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2019 年度 実施状況報告書

FPGAを用いたディジタルホログラフィ専用計算システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 18K11328
研究機関東京理科大学

研究代表者

増田 信之  東京理科大学, 基礎工学部電子応用工学科, 教授 (60323333)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードハイパフォーマンスコンピューティング / 専用計算機 / FPGA / ディジタルホログラフィ
研究実績の概要

現在,様々な分野でディジタルホログラフィを使用した三次元計測が行われている.特に生体内の物質を輸送する血液の動きと赤血球などの形状を計測することは,生体内の物質の輸送機構を解明するために非常に重要なことである.また,近年になって三次元高速度イメージングにおいても,ディジタルホログラフィを応用した計測が行われてきている.しかしながら,これらの計測において,撮影されたホログラムから三次元空間を再生するためには,膨大な計算時間を必要とする.本研究では,ディジタルホログラフィを応用した三次元計測を支援するFPGA(Field Programmable Gate Array)を用いた専用計算機システムを構築し,それを様々な三次元計測に応用し,上記のような問題を解明することを最終的な目標としている.また,三次元計測と高速イメージングでは,再生に利用する計算式が一部違い,専用計算回路が異なる.FPGAでは回路の再構成は出来るが,ある程度の時間が必要となる.この時間を短縮するために,計算機システムを再起動する必要ない使い勝手のよいシステムを構築する.
本研究での,三次元空間再生用専用計算機システムが開発されれば,三次元流体速度場可視化技術,流体内の物質の移動や物体の形状を解析するためのアルゴリズム等の技術,三次元イメージングを応用した計測技術が今まで以上に向上すると考えられる.このような三次元空間再生システムの応用としては,様々な分
野で必要とされている.
また,FPGAを用いた高速計算システムが構築できれば,他のアクセラレータボードのような利用が可能となり,三次元計測システム以外の分野へ応用にも期待できる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成30年度の結果を元に,専用計算機用新ボードへの計算回路の実装準備を行った.ここでは,1枚の専用計算機ボードに複数個の計算回路を搭載し,並列して高速計算を行う設計になっている.現段階では設計は終了し,計算機上でのシミュレーションでは良好な結果を得ている.計算速度に関しては予測値とほぼ同等の速度が出ており,計算結果の精度に関しても,市販のPCなどの結果と同じ計算精度を得ていることが示された.また,新規に購入したFPGA評価ボードについては,PCへの接続テストも終了し,通信テストなどの簡単な回路の実装に成功している.データの通信速度も予定通りのパフォーマンスを得ている.平成30年度の研究結果については,現在論文雑誌に投稿中である.

今後の研究の推進方策

引き続き,専用計算機システムの性能評価を行う.また,実験系の研究者の方々と共同して,実際の実験において有効な結果が得られるように研究を進めていく予定である.同時に,FPGAの部分再構成を用いた複数の専用計算回路の切り替えをスムーズに行うシステムの開発を行う.また,C言語などで作成された数値計算コードをFPGAの回路情報に変換し,一般的な数値計算用のアクセラレータのような利用のできるシステムの構築の準備を行う.
各年度で研究の状況を公開するために,学会,国際会議,研究会などで積極的に発表を行っていく予定である.さらにある程度の研究成果が出たところで論文として投稿する予定である.また,大学主催のオープンキャンパスなどで,一般の方々にもわかりやすく紹介し,この技術がいかに社会に貢献出来るかを発信したいと考えている.

次年度使用額が生じた理由

理由 購入予定物品が計画時より購入価格が安くなったため使用金額が低くなり,繰越金が生じた.
使用計画 計算速度を比較するための計算機用のソフトウェアのバージョンアップが必要になるため,その追加支出に使用する.そのため,物品費に計上する.

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping2019

    • 著者名/発表者名
      Hirayama Ryuji、Martinez Plasencia Diego、Masuda Nobuyuki、Subramanian Sriram
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 575 ページ: 320~323

    • DOI

      10.1038/s41586-019-1739-5

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 組み込みシステム向け位相変調型電子ホログラフィ専用計算機の開発2019

    • 著者名/発表者名
      山本洋太 増田信之 下馬場朋禄 角江崇 伊藤智義
    • 学会等名
      FIT2019 第18回情報科学技術フォーラム
  • [学会発表] FPGAを用いた高速イメージング用専用計算機システム2019

    • 著者名/発表者名
      増田信之 佐藤紘将 祢津佑 大森一世 廣田祐輔 山本洋太 角江崇 下馬場朋禄 伊藤智義
    • 学会等名
      FIT2019 第18回情報科学技術フォーラム
  • [学会発表] 異なる高位合成環境下における2次元FFT演算回路の作成と比較2019

    • 著者名/発表者名
      大森一世 増田信之 佐藤紘将 祢津祐
    • 学会等名
      FIT2019 第18回情報科学技術フォーラム
  • [学会発表] 高位合成を用いた専用計算機の開発及び有用性の検討2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤紘将 祢津佑 大森一世 増田信之
    • 学会等名
      FIT2019 第18回情報科学技術フォーラム

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公開日: 2021-01-27  

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