Романкевич, Віталій ОлексійовичСергієнко, Павло Анатолійович2023-11-012023-11-012023Сергієнко, П. А. Методи та засоби проектування обчислювачів для розпізнавання образів у зображеннях : дис. … д-ра філософії : 123 Комп’ютерна інженерія / Сергієнко Павло Анатолійович. – Київ, 2023. – 224 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/61927Тема дисертації пов’язана з розробкою алгоритмів оброблення зображень та з проєктуванням спеціалізованих обчислювальних засобів для їх реалізації на базі інтегральних схем надвисокої інтеграції (НВІС) та програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС). Об’єктом дослідження є розпізнавання образів у зображеннях та проєктування апаратних засобів для їх виконання. Предметом дослідження є алгоритми пошуку характерних точок у зображеннях та проєктування спеціалізованих обчислювальних систем для виконання цих алгоритмів. Метою дисертації є підвищення ефективності розробки обчислювальних систем для розпізнавання образів у зображеннях на основі ПЛІС та НВІС шляхом створення нових методів проєктування спеціалізованих конвеєрних структур, які дають змогу прискорити проєктування обчислювальних систем і підвищити відношення продуктивність — апаратні витрати завдяки формалізації проєктування та новим алгоритмам обробки зображень і пошуку характерних точок в них. Для досягнення мети в дисертації виконуються завдання: проаналізувати задачі, алгоритми і пристрої розпізнавання образів у зображеннях, зокрема, системи розпізнавання образів на основі штучних нейронних мереж і сформулювати вимоги до елементної бази й засобів проєктування обчислювальних систем для розпізнавання образів; теоретично обґрунтувати та розробити алгоритм пошуку характерних точок, тобто, локальних елементів зображення з найбільш інформативними ознаками, які необхідні для класифікації зображень, який на відміну від існуючих алгоритмів має меншу складність та забезпечує пошук у складних умовах освітлення; створити метод побудови буферних схем для обробки одно- та двохвимірних сигналів, який забезпечує заданий порядок слідування вхідних та вихідних даних і мінімізовані апаратні витрати при його реалізації у ПЛІС; розробити способи побудови допоміжних блоків для систем розпізнавання образів, таких як обчислювач елементарних функцій, декомпресор даних; перевірити ефективність розробленого методу при проєктуванні модулів спеціалізованої системи на базі ПЛІС для вирішення кола завдань розпізнавання образів. Наукова новизна роботи. Запропоновано новий метод пошуку характерних точок у зображенні, який на відміну від існуючих методів пошуку характерних точок, таких як scale-invariant feature transform (SIFT) та похідних від нього, завдяки використанню нового алгоритму адаптивної фільтрації, виконує пошук характерних точок у несприятливих умовах освітленості та має обсяг обчислень зменшений до чотирьох разів. Запропоновано новий алгоритм адаптивної фільтрації на основі блоку аналізу зображення, який детектує локальні градієнтні характеристики і формує з них зображення ознак за допомогою паралельної двовимірної фільтрації та селекції результатів фільтрації у логарифмічному масштабі, який на відміну від відомого алгоритму білатеральної фільтрації, має учетверо менше операцій множення, не потребує обчислень з підвищеною точністю і плаваючою комою та дає змогу обробляти зображення з динамічним діапазоном до 120 дб і більше. Створено метод синтезу буферних схем для обробки двовимірних потоків даних, який на відміну від існуючих методів дає змогу виконувати розробку буферних схем формалізовано з мінімізацією апаратних витрат, який, шляхом застосування методу просторового графа синхронних потоків даних, направляє синтез на одержання буферів типу FIFO або пам’яті довільного доступу, забезпечуючи наперед заданий порядок та період вводу-виводу даних. Запропоновано новий спосіб проектування буферних схем з конвеєрних регістрів у ПЛІС, який відрізняється від існуючих способів формальною побудовою функціональної схеми, в якій використовуються елементи SRL16, за рахунок чого p регістрів замінюються на k логічних таблиць і таким чином, основні апаратні витрати на регістри у ПЛІС зменшуються у p/k є [2..16] разів. Удосконалено алгоритм та структура апаратного модуля обчислення квадратного кореня, який на відміну від відомого алгоритму зі зсувом та відніманням і його апаратної реалізації має меншу латентну затримку обчислення за рахунок застосування блоків постійної пам’яті для збереження результатів перших ітерацій алгоритму. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що використання запропонованого методу пошуку характерних точок у зображенні у системах технічного зору дає змогу пришвидшити розпізнавання образів, зменшуючи латентну затримку між вводом зображення та виводом його ознак, покращити розпізнавання в несприятливих умовах освітлення, зменшити навантаження на лінії телекомунікацій за рахунок прорідження інформації. Новий метод синтезу буферних схем для обробки двовимірних потоків даних та новий спосіб проектування буферів з конвеєрних регістрів у ПЛІС дають змогу пришвидшити проєктування складних систем технічного зору. Інтелектуальна відеокамера, яка розроблена з їх застосуванням та в якій застосовано новий метод пошуку характерних точок, при своєму впровадженні здатна замінити камери відео-нагляду завдяки ефективному стисненню зображення з широким динамічним діапазоном та можливістю розпізнавання образів. Розроблений вперше апаратно-програмний модуль для LZW-декомпресії має невеликі апаратні витрати, може бути впроваджений у ПЛІС різних серій і завдяки цьому, у порівнянні з програмною реалізацією має вдвічі більшу пропускну здатність, може зменшити об'єм пам'яті та енергоспоживання і має можливість переналаштовуватись при відсутніх або невеликих додаткових апаратних витратах. Удосконалений алгоритм та структура модуля обчислення квадратного кореня впроваджені у Web-застосунку, що генерує модулі обчислення цієї функції з заданими параметрами швидкодії, точності, апаратних витрат, які вільно поширюються і можуть бути вбудовані в довільні проєкти ПЛІС. Результати роботи впроваджені у двох НДР, що проводяться Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» на кафедрах обчислювальної техніки та ситемного програмування і спеціалізованих комп’ютерних систем, які присвячені проєктуванню високопродуктивних апаратних і програмних засобів. Матеріали дисертації є корисними для викладачів і спеціалістів у галузях проєктування апаратних засобів обчислювальної техніки, систем телекомунікацій, зв’язку, вимірювання, штучного інтелекту, засобів мікроелектроніки, а також можуть бути застосовані у навчальному процесі у вищих навчальних закладах.224 с.ukрозпізнавання контурівсемантична сегментаціярозпізнавання образівстиснення даниххарактерна точкапрограмована логічна інтегральна схемасистема на кристалікласифікаціяцифрова обробка зображеньструктурний синтезграф синхронних потоків данихsynchronous data flowcontour detectionedge computingsemantic segmentationpattern recognitiondata compressionfeature pointfield programmable gate arraysystem on chipclassificationdigital image processingstructural synthesisThesis Doctoral004.383 : 004.415.2