KR101531038B1 - Ｓｕｒｆ 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법 - Google Patents

Ｓｕｒｆ 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법 Download PDF

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Abstract

SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법이 개시된다. SURF 하드웨어 장치는 영상의 특징점 및 서술자를 연산하는 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치로서, 입력받은 흑백 영상을 토대로 적분 이미지를 생성하는 적분 이미지 생성부, 상기 적분 이미지의 화소값을 저장하고, 복수의 서브 적분 이미지를 포함하는 멀티 적분 이미지 메모리, 그리고 상기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링한 결과를 토대로 상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리의 클록 및 전원을 순차적으로 관리하는 메모리 관리부를 포함한다.

Description

ＳＵＲＦ 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법{SURF HARDWARE APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING INTEGRAL IMAGE MEMORY THEREOF}
본 발명은 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법에 관한 것이다.
SURF(Speeded Up Robust Feature) 알고리즘은 사물의 특징점을 추출하는 대표적인 알고리즘 중의 하나이다.SURF 알고리즘은 입력받은 흑백 영상을 토대로 적분 이미지를 재생성하여 객체·장면 인식을 수행한다.
SURF 알고리즘 특성상, 픽셀 바이 픽셀(pixel by pixel)로 적분 이미지 값을 읽어(Read) 헤이시안을 계산하기 때문에 적분 이미지 메모리의 접근 빈도는 상당히 높다. 그런데 외부 메모리에 적분 이미지를 저장할 경우, 속도 면에서 성능 열화가 심각하기 때문에 대부분의 구현이 내부에 듀얼(dual) 포트 기반의 메모리로 이를 구성한다.
하지만, 적분 이미지 저장을 위해 대용량의 메모리를 필요로 하고 이는 곧 심각한 전력 소모를 발생시키는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적분 이미지 메모리 소모 전력을 최소화하여 저전력으로 동작하는 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, SURF 하드웨어 장치는 영상의 특징점 및 서술자를 연산하는 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치로서, 입력받은 흑백 영상을 토대로 적분 이미지를 생성하는 적분 이미지 생성부, 상기 적분 이미지의 화소값을 저장하고, 복수의 서브 적분 이미지를 포함하는 멀티 적분 이미지 메모리, 그리고 기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링한 결과를 토대로 상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리의 클록 및 전원을 순차적으로 관리하는 메모리 관리부를 포함한다.
상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리는, 비트군 단위일 수 있다.
상기 메모리 관리부는,
제1 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하고 전원을 턴온하여 상기 적분 이미지의 화소값을 저장하고, 상기 적분 이미지 생성부로부터 출력되는 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링하여 기 정의된 임계값을 충족하면, 상기 제1 서브 적분 이미지 메모리의 다음 제2 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하여 전원을 턴온할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 적분 이미지 메모리 관리 방법은 영상의 특징점 및 서술자를 연산하는 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치가 적분 이미지 메모리를 관리하는 방법으로서, 입력받은 흑백 영상을 토대로 적분 이미지를 생성하는 단계, 그리고 상기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링한 결과를 토대로 복수의 서브 적분 이미지 메모리의 클록 및 전원을 순차적으로 관리하는 단계를 포함한다.
상기 관리하는 단계는,
제1 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하고 전원을 턴온하는 단계, 상기 제1 서브 적분 이미지 메모리에 상기 적분 이미지의 화소값을 저장하는 단계, 상기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링하여 기 정의된 임계값을 충족하는지 판단하는 단계, 그리고 상기 기 정의된 임계값을 충족하면, 상기 제1 서브 적분 이미지 메모리의 다음 제2 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하여 전원을 턴온하는 단계 를 포함할 수 있다.
상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리는 비트군 단위의 멀티 적분 이미지 메모리를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적분 이미지 메모리의 소모 전력을 최소화시켜 SURF 하드웨어 장치를 저전력으로 동작시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 적용되는 임의 영상에 대한 적분값 예시도이다.
