CORRELATION COPROCESSOR BASED ON FPGA COPROCESADOR DE CORRELACIÓN BASADO EN FPGA.

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1 ISSN: Volumen Número 5 año CRREATIN CRCESSR BASED N FGA CRCESADR DE CRREACIÓN BASAD EN FGA Miguel. Arias Estrada, Francisco J. Enríquez Aguilera,, Ricardo E. érez Blanco. INAE, Coordinación de Ciencias Comutacionales. UACJ, Deartamento de Eléctrica y Comutación. ariasm@inaoe.mx, fenrique@uacj.m rblanco@uacj.mx Abstract: In this work, a hardware-architecture for correlation algorithm imlementation is resented. The roosed architecture allows real time tracking. For the design the hardware descrition language VHD (Very High Seed Integrated Circuit Hardware Descrition anguage) was used, it was imlemented on a FGA (Field rogrammable Gate Arrays) Sartan. Resumen: En este trabajo se lantea una arquitectura hardware ara la imlementación del algoritmo de correlación. a rincial característica de la arquitectura rouesta, es que ermite efectuar el rocesamiento de seguimiento en tiemo real. ara el diseño se utiliza el lenguaje de descrición de hardware VHD, así mismo la imlementación se lleva a cabo en un FGA Sartan. Keywords: VHD, FGA, Vision, hardware y íxel.. INTRDUCCIÓN a visión or Comutadora ha basado sus desarrollos en el estudio del sistema visual humano, el cual sugiere la existencia de diferentes tios de tratamiento de la información visual, deendiendo de metas u objetivos esecíficos; es decir, la información visual ercibida es rocesada en distintas formas con base en las características articulares de la tarea a realizar, or lo que la visión or comutadora roone varias técnicas que ermiten obtener una reresentación del mundo a artir del análisis de imágenes obtenidas desde cámaras de video. Debido a que la información visual es una de las rinciales fuentes de datos del mundo real, resulta útil el roveer a una comutadora digital del "sentido de la vista" (a artir de imágenes tomadas con cámaras digitales o analógicas), que junto con otros mecanismos como el arendizaje, hagan de esta, una herramienta caaz de detectar y ubicar objetos en el mundo real, objetivo rincial de la Visión or Comutadora. os disositivos reconfigurables ermiten a los diseñadores construir todo o arte de su diseño en hardware en vez de software (Swan, 999). Universidad de amlona 53

