Diseño e implementación de estructuras neuronales celulares para procesamiento de imágenes con Hardware Reconfigurable

Muñoz Mendoza, Luis Felipe

Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: https://hdl.handle.net/20.500.12104/80570

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Campo DC	Valor	Lengua/Idioma
dc.contributor.advisor	Raygoza Panduro, Juan José
dc.contributor.advisor	Ortega Cisneros, Susana
dc.contributor.author	Muñoz Mendoza, Luis Felipe
dc.contributor.editor	CUCEI
dc.contributor.editor	Universidad de Guadalajara
dc.contributor.other	Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica y Computación
dc.date.accessioned	2020-04-05T19:02:56Z	-
dc.date.available	2020-04-05T19:02:56Z	-
dc.date.issued	2015
dc.identifier.uri	http://wdg.biblio.udg.mx
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/20.500.12104/80570	-
dc.description.abstract	En esta tesis se propone el diseño y la implementación sobre Hardware Reconfigurable FPGA (Field Programmable Gate Array) de una estructura para el procesamiento de imágenes en escala de grises basado en redes neuronales celulares (CNN Ce/fular Neura/ Network). Partiendo del estado del arte referente a todo lo que involucra el modelo de la CNN junto con la teoría del Procesamiento Digital de Imágenes, este trabajo plantea la metodología para el diseño de módulos capaces de realizar operaciones morfológicas sobre imágenes a escala de grises, que en conjunto integren redes con diferentes estructuras, por medio de la utilización de un lenguaje de descripción de Hardware, tratando de obtener el equilibrio justo entre velocidad de procesamiento y área de ocupación. El paradigma de la CNN lo desarrollaron L. O. Chua y L. Yang a finales de los años 80, sus trabajos respecto al tema explican tanto la teoría como algunas de las aplicaciones. Tomando como base las redes neuronales artificiales y la estructura de los autómatas celulares, las redes neuronales celulares explotan su característica de procesamiento masivo paralelo, ya que alteran su estado actual, por medio de la interacción de unidades de procesamiento individuales (llamadas células) y mediante una esfera de influencia determinada, mejor conocida como vecindario.
dc.description.tableofcontents	Tabla de Contenidos Resumen ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...... 7 Abstract ............................................................................................................................................ 9 Tabla de Contenidos ....................................................................................................................... 11 Lista de tablas ................................................................................................................................. 15 Lista de figuras ............................................................................................................................... 1 7 1. INTRODUCCIÓN .......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... 23 1.1 Redes Neuronales Celulares ..................................................................................................... 23 1.2 Hardware Reconfigurable FPGA ............................................................................................. 24 1.3 Justificación ............................................................................................................................. 25 1.4 Objetivos .................................................................................................................................. 26 1.4.1 Objetivo General ....... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ........ 26 1.4.2 Objetivos Específicos ........ .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ........ 26 1. 5 Metodología ............. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ........ 26 1.6 Estructura de la tesis ................................................................................................................. 27 2. REDES NEURONALES CELULARES ............................................................... 31 2.1 Introducción ............................................................................................................................. 31 2.2 Red Neuronal Celular (CNN) ................................................................................................... 31 2.3 Arquitectura de una CNN ......................................................................................................... 32 2.4 Modelos de una CNN ............................................................................................................... 35 2.4.1 CNN de una capa .................................................................................................................. 35 2.4.2 CNN multicapa ...................................................................................................................... 36 2.4.3 CNN en tiempo discreto ........................................................................................................ 37 2.4.4 Plantillas CNN ...................................................................................................................... 38 2.4.5 Condiciones de frontera ................................ .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ........ 39 2.5 CNN y el Procesamiento Digital de Imágenes ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ........ 40 2.5.1 Representación de una imagen digital... ................................................................................ 40 2.6 Procesamiento morfológico ...................................................................................................... 42 3. SIMULACIONES EN SOFTWARE ..................................................................... 47 3 .1 Introducción ............................................................................................................................. 4 7 3.2 Procesamiento de imágenes utilizando Microsoft Excel® ....................................................... 47 3.3 MATLAB® .............................................................................................................................. 51 3.3.1 Interfaz gráfica de usuario GUIDE ........................................................................................ 55 3.4 CANDY .................................................................................................................................... 57 4. IMPLEMENTACIONES EN HARDWARE ........................................................ 63 4.1 Introducción .............................................................................................................................. 63 4.2 Hardware Reconfigurable ......................................................................................................... 