도 2는 일반적인 단일 적분 이미지 메모리 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비트군 멀티 적분 이미지 메모리 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적분 이미지 메모리 관리 방법을 도시한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치 및 적분 이미지 메모리 관리 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 적용되는 임의 영상에 대한 적분값 예시도이고, 도 2는 일반적인 단일 적분 이미지 메모리 구조를 나타내며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비트군 멀티 적분 이미지 메모리 구조를 나타내고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, SURF 하드웨어 장치가 입력받는 영상은 8 비트 흑백(gray-scale) 영상이다.
한 픽셀의 값은 8비트로 표현되고, 즉 0~255 사이의 값을 가지게 된다. 이때, 한 픽셀의 최대값은 흰색일 때 255이고, 최소값은 검정색일 때 0이다. 즉, 프레임에 검정색에 가까운 색이 많을 수록 전체 합산값(적분값) 작아지게 된다.
도 1의 (A)의 입력 영상의 적분값은 '0xd1b2b0'이고, 도 1의 (B)의 입력 영상의 적분값은 '0x6529ab'이다. 이때, (B)의 영상이 (A)의 영상에 비해 검정색에 가까운 색들이 더 많은 것을 알 수 있다. 따라서, 상대적으로 검정색 픽셀이 더 많은 도 1의 (B)가 도 1의 (A)보다 적분값이 더 작음을 알 수 있다.
하드웨어 설계는 항상 최악 케이스(Worst Case)를 고려하는데, 즉, 640ㅧ480 크기 영상일 경우, 모든 픽셀의 값이 255일 때 적분 이미지의 최종 픽셀값은 78,336,000 이 되며 이를 위해 27 비트를 할당한다. 하지만, 일반적인 상황(영상)에서는 27 비트보다 적은 비트 필요하는 경우 대부분이다.
따라서, 도 2와 같이 종래에는 단일 적분 이미지 메모리 구조로 관리하던 것과 달리 본 발명의 실시예에서는 도 3과 같이 비트군 멀티 적분 이미지 메모리 구조를 관리한다.
도 4를 참조하면, 이미지 신호 처리부(Image Signal Processor, ISP)(1), SURF 특징 추출 IP(3)는 버스(5)를 통해 중앙 처리 프로세서(CPU)(7), 고속 스피드 인터페이스(High Speed Interfaces)(9), 저속 스피드 인터페이스(Low Speed Interfaces)(11) 및 외부 메모리(External Memory)(13)와 연결된다.
중앙 처리 프로세서(CPU)(33)는 SURF 하드웨어 장치에 내부 레지스터 설정 및 SURF를 동작시키기 위한 OS(Operating System) 및 펌웨어(Firmware)를 구동시킨다.
고속 스피드 인터페이스(High Speed Interfaces)(35)는 USB와 같은 고속의 외부 인터페이스를 제공하기 위한 제어기 모듈이다.
저속 스피드 인터페이스(Low Speed Interfaces)(37)는 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter), SPI(Serial Peripheral Interface)와 같은 저속의 외부 인터페이스를 제공하기 위한 제어기 모듈이다.
외부 메모리(External Memory)(13)는 흑백 영상이 저장되는 외부 메모리 파이(External Memory PHY)(15) 및 외부 메모리 파이의 동작을 제어하는 외부 메모리 제어기(External Memory Controller)(17)를 포함한다.
이미지 신호 처리부(ISP)(1)는 RGB(Red-Green-Blue)/Y(휘도)U(휘소 신호와 청색 성분의 차)V(휘도 신호와 적색 성분의 차) 영상을 생성한다.
이미지 신호 처리부(ISP)(1)는 흑백 영상 변환부(Gray-Scale Image Converter)(19) 및 W-DMA(Write Direct Memory Access) 모듈1(21)을 포함한다.
여기서, 흑백 영상 변환부(19)는 원본 영상을 흑백 영상으로 변환한다. 그리고 변환된 흑백 영상을 W-DMA 모듈1(21)을 통해 외부 메모리(13)에 저장한다.