2 ISSN: Volumen Número 5 año Exortando funcionalidad al hardware se ueden conseguir significativas mejoras de velocidad, orque esa funcionalidad no tiene que dividirse en instrucciones individuales que el CU transorte, decodifique, etc. Esa funcionalidad se convierte en hardware. a caacidad de imlementar una alicación en hardware roorciona la oortunidad de exlotar la concurrencia inherente de los circuitos digitales. Es decir, el disositivo uede configurarse o dividirse en múltiles subsistemas, todos los cuales odrían funcionar concurrentemente con los demás.. SEGUIMIENT R CRREACIÓN El Algoritmo de Seguimiento or correlación de área, es una técnica efectiva ara el seguimiento de objetos que no tienen características sobresalientes, ni un alto contraste con el fondo de la imagen, además el objetivo uede ser un área de interés sobre la imagen a seguir. a correlación or área consiste en sueroner una imagen de referencia o atrón sobre una imagen de búsqueda y calcular una función de similaridad (Sankar K. and Veerabhadra, 00). a imagen dentro de la ventana de búsqueda tiene máxima similaridad con la imagen de referencia, cuando es sueruesta sobre la localización del objetivo. ara evitar algunos roblemas como son: cambios en el tamaño del objetivo, diferente ángulo de vista, variaciones de contraste, cambios en la forma y textura del objetivo, etc., la imagen de referencia se actualiza eriódicamente. a función de correlación normalizada [] es: C xy = m= n= m= n= ven _ at ven _ at( m, n) * ven _ bus( i, ( m, n) * m= n= ven _ bus ( i, () Donde ven_bus es la imagen de búsqueda con tamaño de M * N, ven_at la imagen de referencia con tamaño de *, donde < M y < N. os datos a comarar de ven_bus inician en el íxel (i, donde i = x + m y j = y + n. Además x M + y y N +. as imágenes son en escala de gris con 56 niveles, or lo que cada íxel toma un valor comrendido en el rango de: 0 ven _ bus( M, N ) 55 y 0 ven _ at(, ) El máximo valor de C MN roorciona la localización del unto de la imagen más arecida a la de referencia, el cual tiende entre 0 y. a normalización es requerida ara evitar falsos icos, aún cuando la actual referencia esté resente en la imagen de búsqueda sin alguna distorsión o ruido (Swan, 999). a Ec. se utiliza ara comarar valores de correlación entre sub-imágenes de la ventana de búsqueda y la ventana atrón. Ahora, si es el número de veces que se va a realizar la oeración de la ventana atrón sobre la de búsqueda (donde = x * y Correla_may es el dato almacenado con la correlación más alta, encontramos que la condición a utilizar ara encontrar la mayor similitud es: Si Correla( > Correla _ may Entonces Correla _ may( = Correla( Fin. Dado que en la comaración, el oerando m= n= ven _ at ( m, n) () existe en ambos lados de la ecuación y corresonde a un mismo valor, odemos excluirlo de los cálculos. Ya que algunas oeraciones matemáticas resultan más costosas en recursos hardware, como son la división y la raíz cuadrada, se ota or substituirlas a multilicaciones, las cuales son más económicas en cuestión de clbs. Si searamos el numerador (Ec. 3) y el divisor (Ec. 4) = m= n= Den _ corr( a comaración sería: Den _ corr( = ven _ at( m. n) * ven _ bus( i, m= 0 n= 0 > ven _ bus ( i, Num _ corr _ may( Den _ corr _ may( Que es similar a: * Den _ corr _ may( > Num _ corr _ may( * Den _ corr( (3) (4) (5) (6) Universidad de amlona

3 ISSN: Volumen Número 5 año En la Ec. 6 se uede observar que ya no es necesario realizar oeraciones de división; ara eliminar la raíz cuadrática solo se elevan al cuadrado todos los términos. 3. IMEMENTACIÓN DE AGRITM DE CRREACIN Mediante Matlab se imlementó el algoritmo de correlación ara seguimiento de características de una imagen. El tamaño de la ventana atrón es de 3 * 3 íxeles y el de la ventana de búsqueda de 64 * 64 íxeles. El hecho de utilizar multilicaciones da como resultado un número con una gran cantidad de bits, el cual es un roblema ara la imlementación en hardware (debido a que ocuan un mayor esacio de silicio); or lo que ara evitar dicho roblema se truncan los bits menos significativos (SB) y a continuación se realiza un análisis de los resultados a diferentes niveles de truncamiento de datos. as figuras y muestran los diagramas del comortamiento de seguimiento de una característica, en las cuales se grafican las coordenadas X e Y, de la variación de movimiento de la característica seleccionada; ara las secuencias Barco (90 imágenes) y Marina (57 imágenes), resectivamente; utilizando el algoritmo: a) con todos los bits, b) con truncamiento de los SB s, c) con truncamiento de los 6 SB s. Se observa que la diferencia en resultados es mínima entre las gráficas con el algoritmo comleto y el algoritmo con truncamiento de los SB s, mientras que con el truncamiento de los 6 SB s es mayor la diferencia. BARC_CMET BARC_TRUNCAD_ BARC_TRUNCAD_6 Nº Imágenes = MARINA_CMET MARINA_TRUNCAD_ MARINA_TRUNCAD_6 Nº Imágenes = CRD EN X Fig.. Comortamiento en el seguimiento de imágenes del algoritmo a) comleto, b) con truncamiento de datos de bits y c) truncamiento de datos de 6 bits, ara la secuencia de imágenes Marina. En la Figura 3 se muestran la rimer y última imagen de las secuencias Barco y Marina resectivamente, realizando el seguimiento de las características seleccionadas mediante el algoritmo de correlación. a característica esta centrada en los cuadros, siendo el cuadro más equeño la imagen atrón y el más grande la imagen de búsqueda. a) CRD EN Y CRD EN X Fig.. Comortamiento en el seguimiento de imágenes del algoritmo a) comleto, b) con truncamiento de datos de bits y c) truncamiento de datos de 6 bits, ara la secuencia de imágenes Barco b) 55 Universidad de amlona