63 4.2.1 Virtex-6 y la tarjeta de desarrollo ML605 ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....... 66 4.3 Desarrollo de las principales estructuras ....... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....... 69 4.3.1 Entidades aritméticas básicas ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....... 69 4.3.2 Convolucionador ................................................................................................................... 79 4.3.3 CNN de conexiones fijas ....................................................................................................... 82 4.4 Desarrollo de red neuronal celular configurable por registros .................................................. 88 4.4.1 Registros de configuración .................................................................................................... 88 4.4.2 Elementos de procesamiento (célula) .................................................................................... 90 4.4.3 Funcionamiento ..................................................................................................................... 93 4.5 Descripción de los módulos internos de la CNN ...................................................................... 97 4.5.1 Sumador restador ................................................................................................................... 98 4.5.2 Cálculo del vecindario ........ .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ......... 100 4.5.3 Unidad de control intema ............... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ......... 104 4.5.3 Unidad de generadora de registros ..... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ......... 106 4.6 Procesamiento de una imagen ................................................................................................ 107 4. 7 Arquitecturas implementadas ................................................................................................. 11 O 4. 8 Estimación de ocupación ........................................................................................................ 11 O 4.9 Estimación de tiempo de procesamiento ................................................................................ 114 RESULTADOS .......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ 119 5 .1 Introducción ............................................................................................................................ 119 5 .2 Célula ( elemento de procesamiento) ...................................................................................... 119 5.3 CNN de 3x3 ............................................................................................................................ 120 5.4 CNN de 5x5 ............................................................................................................................ 122 5.5 CNN de 4x6 ............................................................................................................................ 123 5.6 Sistema para procesamiento de imágenes ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ............. 125 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 131 Trabajos publicados obtenidos de esta tesis ............................................................... 133 Trabajos futuros .......................................................................................................... 133 Lista de Referencias ..... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ..... 134 Apéndice A .................................................................................................................................. 140 A. 1 Guía para procesamiento de imágenes en Excel ® y MATLAB® ......................................... 140 A.1.1 Excel® ................................................................................................................................ 140 A.1.2 MATLAB® ........................................................................................................................ 150 A.2 Desarrollo de la aplicación utilizando la interfaz gráfica de MATLAB ...... .... .... .... .... .... ...... 159 A.3 Imágenes procesadas con la aplicación creada usando GUIDE ...... .... .... .... .... .... .... .... .... ...... 169 Apéndice B ..... .... .... .... .................................... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...... 176 B.l Guía para crear proyectos en ISE 14.6 .................................................................................. 176 B.1.1 Interfaz gráfica del navegador de proyectos ISE 14.6 ........................................................ 176 B.1.2 Creación de un nuevo proyecto .......................................................................................... 179 B.2 Módulos descritos en VHDL ................................................................................................. 190 B.2.1 Módulo sumador. ................................................................................................................ 190 B.2.2 Módulo multiplicador. ........................................................................................................ 191 B.2.3 Módulo sumador restador. .................................................................................................. 194 B.2.4 Módulo sumador restador multioperando ........................................................................... 196 B.2.5 Módulo de habilitación de conexiones ..................... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...... 198 B.2. 7 Módulo del elemento de procesamiento (célula) ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...... 200 B.2.8 Módulo de generador de registros ........ .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ...... 203 B.2.9 Módulo CNN 3x3 ............................................................................................................... 219 B.2.1 O Sistema procesador de Imágenes ...................................................................................... 228 B.3 Imágenes procesadas con la Implementación en Hardware .................................................. 238
dc.format	application/PDF
dc.language.iso	es
dc.publisher	Biblioteca Digital wdg.biblio
dc.publisher	Universidad de Guadalajara
dc.rights.uri	https://wdg.biblio.udg.mx/politicasdepublicacion.php
dc.title	Diseño e implementación de estructuras neuronales celulares para procesamiento de imágenes con Hardware Reconfigurable
dc.type	Tesis
dc.type	Maestría
dc.rights.holder	Universidad de Guadalajara
dc.rights.holder	Muñoz Mendoza, Luis Felipe
dc.coverage	Guadalajara, Jal.
Aparece en las colecciones:	CUCEI

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