Gerçek zamanlı bir hücresel sinir ağı yapısının tasarımı ve bu yapıyla Gabor filtrelerinin FPGA üzerinde gerçeklenmesi
Design of a real-time cellular neural network structure and its implementation on an FPGA device for the realization of Gabor filters
Yazar: EVREN CESUR
Danışman: PROF. DR. VEDAT TAVŞANOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA ; Gerçek zamanlı sistemler = Real time systems ; Görüntü işleme = Image processing ; Hücresel sinir ağları = Cellular neural networks

Özet:
İki boyutlu Gabor filtreleri, frekans ve yön seçici özelliğiyle insan gözüne benzeyen uzaysal band geciren filtrelerdir. Diğer yandan, Gabor filtrelerinin tat, burun ve kulak gibi bir çok gerçeklemesi vardır. Gabor filtrelerinin yapay görme gerçeklemelerindeki en zor yönü yoğun işlem gerektiren yapısıdır.İki boyutlu sürekli uzay Gabor fonksiyonu sinüzoidal dalganın Gauss fonksiyonuyla modüle edilmesinden elde edilir. Sayısal Gabor filtresi Gabor fonksiyonunun uzayda örneklenmesiyle elde edilir ve konvolüsyon şablonu olarak kullanılır. Buna rağmen, şablon boyutları bant genişliğiyle ters orantılı olduğundan dolayı düşük bant genişlikleri için şablon boyutları oldukça büyük olur. 1998'de FIR Gabor filtrelerinin özelliklerine benzeyen bir Gabor benzeri Hücresele Sinir Ağı HSA filtresi 3x3 HSA şablonları ile gerçeklemesi önerilmiştir.Bu tezde, yüksek çözünürlüklü (1080x1920 @60Hz) basit taramalı (progressive) video işaretini işleyebilen bir ayrık zamanlı Gabor benzeri HSA filtresinin tasarımı ve gerçeklemesi yapılmıştır. Gerçeklemedeki hesaplama iş yükünün zamanda bölünmesini temel alan bir yöntem kullanılmştır. Gerçeklenen protipte, 124.4 Mpiksel/s işlem hızında test edilen 50 euler iterasyonu gerçeklenmiştir ve saniyedeki toplam işlem gücü 119 Giga işlemdir.Bu tezde, sabit bir doğrultuda ve hız da hareket eden bir cismin algılanmasında kullanılan hız ayarlı filtrenin (HAF) gerçeklemesi de tartışılmıştır. Bu yapının standart HSA'dan farkı olan birbirini takip eden çerçeveler arasındaki ilişki hız seçiciliğini tanımlamaktadır. HAF'ın sayısal gerçeklemesi için dört iterasyonun yeterli olduğu bir benzetim yöntemi kullanılmıştır. Buna rağmen,varsayılan DVI video arayüzlerinin çerçeveler arasındaki bazı problemlerinden dolayı HAF gerçeklemesi için uygun değillerdir. Sonuç olarak, bu yapı PC benzetimlerin de test edilmiştir ve bir prototip olarak gerçeklemesi yapılmamıştır.

Abstract:
Two-dimensional Gabor filters are frequency selective filters demonstrating similar features to human retina. On the other hand, there are many implementations of Gabor filters like artificial nose, ear and taste. The most challenging aspect of an artificial vision design is its computation intensive structure.A continuous-space 2-D Gabor function is obtained by modulating a sinusoidal wave with a Gauss function. A digital Gabor filter is obtained by sampling the Gabor function in space and using it as a convolution kernel. However, the kernel should be considerably larger for narrow--band widths, as the size of the kernel and the bandwidth are inversely proportional. In 1998, a Cellular Neural Network (CNN) based Gabor-type filter having similar properties with FIR Gabor filters, which can be implemented with 3x3 CNN templates was proposed.In this thesis, a discrete-time CNN based Gabor--type filter is designed and implemented which is capable of processing high resolution (1080x1920 @60Hz) progressive video images in real--time. A method of dividing the computation workload in time--domain is used for the implementation. In the implemented prototype, 50 Euler iterations is realized, which is tested to process 124.4 Mpix/s, and its total computation power is 119 Giga operations per second.In this thesis the implementation of a velocity--tuned filter (VTF) is also discussed, which is used to select an object in a video image moving in a specific orientation and velocity. The difference of this structure from a standard CNN is that some relationships between consecutive frames are defined for velocity selectivity. A simulation method of VTF is used, where it is shown that four iterations are sufficient for the digital implementation. However, default DVI video interfaces introduce some problems between frames, hence are not suitable for an implementation of VTF. Consequently, the structure is tested on a PC simulation and the actual implementation is not realized as a prototype.