Разработка алгоритмов цифровой обработки изображений на основе метода Винограда в общем виде и анализ их вычислительной сложности

Разработка алгоритмов цифровой обработки изображений на основе метода Винограда в общем виде и анализ их вычислительной сложности

Автор: Ляхов Павел Алексеевич, Нагорнов Николай Николаевич, Семнова Наталия Фдоровна, Абдулсалямова Альбина Шихаевна

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Обработка изображений, распознавание образов

Статья в выпуске: 1 т.47, 2023 года.

Бесплатный доступ

Стремительный рост количественных и качественных характеристик цифровых визуальных данных приводит к необходимости улучшения эксплуатационных показателей современных устройств обработки изображений. В данной работе предложены новые алгоритмы цифровой обработки двумерных изображений на основе метода Винограда в общем виде. Анализ полученных результатов показал, что использование метода Винограда сокращает вычислительную сложность обработки изображений до 84 % по сравнению с традиционным прямым методом цифровой фильтрации в зависимости от параметров фильтра и фрагментов изображения, не влияя при этом на качество обработки изображения. Составленные матрицы преобразования метода Винограда и разработанные алгоритмы могут быть использованы в системах обработки изображений для улучшения эксплуатационных характеристик современных микроэлектронных устройств, осуществляющих очистку от шума и сжатие изображений, а также распознавание образов. Перспективным направлением дальнейших исследований является аппаратная реализация разработанных алгоритмов на современных устройствах вычислительной техники, таких как программируемые пользователем вентильные матрицы и интегральные схемы специального назначения, разработка алгоритмов цифровой обработки изображений, используемой в сверточных нейронных сетях, на основе метода Винограда в общем виде для одномерных вейвлет-фильтров с децимацией и для свертки с шагом.

Еще

Цифровая обработка изображений, цифровая фильтрация, метод винограда, вычислительная сложность

Короткий адрес: https://sciup.org/140296265

IDR: 140296265   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1146

Список литературы Разработка алгоритмов цифровой обработки изображений на основе метода Винограда в общем виде и анализ их вычислительной сложности

  • Gonzalez RC, Woods RE. Digital image processing. Pearson Education Limited; 2018.
  • Rossinelli D, Fourestey G, Schmidt F, Busse B, Kurtcuoglu V. High-throughput lossy-to-lossless 3d image compression. IEEE Trans Med Imaging 2021; 40(2): 607620. DOI: 10.1109/TMI.2020.3033456.
  • Smistad E, 0stvik A, Pedersen A. High performance neural network inference, streaming, and visualization of medical images using FAST. IEEE Access 2019; 7: 136310136321. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2942441.
  • Avenido HGD, Crisostomo RV. Image reconstruction from a large number of projections in proton and 12C ions computed tomography using sequential and parallel ART algorithms. Procedia Comput Sci 2022; 197: 126-134. DOI: 10.1016/J.PROCS.2021.12.126.
  • Mittal S, Vibhu. A survey of accelerator architectures for 3D convolution neural networks. J Syst Archit 2021; 115: 102041. DOI: 10.1016/J.SYSARC.2021.102041.
  • Chervyakov NI, Lyakhov PA, Nagornov NN, Valueva MV, Valuev GV. Hardware implementation of a convolu-tional neural network using calculations in the residue number system. Computer Optics 2019; 43(5): 857-868. DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-857-868.
  • Le NT, Wang J-W, Le DH, Wang C-C, Nguyen TN. Fingerprint enhancement based on tensor of wavelet subbands for classification. IEEE Access 2020; 8: 6602-6615. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2964035.
  • Winograd S. Arithmetic complexity of computations. Philadelphia, Pennsylvania: Society for Industrial and Applied Mathematics; 1980. ISBN: 0-89871-163-0.
  • Lavin A, Gray S. Fast algorithms for convolutional neural networks. 2016 IEEE Conf on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR) 2016: 4013-4021. DOI: 10.1109/CVPR.2016.435.
  • Yepez J, Ko SB. Stride 2 1-D, 2-D, and 3-D Winograd for convolutional neural networks. IEEE Trans Very Large Scale Integr Syst 2020; 28(4): 853-863. DOI: 10.1109/TVLSI.2019.2961602.
  • Mehrabian A, Miscuglio M, Alkabani Y, Sorger VJ, El-Ghazawi T. A Winograd-based integrated photonics accelerator for convolutional neural networks. IEEE J Sel Top Quantum Electron 2020; 26(1): 6100312. DOI: 10.1109/JSTQE.2019.2957443.
  • Shen J, Huang Y, Wen M, Zhang C. Toward an efficient deep pipelined template-based architecture for accelerating the entire 2-D and 3-D CNNs on FPGA. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 2020; 39(7): 1442-1455. DOI: 10.1109/TCAD.2019.2912894.
  • Wang X, Wang C, Cao J, Gong L, Zhou X. WinoNN: Optimizing FPGA-based convolutional neural network accelerators using sparse Winograd algorithm. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 2020; 39(11): 4290-4302. DOI: 10.1109/TCAD.2020.3012323.
  • Wu D, Fan X, Cao W, Wang L. SWM: A highperformance Sparse-Winograd matrix multiplication CNN accelerator. IEEE Trans Very Large Scale Integr Syst 2021; 29(5): 936-949. DOI: 10.1109/TVLSI.2021.3060041.
  • Valueva M, Lyakhov P, Valuev G, Nagornov N. Digital filter architecture with calculations in the residue number system by Winograd method F (2х2, 2х2). IEEE Access 2021; 9: 143331-143340. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3121520.
  • Waring EFRS. VII. Problems concerning interpolations. Philos Trans R Soc 1779; 69: 59-67. DOI: 10.1098/RSTL.1779.0008.
  • Horn RA, Johnson CR. Topics in matrix analysis. Cambridge: Cambridge University Press; 1991. ISBN: 978-0521-30587-7.
  • Valueva MV, Lyakhov PA, Nagornov NN, Valuev GV. High-performance digital image filtering architectures in the residue number system based on the Winograd method. Computer Optics 2022; 46(5): 752-762. DOI: 10.18287/2412-6179-C0-933.
  • Zimmerman, R. Binary adder architectures for cell-based VLSI and their synthesis. A dissertation thesis for the degree of Doctor of technical sciences. Konstanz Hartung-Gorre; 1998. Diss ETH No 12480.
  • Kogge PM, Stone HS. A parallel algorithm for the efficient solution of a general class of recurrence equations. IEEE Trans Comput 1973; C-22(8): 786-793. DOI: 10.1109/TC.1973.5009159.
  • Parhami B. Computer arithmetic: Algorithms and hardware designs. Oxford University Press; 2010.
  • Lyakhov P, Valueva M, Valuev G, Nagornov N. Highperformance digital filtering on truncated multiply-accumulate units in the residue number system. IEEE Access 2020; 8: 209181-209190. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3038496.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp