Architecture SoC-FPGA pour la mesure temps réel par traitement d'images. Conception d'un système embarqué : imageur CMOS et circuit logique programmable

Soc-FPGA architecture for real time measurement by image processing. Design of an embedded system : CMOS image sensor and programmable logical device

• Auteur / Autrice : Lionel Lelong
• Direction : Gérard Jacquet, Guy Motyl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Saint-Etienne

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS (électronique)

Circuits logiques

Systèmes embarqués (informatique)

Imagerie (technique)

Traitement d'images

Résumé

La méthode de mesures par PIV (Particle Image Velocimetry) est une technique pour mesurer un champ de vitesse de manière non intrusive et multipoints. Cette technique utilise l'algorithme de corrélation entre deux images consécutives pour déterminer les vecteurs vitesse. La quantité de calcul requis par cette méthode limite son usage à des traitements en temps différé sur ordinateur. Les performances des ordinateurs demeurent insuffisantes pour ce type d'applications sous contrainte temps réel sur des cadences de données élevés. Au vu de ces besoins, la définition et la conception d'architectures dédiées semblent être une solution adéquate pour atteindre le temps réel. L'évolution des niveaux d'intégration permet le développement des structures dédiées au traitement d'images en temps réel à bas prix. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la conception d'une architecture de type SoC (System on-Chip) dédiée aux mesures de paramètres physiques par traitement d'images en temps réel. C'est une architecture hiérarchique et modulaire dédiée à des applications de type flot de données d'entrée dominant. Cette description hiérarchique permet la modification du nombre et/ou de la nature de ces éléments sans modifier profondément l'architecture. Pour le calcul d'une mesure, il faut 267 µs avec un FPGA à 50 MHz. Pour estimer les performances du système, un imageur CMOS a été connecté directement au FPGA. Les avantages de ce prototype sont de réduire au minimum le mouvement de grands ensembles de données ainsi que la latence en commençant à traiter des données avant leur complète acquisition.

The measurements method by PIV (Particle Image Velocimetry) is a technique to measure a motion vector field in a non-intrusive way and multi points. This technique uses the cross-correlation algorithm between two images to estimate the motion. The computation quantity required by this method limits its use to off-line processing with computer. The computers performances remain insufficient for this type of applications under constraint real time on high data rates. Within sight of these specific needs, the definition and the design of dedicated architectures seem to be an adequate solution to reach significant performances. The evolution of the integration levels allows the development of structures dedicated to image processing in real time at low prices. We propose a hardware implementation of cross-correlation algorithm adapted to internal architecture of FPGA with an aim of obtaining the real time PIV. In this thesis, we were interested in the architecture design of System on-a-Chip dedicated to physical measurements of parameters by real time image processing. This is a hierarchical and modular architecture dedicated to applications of “Dominant input data flow”. This hierarchical description allows a modification of number and/or nature of elements without architecture modifications. For one measurement computation, it needs 267 µs with a FPGA at the frequency of 50 MHz. To estimate the system performances, a CMOS image sensor was connected directly to the FPGA. That makes it possible to carry out a compact, dedicated and easily reuse system. An architecture made up of 5 computation modules allows satisfying the constraint of real time processing with this prototype.