적분 이미지 메모리(23)는 특징점 추출을 위한 전용 메모리로서, 적분 이미지 생성부(27)가 생성한 적분 이미지를 저장한다. 그리고 적분 이미지 메모리(23)는 복수의 헤이시안 계산부(Hessian Calculator)(31)가 서로 공유하는 메모리이다.
메모리 관리부(25)는 프레임 단위로 화소 적분값을 실시간 모니터링 해 이를 기반으로 적분 이미지 메모리(23)의 클록 및 전원을 관리한다.
이때, 적분 이미지 메모리(23)는 도 3과 같이 비트군 멀티 적분 이미지 메모리 구조로 구현된다. 즉, 메모리 관리부(25)는 도 2와 같은 단일 적분 이미지 메모리를 도 3과 같이 비트군(8비트 단위)으로 각각 3개의 적분 이미지 메모리가 계층화된 구조로 관리한다. 메모리 관리부(25)는 처음에는 제1 적분 이미지 메모리(23-1)에만 클럭을 인가하고 전원을 턴온하여 적분값을 저장하는 처리를 한다. 그리고 화소 적분값을 프레임 단위로 실시간 모니터링하여 화소 적분값이 기 정의된 임계값을 충족하면, 다음 제2 적분 이미지 메모리(23-3)에 클럭을 인가하고 전원을 턴온한다. 그리고 계속해서 화소 적분값을 프레임 단위로 실시간 모니터링하여 마찬가지로 화소 적분값이 기 정의된 임계값을 충족하면, 다음 제3 적분 이미지 메모리(23-5)에 클럭을 인가하고 전원을 턴온한다.
이와 같이, 메모리 관리부(25)는 적분 이미지 생성부(23)가 생성하는 적분값을 실시간 모니터링하고, 임계치에 기반하여 각각의 서브 적분 이미지 메모리(Sub-Integral Image MEM0, Sub-Integral Image MEM1, …, Sub-Integral Image MEMn)의 클록 및 전원을 순차적으로 관리(Integral Image Monitor & Integral Image Memory Clock/Power Manager)한다. 이때, 클록 및 전원의 턴-온(Turn-on) 및 변경 후 안정화 시간을 마진(Margin)으로 설정한다.
적분 이미지 생성부(27)는 R-DMA(Read Direct Memory Access) 모듈(29)을 이용해 외부 메모리(13)로부터 흑백 영상을 리드(Read)하여 적분 이미지를 생성한다.
이때, 적분 이미지 생성부(27)는 빠른 박스 필터링 연산을 위해 입력 영상인 흑백영상을 적분한 적분 이미지를 재생성하여 사용한다. 640ㅧ480 크기 및 8 비트 흑백 입력 영상인 경우, 한 픽셀이 가질 수 있는 최대값은 255이며 모든 픽셀이 255일 때 적분 이미지의 최대값은 78,336,000이 되어 이를 표현하기 위해서 최대 27비트가 요구된다.
복수의 헤이시안 계산부(31)는 박스 필터 패턴에 따라 데이터 패칭 유닛(Data Fatching Unit)(33)을 통해 적분 이미지 메모리(23)로부터 적분 이미지 화소값을 패치하여 박스 필터(Box filter) 연산을 수행한다. 그리고 복수의 헤이시안 계산부(31)가 계산한 헤이시안 값들은 각각의 헤이시안 메모리(35)에 저장된다.
특징점 추출부(37)는 각각의 헤이시안 메모리(35)에 저장된 박스 필터링 연산 결과를 기반으로 특징점을 추출한다. 이때, 다른 크기의 박스 필터링 연산 결과와 비교하여 헤이시안 값이 최대인 픽셀을 특징점으로 추출한다.
메인 제어부(Main Controller)(39)는 전체 블록을 제어하는 기능 외에 추가된 블록, 즉, 적분 이미지 메모리(23), 메모리 관리부(25)를 제어한다.
또한, 적분 이미지 메모리(23), 메모리 관리부(25), 적분 이미지 생성부(27), R-DMA 모듈(29), 헤이시안 계산부(31), 데이터 패칭 유닛(33), 헤이시안 메모리(35), 특징 추출부(37),메인 제어부(39) 및 W-DMA모듈2(41)을 포함하는 SURF 특징 추출 IP는 시스템-온-칩(System-On-Chip)으로 구현될 수 있다.
