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영상 특징 추출을 위한 내장형 FAST 하드웨어 가속기
An Embedded FAST Hardware Accelerator for Image Feature Detection 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SP, 신호처리, v.49 no.2 = no.344, 2012년, pp.28 - 34  

김택규 (한국원자력연구원)

초록
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특징 추출 알고리즘은 영상 내에서 중요한 특징을 추출하기 위해 실시간 영상 처리 응용 분야에서 활용된다. 특히, 특징 추출 알고리즘은 추적 및 식별의 목적으로 다양한 영상처리 알고리즘에 특징 정보를 제공하기 위해서 활용되며, 주로 영상처리 전처리 단계에서 구현되고 있다. 광범위한 응용 분야에 이용되는 특징 추출 알고리즘의 처리 속도를 높인다면 혼합되어 사용될 다른 알고리즘 처리 소요 시간의 여유를 확보 할 수 있을 뿐만 아니라, 특징 추출 알고리즘이 적용된 영상 처리 응용 분야의 실시간 요건을 만족시키기 용이하기 때문에 중요하다. 본 논문에서는 특징 추출 기법을 고속으로 처리하기 위해 FPGA 기반의 하드웨어 가속기를 제안한다. 하드웨어 가속기 구현에 사용된 E. Rosten의 Feature from Accelerated Segment Test 알고리즘과 디지털 로직으로 구현한 하드웨어 가속기의 구조와 동작 절차에 대해 기술하였다. 설계한 하드웨어 가속기는 ModelSim을 이용해 동작 및 성능을 검증하였고, Xilinx Vertex IV FPGA 기반으로 로직을 합성해 구현 비용을 계산하였다. 제안한 하드웨어 가속기를 구현하기 위해 2,217개의 Flip Flop, 5,034개의 LUT, 2,833개의 Slice, 그리고 18개의 Block RAM을 사용하였으며, $640{\times}480$ 크기의 영상으로부터 954개의 특징을 추출하는데 3.06 ms의 시간이 소요되어 기존의 결과보다 구현 비용 면에서의 우월함이 확인되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Various feature extraction algorithms are widely applied to real-time image processing applications for extracting significant features from images. Feature extraction algorithms are mostly combined with image processing algorithms mostly for image tracking and recognition. Feature extraction functi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 특징 추출 알고리즘만을 수행할 시에는 초당 약 326개 영상의 특징이 추출 가능하다. 본 논문에서 비교 평가로 사용한 다양한 플랫폼에 적용된 특징 추출 모듈들과 비교해 적은 하드웨어 비용으로 높은 성능을 가짐을 확인하였다. 그 중, SUSAN을 하드웨어 가속기로 구현한 가속기와 비교해 2.
  • 본 논문에서는 FAST-9 알고리즘을 이용한 특징 추출을 가속화하기 위한 하드웨어 가속기에 대해 설명하였다. 제안한 가속기는 3단계로 나누어져 각각의 단계가 파이프라인 구조를 가지도록 설계되었으며, 영상 크기 및 임계값 변경이 소프트웨어적으로 용이하도록 설계에 반영되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
널리 이용되는 특징 추출 기법은 어떤 것들이 있는가? 널리 이용되는 특징 추출 기법들로서는 SIFT[1], Harris[2], SUSAN[3] 등이 있으나, 적은 하드웨어 자원으로 구성된 내장형 시스템에서 실시간 처리되도록 구현 하기에는 계산 수식이 복잡해 실시간 요건을 만족시키기 힘들거나 시스템 구현비용이 커진다[4,5]. 본 논문에서는 구현비용 및 실시간을 고려하여 수식이 비교적 단순한 FAST-n (Feature from Accelerated Segment Test)[6] 알고리즘을 하드웨어로 구현하였다.
내장형 시스템에 적용할 특징 추출 알고리즘의 선정은 영상 처리를 수행하는데 소요되는 수행시간을 결정짓는 중요한 요소가 되는 이유는? 일반적인 특징 추출 알고리즘은 입력 영상 내의 모든 픽셀들에 대해 특징 추출 검사를 하기 때문에, 추출된 특징 정보만을 사용하는 다른 알고리즘에 비해 수행 시간이 길다. 따라서 내장형 시스템에 적용할 특징 추출 알고리즘의 선정은 영상 처리를 수행하는데 소요되는 수행시간을 결정짓는 중요한 요소가 된다.
FAST-n 알고리즘의 원리는? 본 논문에서는 구현비용 및 실시간을 고려하여 수식이 비교적 단순한 FAST-n (Feature from Accelerated Segment Test)[6] 알고리즘을 하드웨어로 구현하였다. FAST-n 알고리즘은 기준 픽셀과 인접 픽셀들 간의 어둡고 밝음을 임계값을 이용해 판단하고, n개 이상의 연속되는 인접 픽셀들이 어두운 상태 혹은 밝은 상태를 유지하면 해당 기준 픽셀을 특징으로 판단한다. 처리 과정이 간단한 가감셈 연산과 비교 연산만으로 구성되기 때문에 순수 하드웨어 구현시, 적은 비용을 들여 로직 설계가 가능하여 하드웨어 가속기에 해당 알고리즘을 선정하고 구현하였다.
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참고문헌 (17)

