生物の縞模様生成メカニズムに学んだディジタル信号処理アーキテクチャに関する研究
小室 勝郎
2014 年度 卒 ／修士（工学）
修士論文の概要
本研究は、高速な縞パターン画像生成を実現するためのハードウェア向け反応拡散アーキテクチャの提案と、そのFPGA実装に関するものである。
ソフトウェアによる反応拡散は、画像サイズや動作環境によっては高速に処理することが難しく、より高速な動作を行うためにはハードウェアの実現が必要であった。それに加え、ハードウェア化にあたっての回路規模の縮小、かつ高速な動作を行うことができるアーキテクチャの開拓が課題となっていた。そこで本研究では、従来の反応拡散アーキテクチャをより簡潔化し、高速に処置できる新しい反応拡散プロセッサの開発を目的とした。
最初に、反応拡散モデルの応用例としてステガノグラフィおよびそのシミュレーション結果について説明した。このステガノグラフィに用いた反応拡散モデルは、生物の縞生成メカニズムの基本となるセルオートマトンモデルを用いている。作業行程として、まずオリジナルの画像の中に秘匿情報を埋め込み、オリジナル画像と秘匿情報を埋め込んだ画像の双方に対して同じ反応拡散パラメータを用いた画像処理を行なう。処理を行なった後、縞パターンの画像が形成され、それらを差分計算することで、埋め込んだ情報を取り出すことができる。ハードウェア化に至る前置きとして、ソフトウェアシミュレーションを実行し、その動作を確認した。
次に、この反応拡散アーキテクチャをハードウェア化するための行程を説明する。まずハードウェア化に向けたより簡単に動作が可能な反応拡散モデルの探索を行なった。その後、簡単なモデルを用いたアーキテクチャをFPGAに実装し、そのシミュレーション結果およびハードウェア実装後の動作実験結果について解説した。
最後に、提案したアーキテクチャの拡張に向けた考察について説明した。実装したアーキテクチャの入出力データを外部メモリに格納することで、高速性を維持したままより大容量なデータの処理を行うことができる可能性について解説し、その拡張回路を実現するための外部SRAM接続についての考察を行った。