący Akumulator X[N-1] X[1] X[0] C[N-1] C[1] C[0] + R Ogólnego przeznaczenia! nie jest odpowiednia dla struktur FPGA

8 Arytmetyka rozproszona y N = 1 n 0 c[ n] x[ n] = B 1 b= 0 2 b N 1 n= 0 f ( c[ n], x b [ n]) Rejestr przesuwający Logika DA Akumulator X B-1 [0] X 1 [0] X 0 [0] X B-1 [1] X 1 [1] X 0 [1] X B-1 [N-1] X 1 [N-1] X 0 [N-1] LUT + R Układ kombinacyjny typu LUT Ale układy DA są duże Do syntezy DA stosuje się dekompozycję!!!

9 Wyniki eksperymentów dla układów DA filtrów cyfrowych Komórki LUT Tablica DA FIR DA bez wejścia/wyjścia DA dekompozycji z dekompozycją F4 7/ F5 11/ F6 11/ F7 11/ F8 15/ F9 19/ % Ponad 40% redukcja zasobów sprzętowych

10 Implementacja DA co dalej Jaki jest wpływ logiki DA na implementację całego filtru?

11 Implementacja całej struktury filtru FIR F4 F5 F6 F7 F8 F9 Struktura sumatorów Bez dekompozycji Z dekompozycją LCs F max [MHz] LCs F max [MHz] pipel comb pipel comb pipel comb pipel comb pipel comb pipel comb %

12 Najnowsze struktury programowalne FPGA (Field Programmable Gate Array) Wbudowane bloki pamięci Elementy logiczne Różnorodność konfiguracji wbudowanych pamięci znacznie utrudnia proces syntezy

13 Interaktywny tryb pracy dekompozycji zrównoważonej X X X 3 X 4 X 2 X 1 G H1 H2 H Y Dekompozycja szeregowa Y 1 Y 2 Dekompozycja równolegr wnoległa Wygodny do syntezy układów cyfrowych w strukturach FPGA z wbudowanymi pamięciami

14 Synteza filtrów falkowych w strukturach FPGA z pamięciami Filtry Daubechies 9/7 Data in Register MAC unit Data out Filtry falkowe są stosowane w standardzie kompresji obrazów JPEG2000

15 Dekompozycja układu DA filtru falkowego typu ahp (7,16) EMB (7,15) (6,1) (7,8) (4,1) (3,1) (7,7) EMB FPGA (4,2) (6,8) ROM (7,3) (7,4) ROM (4,3) (6,3) (5,2) (6,1) 2 M512, 14LC (4,2) (4,2) (4,2) (4,1)

16 Dekompozycja układu DA filtru falkowego typu ahp (7,16) (6,5)ROM (6,16) (6,8)ROM (6,8)ROM 3 M512

17 Porównanie z systemem Quartus Typ filtru # / LC FF ROM fmax ahp Quartus xM ahp dec xM alp Quartus xM4K alp dec xM4K slp Quartus xM slp dec xM shp Quartus xM512, 1xM4K shp dec xM4K

18 Porównanie całkowitej powierzchni EMB FPGA LC ROM Powierzchnia 1 LC = Powierzchnia 3 bitów w pamięci Brian Dipert, Counting on Gate Counts? Don't count on it, EDN Magazine, August 3, 1998

19 Porównanie realizacji filtrów falkowych ze względu na powierzchnię FIR Układ DA We/Wy Bez dekompozycji Logic Cells Z dekompozycją alp 9/ ahp 7/ slp 7/ shp 9/ % % redukcja pow. względem systemu Quartus

20 Inne zastosowania metod syntezy logicznej dotyczą realizacji transformat DFT, FFT Nadajnik OFDM Standardu WiMAX Źródło: Pawłowski, M. Matusz, J. Woźniak: WiMAX nowy standard szerokopasmowych sieci bezprzewodowych (1) i (2). PTiWT, z. 7 i 11, 2005.

21 Realizacja 16-punktowej transformaty DFT operującej na 12-bitowych próbkach 1. %*, 47 92% 70, a., 47 89:., 0/ %*$!, 47 92% 70,,., 47 89:., -:/4,3024/: $! 3. %* 70,,., 47 89:.a , , dla której mo na zastosowa zaawansowane procedury syntezy logicznej

22 Transformata Fouriera realizowana w strukturze arytmetyki rozproszonej x[0] Jakość tej realizacji w ogromnej mierze zależy od jakości implementacji bloków DA x[7] x7[7] x7[7] x6[7] x6[7] x5[7] x5[7] x4[7] x4[7] x3[7] x3[7] x2[7] x2[7] x1[7] x1[7] x0[7] x0[7] DA DA DA DA DA DA DA DA

23 Wyniki eksperymentów 47 89, : 9: ( $!( 0,7 ( P7 05: : ( FFT_LC 4723 (14%) 43,51 522,12 FFT_DSP 1554 (5%) 70 (100%) 48,93 587,16 DFT_DA 7222 (22%) 74,36 892,32 Uzyskanie największej przepustowości jest możliwe wyłącznie przy zastosowaniu zaawansowanych procedur syntezy logicznej

24 Podsumowanie , ,9 %0 0, / ,. 174, %0 0143, , &8 : , /489 5/ : $ /489 5:, $ ,4-7, ,8 3, 24 2: #4 54 3,, , ,1, /489 57,/ 4 8,90 9,73 24