지금까지 설명한 내용을 토대로 적분 이미지 메모리를 관리하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적분 이미지 메모리 관리 방법을 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 메모리 관리부(25)는 적분 이미지 생성부(23)가 생성하는 화소 적분값을 실시간 모니터링한다(S101).
메모리 관리부(25)는 S101 단계에서 모니터링한 결과, 화소 적분값이 기 정의됨 임계치를 충족하는지 판단한다(S103). 여기서, 임계치는 적분 이미지 메모리(23)를 몇 개의 서브 적분 이미지 메모리로 분할하였는지에 의해 결정된다.
하나의 실시예에 따르면, 27bit의 데이터 넓이(data width)를 가지는 적분 이미지 메모리를 7bit짜리 메모리(상위 비트)와 20bit짜리 메모리(하위 비트), 두 그룹으로 분할할 수 있다. 이때, 하위 비트를 위한 20bit 메모리에, 220, 즉 0xFFFFF의 값까지 저장될 수 있다. 적분값이 그 이상이 된다면 상위 비트를 위한 7bit짜리 메모리를 턴온하는 것이다. 그리고 임계치에 턴온 마진(turn on margin)을 포함시킬 수 있다. 즉, 클럭(clock)이나 전원(power)을 켜서 안정화 되는 시간을 임계치에 마진(margin)으로 두어 좀 더 일찍 턴온시킬 수 있다.
한편, S103 단계에서, 충족하지 않으면, S101 단계를 다시 시작한다.
반면, 충족하면, 다음 서브 적분 이미지 메모리의 클록을 인가하여 전원을 턴온한다(S105).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 영상의 특징점 및 서술자를 연산하는 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치로서,
    입력받은 흑백 영상을 토대로 적분 이미지를 생성하는 적분 이미지 생성부,
    상기 적분 이미지의 화소값을 저장하고, 복수의 서브 적분 이미지 메모리를 포함하는 멀티 적분 이미지 메모리, 그리고
    상기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링한 결과를 토대로 상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리의 클록 및 전원을 순차적으로 관리하는 메모리 관리부
    를 포함하는 SURF 하드웨어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리는
    비트군 단위인 SURF 하드웨어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메모리 관리부는,
    상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리 중에서 제1 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하고 전원을 턴온하여 상기 적분 이미지의 화소값을 저장하고, 상기 적분 이미지 생성부로부터 출력되는 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링하여 기 정의된 임계값을 충족하면, 상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리 중에서 상기 제1 서브 적분 이미지 메모리의 다음 제2 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하여 전원을 턴온하는 SURF 하드웨어 장치.
  4. 영상의 특징점 및 서술자를 연산하는 SURF(Speeded Up Robust Feature) 하드웨어 장치가 적분 이미지 메모리를 관리하는 방법으로서,
    입력받은 흑백 영상을 토대로 적분 이미지를 생성하는 단계, 그리고
    상기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링한 결과를 토대로 복수의 서브 적분 이미지 메모리의 클록 및 전원을 순차적으로 관리하는 단계
    를 포함하는 적분 이미지 메모리 관리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관리하는 단계는,
    제1 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하고 전원을 턴온하는 단계,
    상기 제1 서브 적분 이미지 메모리에 상기 적분 이미지의 화소값을 저장하는 단계,상기 적분 이미지의 화소값을 실시간 모니터링하여 기 정의된 임계값을 충족하는지 판단하는 단계, 그리고
    상기 기 정의된 임계값을 충족하면, 상기 제1 서브 적분 이미지 메모리의 다음 제2 서브 적분 이미지 메모리에 클럭을 인가하여 전원을 턴온하는 단계
    를 포함하는 적분 이미지 메모리 관리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 서브 적분 이미지 메모리는 상기 적분 이미지의 비트군 단위를 포함하는 적분 이미지 메모리 관리 방법.
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