Çok katmanli bir hücresel sinir ağı emülatörünün tasarlanması ve FPGA üzerinde gerçeklenmesi

Elektronik mühendisliği eskiden elektrik mühendisliğinin bir alt dalı iken yakın geçmişte artık anadal haline gelmiş ve birçok alt dala ayrılmıştır. Bu alt dallardan birisi de birden fazla mühendislik alanı içine giren görüntü işleme olup görüntü işleme türleri de teknolojinin gelişimine bağlı olarak artmış ve gelişmiştir. Günümüzde çeşitli görüntü işleme uygulamaları gerçekleyebilen analog ve dijital birçok sistem bulunmaktadır. Bu sistemlerden bir tanesi de her bir hücrenin çıkışının komşuluğundaki hücrelerin giriş ve çıkışlarının kullanılarak hesaplandığı bir yapı olarak ortaya atılan hücresel sinir ağıdır(HSA). HSA yapısı sadece görüntü işleme değil örneğin kaotik sistemler ve kısmi türevli diferansiyel denklemlerin çözülmesi gibi uygulamalarda da kullanılmaktadır fakat görüntü işleme dışındaki uygulamalar bu tezin kapsamı dışındadır. HSA, ilk olarak sürekli zamanlı ve uzayda ayrık bir hücreler topluluğu olarak tanımlanmıştır. HSA yapısının görüntü işlemede kullanılması amacıyla her bir piksele ait giriş ve çıkış her bir hücrenin giriş ve çıkışına karşı düşürülür. İki boyutlu HSA hücreleri topluluğu bir uygulamaya özel tümdevre (UÖTD) olarak gerçekleştirilebilir ya da dijital bir donanımla emülasyonu yapılabilir. Günümüze dek analog gerçekleştirmelerde azami çözünürlük 176x144 iken dijital gerçekleştirmelerde ise 640x480 olarak bildirilmiştir. Dijital emülasyonlar için daha yüksek çözünürlükler bildirilmiş olmasına rağmen bu emülasyonların çerçeve hızları önemli ölçüde düşmektedir. Son zamanlarda ortaya atılan ve ikinci nesil gerçek zamanlı hücresel sinir ağı işlemcisi (GZHSAİ-v2) adı verilen bir HSA emülatörü ise yüksek çözünürlüklü full-HD 1080p@60 (1920x1080 çözünürlük, 60 Hz çerçeve hızı) görüntüleri işleyebilmektedir. HSA yapısı ilk uygulamalarda tek katmanlı olarak kullanılmıştır. Bu haliyle birçok görüntü işleme uygulamasını gerçekleyebiliyorken hassasiyet ve duyarlılık isteyen uygulamalar, kompleks sayılarla yapılan işlemler ve yüksek mertebeden kısmi türevli diferansiyel denklemlere sahip sistemlerin modellenmesi gibi algoritmaların tek katmanlı HSA yapısı ile gerçeklenmesi zor ya da imkansız olmaktadır. Bu tezde full-HD 1080p@60 video görüntülerini işleyebilen ayrık zamanlı iki ve çok katmanlı HSA mimarisi tasarımları ve gerçeklenmeleri önerilmiştir. Bu tasarımlar iki ve çok katmanlı GZHSAİ olarak adlandırılmış olup GZHSAİ-v2 yapısına dayanmaktadır. İki katmanlı yapı genel matematiksel modeldeki şablonların tümünü gerçekleyebiliyorken, çok katmanlı yapı için ise yeni bir katman komşuluğu kavramı tanımlanmıştır. Bu kavrama göre katmanlar arası bağlantılar sadece belirli bir komşuluk mesafesiyle sınırlanmıştır. İki katmanlı bir GZHSAİ mimarisi Altera Stratix IV GX 230 modeli bir alanda programlanabilir kapı dizisi (FPGA) üzerinde gerçeklenmiştir. Tasarlanan prototip bu FPGA üzerinde 24 Euler iterasyonu yapabilmektedir. Görünen piksel hızı 124.4 MP/s, piksel saat frekansı 148.5 MHz, veri çıkış hızı ise 124.4 MP/s'dir.