画像処理ボード上での高速テンプレートマッチングの実装と検証

画像処理ボード上での高速テンプレートマッチングの実装と検証画像処理ボード上での高速テンプレートマッチングの実装と検証高性能計算研究室　B4　川本隆志 2005/2/24 １．研究背景・研究目的２．実装ターゲットボードと設計環境３．テンプレートマッチングの定義４．簡易テンプレートマッチングの設計５．高速テンプレートマッチングの設計６．ボード上での検証と性能評価

研究背景 • システムLSIの回路規模の拡大 • ハードウェア記述言語によるトップダウン設計 • フラットパネル・ディスプレイの需要の高まり • 市場規模　1998年：約100億ドル→2004年：約400億ドル（米DisplaySearchデータ）研究目的 • 産学共同研究におけるガラス外観検査装置の開発 • FPGAを用いた画像処理（テンプレートマッチング）の高速化

実装ターゲットボード（TSUNAMI） Altera Stratix FPGA SRAM SRAM SDRAM SDRAM External I/O Mezzanine I/O Card Local Bus Configuration PLD Address Decode PLD PLX PCI9656 Device PCI Bus 設計環境 • Altera社の統合開発環境ツールQuartusIIとシミュレーションツールModelSimを使用 • ハードウェア記述言語VHDLで設計

テンプレートマッチングとは 重ね合わせることにより比較照合 • 簡易テンプレートマッチング • 一般的な定義に忠実な手法 • 高速テンプレートマッチング • 十字型の特徴に着目した、比較照合の少ない手法テンプレート対象画像一致しているかどうかを判断設計したテンプレートマッチングの種類

簡易テンプレートマッチングの手法 対象画像（2値化） 1画素ずつずらしながら切り出していく …… 全ての画素に対して、対応する画素の差を取る切り出し部分 0 1 0 1 1 1 0 0 1 テンプレート（2値化）画素毎の差を積算し、その部分の相違度とする

簡易テンプレートマッチングの構成 対象画像：1024x1024画素テンプレート：8x8画素対象画像メモリアドレスジェネレータ対象画像メモリ 8ビットセレクタ－一時メモリアドレスジェネレータ一時メモリタイミングジェネレータ結果アキュムレータ開始信号マッチング座標制御ユニット最小相違度保持ユニットテンプレートメモリアドレスジェネレータテンプレートメモリマッチング処理ユニット

改良アルゴリズムを用いた高速化（１） • マッチング処理の回数を減らすマッチング処理を行う中央のラインのいずれかのビットが1 111......111 ???......??? 切り出し部分明らかにマッチしていないマッチング処理を行わない中央のラインの全てのビットが0

改良アルゴリズムを用いた高速化（２） マッチング部分に近づいている可能性があるときだけ少しずつずらす対象画像 • 切り出す回数を少なくする切り出し部分大きくずらしながら切り出すことで比較照合の回数を少なくする 1 1

高速テンプレートマッチングの構成 対象画像：1024x1024画素テンプレート：32x32画素 SRAM FPGA外部レジスタレジスタ FPGA内部レジスタレジスタ結果書き戻しユニット終了信号マッチング座標相違度計算ユニット SRAM リ－ドアドレスジェネレータタイミングジェネレータワードセレクタ結果アキュムレータブロックセレクタ開始信号一時メモリ最小相違度保持ユニット制御ユニットテンプレートメモリマッチング処理ユニット

ボード上での実装と検証の方法 QuartusII ① ホストPC 回路構成情報 TSUNAMI専用API ④ ⑥ ② ③ ⑦ 開始信号終了割り込み信号回路構成情報画像マッチング座標 FPGA マッチング座標 SRAM レジスタ画像 ⑤ TSUNAMIボード

実行クロック数の比較と性能評価 • TSUNAMIボード上での正常な動作を確認 • 簡易Cに対して高速Cが最小で約236分の1 • 高速Cに対して、VHDLシミュレーションの結果が最小で約7分の1だが、TSUNAMI上での結果は最大で約1.9倍となった • TSUNAMIボード上のSRAMの1回のリードアクセス（32ビット）に10クロック程度もかかることが原因ボードに依存しない部分の高速化についてはソフトに対して数倍の性能向上が得られた

まとめ • ガラス外観検査装置の開発のためのテンプレートマッチングの設計 • 改良アルゴリズムによる高速化 • 高速テンプレートマッチングのFPGA上への実装と検証・性能評価今後の課題 • 画像サイズが可変の場合に対応させる • アフィン変換の機能を追加

画像処理ボード上での 高速テンプレートマッチングの 実装と検証