  1. D. G. Lowe, "Distinctive Image Features from Scales-invariant Keypoints," International Journal of Computer Vision, vol 60, no. 2, pp. 91-110, 2004. 

  2. C. Harris, and M. Stephens, "A Combined Corner and Edge Detector," Proceedings of the Fourth Alvey Vision Conference, pp. 147-151, 1988. 

  3. S. Smith, and J. Brady, "SUSAN-A New Approach to Low-level Image Processing," International Journal of Computer Vision, vol. 23, pp. 45-48, 1997. 

  4. C. Claus et al, "Optimizing the SUSAN Corner Detection Algorithm for a High Speed FPGA Implementation," International Conference on Field Programmable Logic and Application, pp. 138-145, 2009. 

  5. L. Teixeria, W. Celes, and M. Gattass, "Accelerated Corner-detector Algorithms," in BMVC08, 2008. [Online]. Available: http://www.comp.leeds.ac.uk/bmvc2008/proceedings/paper/45.pdf 

  6. E. Rosten et al, "Faster and better: A Machine Learning Approach to Corner Detection," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 32, no. 1, pp. 105-119, 2010. 

  7. E. Rosten, T. Drummond, "Machine Learning for High-speed Corner Detection," European Conference on Computer Vision, vol. 1, pp. 430-443, 2006. 

  8. M. Arias-Estrada, E. Rodriguez-Palacios, "An FPGA Co-processor for Real-Time Visual Tracking," in Proceedings of International Conference on Field-Programmable Logic and Application, pp. 710-719, 2002. 

  9. C. Claus, W. Stechele, A. Herkersdorf, "Autovision - a Runtime Reconfigurable MPSoC architecture for Future Driver Assistance Systems," it - Information Technology, vol. 49, no. 3, pp. 181-187, 2007. 

  10. C. Torres-Huitzil, M. Arias-Estrada, "An FPGA Architecture for High Speed Edge and Corner Detection," IEEE International Workshop on Computer Architectures for Machine Perception, pp. 112-116, Washington, DC, USA, 2000. 

  11. E. Rosten, T. Drummond, "Fusing Points and Lines for High Performance Tracking," IEEE International Conference on Computer Vision, vol. 2. Springer 1508-1515, Beijing, China, 2005. 

  12. B. Yu, et al. "A Corner Detection Algorithm Based on the Difference of FCC," International Conference on Computer Design and Application, vol. 4, pp. 226-229, Qinhuangdao, China, 2010. 

  13. W. Wang, R. D. Dony. "Evaluation of Image Corner Detectors for Hardware Implementation," Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, vol. 3, pp. 1285-1288, 2004. 

  14. F. Mokhtarian, R. Suomela, "Robust Image Corner Detection Through Curvature Scale Space," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 20, no. 12, pp. 1376-1381. 1998. 

  15. L.-H. Zou et al, "The Comparison of Two Typical Corner Detection Algorithms," Second International Symposium on Intelligent Information Technology Application, pp. 211-215, Shanghai, China, 2008. 

  16. 김택규, 박기용, 김영기, "영상 특징 추출을 위한 내장형 가속기 구현," 대한전자공학회 하계종합학술대회 논문집, 제 34권, 1호, 698-701쪽, 2011년 6 월. 

  17. 김택규, 박기용, 김영기, "하드웨어기반 실시간 특징추출을 위한 로봇 비전 가속기 설계 및 구현," 제6회 한국로봇종합학술대회 논문집, 197-200쪽, 2011년 6월. 

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