Gerçek zamanlı video işleyen yeni bir hücresel sinir ağı emülatörü tasarımı ve FPGA ile gerçeklenmesi

Abstract

Hücresel Sinir Ağları (HSA) (Cellular Neural Networks (CNN)) kavramı Prof. Leon O. Chua ve L. Yang tarafından Kaliforniya Berkeley Üniversitesinde Aralık 1988 - Kasım 1997 arasında yapılan "Nonlinear Circuits and Neural Networks" adlı bir ONR (Office of Naval Research) projesi sırasında geliştirilmiş ve 1988 yılında yayımlanmıştır. Daha sonraları Macar Bilim Akademisinden Prof. Tamás Roska ile birlikte yine Berkeley'de yapılan bir çalışmada Prof. Chua ve Prof Roska HSA Çok Kapsamlı Makinesi (HSA-ÇKM) (CNN Universal Machine) yapısını geliştirmişlerdir. Tasarlanan HSA-ÇKM yapısı önce küçük ölçekli (64×64), sonra daha büyük ölçekli (128×128) analog tümdevreler üzerinde gerçeklenmiştir. Bu tümdevrelerin işlem hızları çok yüksek olmasına rağmen, eşdeğer dijital doğruluklarının 7-8 bit olması, maliyetlerinin çok yüksek olması, şu ana dek gerçekleştirilebilen analog işlemci sayısı en yüksek tümdevrenin 128×128 hücreli (işlemcili) ve halen üzerinde çalışılmakta olan 256×256 analog hücreli HSA tümdevresinin bitirilememiş olması, araştırmacıları HSA yapısının dijital emülasyonları üzerinde çalışmaya yöneltmiştir.Bu tez çalışmasında, HSA yapısının FPGA tümdevresiyle dijital emülasyonu için kullanılabilecek yeni bir emülatör yapısı tasarlanmış, gerçeklenmiş ve bir kenar belirleme uygulamasıyla test edilmiştir. Bu yapı, basit taramalı (progressive) video işaretlerini gerçek zamanlı olarak işleyebilecek kadar hızlıdır ve bir VGA video işaretini alarak gerçek zamanlı olarak işleyip sonucu bir VGA monitöründe gösterebilir. Ayrıca, sistem maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla yapı, FPGA dışında bir bellek elemanına ihtiyaç duymayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu yeni yapı dijital görüntü işleme uygulamaları için hızlı ve genel bir çözüm oluşturmaktadır.Bu tez çalışması, küçük hedeflere adım adım ulaşarak sonuç hedefe varma yaklaşımıyla ilerletilmiştir. Bu yaklaşım doğrultusunda, öncelikle bir HSA emülatörü işlem birimi yapısı, çalışma hızı önemsenmeden oluşturulmuştur. Sonra bu işlem birimi yapısı, ardışık düzenle (pipeline) çalışması sağlanarak hızlandırılmış ve sistemdeki işlem birimlerinin çizgisel bir dizilimle (kaskad) bağlanarak birden fazla işlem biriminin eş zamanlı olarak çalışması sağlanmıştır.Tasarım ortamı olarak Xilinx firmasının ISE yazımı ve bu yazılımın şematik editörü kullanılmıştır. Tasarım öncelikle şematik editörle bilgisayar ortamına aktarılmış, daha sonra ISE yazılımı ile simülasyonu yapılarak tasarımdaki hatalar bulunmuş ve düzeltilmiştir. Tasarım, simülasyon programında çalışması sağlandıktan sonra FPGA kartı üzerine yüklenerek denenmiştir. Deneme işleminde, Xilinx firmasının ChipScope Pro yazılımı kullanılarak FPGA'de oluşturulmuş olan lojik analizör bloğu ile FPGA üzerindeki sinyaller çalışma esnasında bilgisayar ekranından gözlenmiş ve hata analizi yapılmıştır. Gözlenen hataların oluşma nedeni saptanarak tasarımda düzeltmelere gidilmiş ve sistemin hatasız çalışması sağlanmıştır.Sonuç olarak, basit taramalı video işretlerini 3×3 HSA şablonları ile dış bellek kullanmadan gerçek zamanlı olarak işleyen yeni bir HSA emülatörü yapısı önerilmiş ve Celoxica RC203 kartında bulunan Xilinx Virtex-II 3000 FPGA tümdevresi üzerinde gerçeklenmiştir. Gerçeklenen sistem 640×480 piksel 60 fps monokrom VGA video girişi ile test edilmiş ve çıkış videosu bir VGA monitöründe gözlenmiştir.Gerçeklenen emülatör yapısı CPU Turkey 2008 yarışmasının Akademik Yenilikçi Gömülü Sistem Tasarımı kategorisinde birincilik ödülü almıştır.