C++ 言語 基盤의 SoC 設計 方法論에 의한 온라인 文字認識 시스템 設計 = Design of on-line character recognition system using C++ language-based SoC design methodology
저자
발행사항
서울 : 경희대학교 대학원, 2001
학위논문사항
학위논문(박사)-- 경희대학교 대학원: 전자공학과 2001. 2
발행연도
2001
작성언어
한국어
주제어
KDC
005.133 판사항(4)
발행국(도시)
서울
형태사항
xii, 127p. : 삽도 ; 26cm.
소장기관
본 논문에서는 C++언어 기반의 시스템 칩(System-On-A-Chip) 설계 방법론에 의한 휴대용 정보단말기용 온라인 문자 인식 시스템을 설계하였다. 기존의 온라인 문자인식 연구는 소형화 저전력화 등 휴대형 정보기기에서 요구되는 특성과 펜 데이터 수집장치와의 인터페이스등 시스템 측면을 배제 한 채 인식 알고리즘의 개발에 치우쳐 있었다. 그 결과 인식 성능에 있어서 좋은 성과를 얻었음에도 불구하고 많은 연산량과 방대한 데이터 베이스로 인하여 휴대형 정보기기에 널리 사용되지 못하고 있다. 사용자의 필기 속도가 초당 1~2자 정도로 비교적 저속이며, 필기 정보의 수집과 전처리가 매우 간단한 반면 필기의 발생이 시간적, 공간적으로 매우 불규칙적인 온라인 문자인식의 특성을 반영하여 시스템 측면에서 인식 알고리즘을 분석하고 하드웨어를 설계하였다.
설계한 온라인 문자인식 시스템에 적용된 알고리즘은 계층적 상태 그래프를 이용한 휴대형 정보단말기용 KL-Rec 온라인 문자 인식 알고리듬으로서 한글 및 영문숫자 뿐만 아니라, 특수문자를 동일한 알고리즘으로 인식할 수 있다. KL-Rec 인식기는 필기 글꼴에 제한을 둔 인식 방법이긴 하나 인지도 조사에서 94% 이상의 만족도를 보인 필기글꼴을 제안하고 이를 바탕으로 필기 인식 실험에서 97% 이상의 인식율을 얻은 알고리즘이다.
온라인 문자인식 시스템을 설계하기 위하여 KL-Rec 인식기의 알고리즘을 하드웨어화 측면에서 분석하고 입출력 데이터의 특성에 따라 하드웨어 및 소프트웨어 처리 부분으로 분할 하였으며 C++ 언어와 SystemC를 이용하여 시스템 수준으로 모델링 하였다. 시스템 수준의 모델링과 시뮬레이션을 통하여 전반적인 시스템 타이밍, 각 분할된 알고리즘의 하드웨어 설계에 필요한 입출력 방식, 필요한 연산의 정도등을 예측하고 세부 설계의 기본적인 사양을 설정하였다. 데이터 입출력이 빈번한 펜 데이터 인터페이스 및 전처리 알고리즘과 많은 연산이 필요한 획인식 알고리즘은 전용의 하드웨어로 설계하였다. 획 정보로부터 상태 그래프의 탐색과 역추적에 의한 자소 인식은 알고리즘의 반복성과 되부름 구조를 가지고 있으므로 소프트웨어 적인 처리가 되도록 하였다. 소프트웨어 부분으로 분할된 알고리즘의 수행과 펜의 업다운(up-down)에 의한 인식 시스템의 운영, 외부 인터페이스를 위한 구동 소프트웨어 등을 위해서 8 비트 명령 축약형 프로세서(RISC)를 설계하였다. 하드웨어와 소프트웨어 부분으로 구성된 온라인 문자 인식 시스템 설계 과정에서 동시 설계 개발(HW/SW-codesign) 환경을 갖춤으로써 설계기간의 단축 뿐만 아니라 더욱 치밀한 설계가 이루어 지도록 하였다. 이를 위하여 설계한 8 비트 RISC의 소프트웨어 개발 도구인 명령 시뮬레이터(instruction simulator), 디버거(debugger), 그리고 어셈블러(assembler)를 제작 하였다. 설계한 하드웨어 부분과 소프트웨어는 모두 동일한 C++ 언어로 작성된 시스템 모의 실험 환경에서 개발이 되도록 함으로써 빠른 검증과 일관성 있는 시스템 칩 설계가 되도록 하였다.