4 ISSN: Volumen Número 5 año CNTR REGISTR (HEADER) VENTANA ATRÓN Y DE BÚSQUEDA RCESADR CRREACIÓN Entrad r a salida e s e t DATS 3 DEMUMUTIEXR BUFFER DE TRES ESTADS c) d) Fig. 3. Ejemlo del seguimiento de características ara las secuencias Barco y Marina: a) imagen # de la secuencia Barco, b) imagen #90 de la secuencia Barco, c) imagen # de la secuencia Marina y d) imagen #57 de la secuencia Marina. Fig. 4. Diagrama a bloques de la Arquitectura rouesta ara la imlementación del Algoritmo de correlación. En la figura 5 se muestra como esta constituido internamente el bloque del rocesador de correlación. Se constituye internamente or multilicadores-acumuladores básicamente, que se encargan de las oeraciones sobre los íxeles, que es cuando se tiene que acceder los módulos de memoria. Una vez realizados los cálculos sobre todos los datos, se requieren efectuar oeraciones de multilicación, las cuales no requieren de accesos a memoria ya que deenden de los resultados de los bloques anteriores. or lo anterior se utiliza un multilicador serie-aralelo; el cual tiene la característica de que cuenta con una latencia igual al número de bits de los datos a rocesar (cabe mencionar que los datos están comrendidos en un mismo rango de bits, debido al truncamiento). or ejemlo si los datos de entrada están constituidos or 4 bits, se requerirán 4 ciclos de reloj ara obtener el resultado. 4. ARQUITECTURA ANTEADA ARA E AGRITM DE CRREACIÓN Ven_atrón CK RESET Debido a los resultados obtenidos en el truncamiento de datos, se otó or truncar los SB s, or lo que se resenta un diagrama a bloques de la arquitectura a imlementar. En la Figura 4 se observa que los datos entran or el bus de entrada/salida, utilizando buffers de tres estados, también se cuenta con memorias ara el almacenamiento de la ventana atrón y la de búsqueda, un bloque de control, el cual como su nombre lo indica se encarga de controlar los accesos de entrada / salida a memoria, un bloque de registro ara el control del roceso y or último el rocesador de correlación el cual se encarga de realizar el rocesamiento de correlación. control Ven_búsqueda Control Multilicador Acumulador Multilicador Acumulador EN Multilicando Multilicador EN Multilicador Serie aralelo Resultado Fig. 5. Diagrama a bloques del rocesador de correlación a utilizar. 56 Universidad de amlona

5 ISSN: Volumen Número 5 año En la figura 6 se muestra el ruteo interno del FGA ara rocesadores de correlación. a arquitectura de estos dos rocesadores se codificó en VHD y sintetizó ara un FGA Sartan II XCS50FG456, mediante la herramienta de síntesis Xilinx ISE 4.i. Este diseño tiene una frecuencia de oeración de 55. MHz, utiliza 5% del esacio total del FGA, uede rocesar 8 íxeles or ciclo de reloj, tiene una latencia de 3939 ciclos y uede rocesar una imagen en.5ms. Fig. 6. Ruteo interno del FGA de rocesadores de correlación. 5. CNCUSINES Sobre los resultados resentados de los rocesadores imlementados, se observa que suera el requisito de rocesar 30 imágenes or segundo con lo cual se ermite el seguimiento de múltiles blancos en tiemo real. REFERENCIAS Hernández B. José F. ( 000), Sistema ara la navegación visual de un helicótero,.htt:// ga/gcii/ublicaciones/ub00/doc00_00.df, Swan R., Wyatt A. (999), Comutación Reconfigurable, 9htt:// Sankar M K. and Veerabhadra Rao K, Robust Correlation Tracker, Sadhana, Vol. 6, art 3, June 00, ewis J.. (995), Fast Temlate Matching, Vision Interface,. 0-3,. Chatfield Christoher. (979), Statistics for technology, Chaman and Hall, Great Britain,. 57 Universidad de amlona