휴대형 정보기기에 적합한 입력 장치의 요구사항은 최소 규모의 하드웨어 이어야 하고 휴대 정보기기의 시스템에 유연하게 인터페이스 될수 있어야 한다. 본 논문에서 설계한 온라인 문자인식 시스템 시뮬레이션 결과 1MHz의 시스템 클럭을 사용하여 실시간 인식이 가능하고, 하드웨어의 크기는 1만5천 게이트 수준으로 평가 되어 휴대형 정보기기에 적합하다. 설계한 온라인 문자인식 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어 동시 개발환경이 마련되어 있으므로 전자사전 등 단순 휴대 정보기기에서도 기본적인 입력장치의 필요성이 한층 높아지고 있는 추세에서 다양한 분야에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
In this dissertation, an on-line character recognition system is designed by means of System-On-A-Chip design methodology based on C++ language with SystemC library. Previous works of on-line character recognition are concentrated on the algorithms itself regardless of features required for portable or mobile computing devices, such as PDAs, that are smaller in size and less power consumption. In spite of good recognition results, recognizers are not implemented on the portable devices because of algorithmic complexity that require higher computing power, and large amount of databases which needs more resources of hardware.
KL-Rec, on-line character recognizer for Korean and alphanumeric characters, developed for portable devices, was adopted for designed system. At the beginning of design, algorithms that are composed of KL-Rec, are analyzed considering characteristics of on-line recognition system; slow writing speed of 1~2 character per second, simple in preprocessing, but very random event of writing. On the basis of analyzing result, algorithms are partitioned into hardware and software according to its behaviors and input/output data specification. KL-Rec recognizer has consisted of four sub-blocks that are pen-data interface, preprocessing, identifying strokes, and phoneme recognitions. Preprocessing algorithms including pen-data interface to pointing devices, such as tablet, and stroke recognition that performs exhaustive code string pattern matching to calculate similarities between input and references are partitioned and developed as a dedicated hardware. Phoneme recognizer is divided into software because of its r ecursive behavior of algorithm, tracing state graphs forwardly to combine a phoneme with informations of input strokes and backwardly to correct recognition result as a post-processing. 8 bit RISC that has 56 instructions set and 4-clock phase per a machine cycle is designed to execute phoneme recognizer partitioned as software and manage the system with control signals, such as pen-up and pen-down.
Hardware and software co-design environment that is composed of hardware model of preprocessing algorithms, stroke recognizer, and 8 bit RISC and its software development tools including instruction set simulator, interactive debugger, and assembler was developed. C++ based system-level design methodology is applied to design on-line character recognition system. Partitioned algorithms and 8 bit RISC are modeled in C++ and SystemC. Initial system model of the system including C and SystemC codes was analyzed and executable specification is developed. Starting with executable specification, an architecture model of the design through the architecture exploration which is the steps of allocation, partitioning, and scheduling between sub-blocks that is composed of designed system was created. Each sub-block is refined gradually from well-refined nature of system model.
Designed on-line character recognition system, supported by synthesis tools, is estimated 15k gates and runs at 1Mhz of core speed to recognize 1~2 written characters per second, suitable for portable devices. As the needs of mobile computing are on the increase, designed system can be adopted into simple devices with small sized hardware and real-time application with slow clock rates. And, with the help of HW/SW co-design environment, designed system can be developed easier and faster for various systems.
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