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Thierry Bernard ENSTA Alain Mérigot IEF 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 1 Valentin Gies.

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1 Thierry Bernard ENSTA Alain Mérigot IEF 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 1 Valentin Gies

2 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 2 Moins cher ! Plus de services ! ex : Vidéo Plus longtemps ! Basse consommation

3 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 3 Plan de lexposé Enjeux des rétines artificielles. Traitements dimages régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale.

4 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 4 Enjeux des rétines artificielles. Quest-ce quune rétine artificielle ? Mode de fonctionnement des rétines actuelles. Un fonctionnement adapté au traitement dimages de bas niveau. Traitements dimages régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale.

5 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 5 Enjeux des rétines artificielles Quest-ce quune rétine artificielle ? Imageur CMOS avec un processeur élémentaire par pixel. 10 Millions de transistors grille 2D de processeurs cellulaires à entrée optique. Spécificités : Utilisation pour des applications basse consommation dénergie. Ressources par pixel très limitées : quelques centaines de transistors. Mode de fonctionnement des rétines actuelles Fonctionnement en mode synchrone SIMD piloté de lextérieur. Tous les processeurs fonctionnent ensemble et font la même chose.

6 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 6 Enjeux des rétines artificielles Un fonctionnement adapté au traitement dimages de bas niveau Opérations massivement parallèles SIMD locales Ex : Morphologie mathématique (détection de contours, de points dintérêts, filtrage…) Efficace énergétiquement : tous les processeurs sont au travail. Limitations : opérations sur des groupes de pixels Ex : en compression vidéo, importance de la segmentation dimages. Limage est considérée comme un ensemble de points, et non pas comme un ensemble dobjets : Difficulté pour communiquer régionalement. Absence de représentation des données régionales.

7 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 7 Enjeux des rétines artificielles. Traitements dimages régionaux. Nécessité et définition de la régionalisation. Opérations régionales en traitement dimages : 2 formulations. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale.

8 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 8 Traitements dimages régionaux Nécessité et définition de la régionalisation Transformation de la nature des informations dans une chaîne de traitement dimages : En entrée : Information répartie dans chaque pixel (niveau de gris de chaque pixel). En sortie : Information synthétique (caractéristiques des objets de limage). Opérations régionales : opérations de moyen niveau seffectuant sur des formes proches des objets de limage en vue de générer des informations synthétiques à partir dinformations réparties.

9 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 9 Opérations régionales en traitement dimages : 2 formulations Formulation différentielle : Méthode : relaxation dEDP locales (calcul par itérations). Exemple : moyenne calculée par relaxation dun Laplacien. Implantation : modèles par éléments finis. Réseaux de neurones cellulaires (CNN) Formulation intégrale : Méthode : Utilise les données provenant de toute la région (calcul direct). Exemple : moyenne calculée à laide dune somme régionale. Implantation : nécessite de pouvoir faire des calculs intégraux sur des régions. Maille Associative dOrsay (MAO) Traitements dimages régionaux

10 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 10 Traitements dimages régionaux Opérations régionales en traitement dimages : 2 formulations Dualité entre les 2 formulations dans les cas simples : Théorèmes de passage : Théorèmes de Green-Ostrogradski, Stokes. Des limitations propres à chaque formulation : Formulation intégrale : Impossible deffectuer des opérations régionales ayant un résultat différent dans chacun des pixels. Transformée en distance Formulation différentielle : Impossibilité de trouver une formulation différentielle correspondant à certaines grandeurs régionales. Distance de Haussdorf (taille de la région) dans léquation de Mumford-Shah :

11 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 11 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone Enjeux des rétines artificielles. Traitements dimages régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Graphes et asynchronisme. Comparaison darchitectures asynchrones existantes. Contraintes liées aux rétines et position du problème. Primitives intégrales fondamentales. Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale.

12 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 12 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Représentation des régions à laide de graphes. Graphes et modèle des réseaux associatifs : Description de la topologie des régions à laide dune fonctionnalité locale : les connexion programmables. Guidage des propagations Graphe fortement connexeGraphe filaireArbre couvrant

13 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 13 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Communications régionales sur les graphes Utilisent des primitives basées sur les propagations Ex : reconstruction géodésique sur une région. En SIMD, des inconvénients : Temps de propagation important. Energie consommée importante. (voir transparent suivant)

14 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 14 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème.

15 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 15 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Communications régionales sur les graphes Intérêt de lasynchronisme Plus économe : pas denvois dordres SIMD à la rétine lorsque le taux dutilisation des processeurs est faible : synchronisations locales. Plus rapide : temps de propagation dans un processeur : temps moyen en asynchrone. > temps maximum en SIMD. Inconvénients : Coût dimplantation élevé.

16 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 16 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Comparaison darchitectures asynchrones existantes.

17 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 17 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Contraintes liées aux rétines et position du problème Réduction au maximum des ressources utiles à la régionalisation. Limitation au cas des opérations régionales intégrales.

18 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 18 Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Primitives intégrales fondamentales Le OU régional : Utilisé par les fonctions maximum et minimum La somme régionale Opérateur dont le résultat change lorsquune entrée change. Opérateur symétrique ( réseaux associatifs). Extension à n bits du OU exclusif régional (sous contrainte davoir un opérateur croissant). Un choix architectural : implanter la somme et le OU régionaux sous une forme la moins coûteuse et la moins dédiée possible.

19 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 19 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone Enjeux des rétines artificielles. Traitements dimages régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs. La structure des micropipelines convergents. La transmission par jetons : un mode de communication associé aux micropipelines convergents. Implantation de la somme régionale à laide de micropipelines convergents. Evaluation des performances. Optimisation du réseau de connexions. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale.

20 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 20 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs La structure des micropipelines convergents Larbitre asynchrone : une nécessité pour construire les arbres couvrants : Reconstruction géodésique Chaque pixel a un antécédent unique Larbitre asynchrone assure lunicité de lantécédent. Larbitre est indispensable : utilisons le au maximum !

21 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 21 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs La structure des micropipelines convergents Larbitre asynchrone + porte OU, un multiplexeur automatique : Arbitre : sélectionne une entrée active et une seule. Porte OU : regroupe les sorties de larbitre vers un rail unique. Arbitre + OU : multiplexe les créneaux de tension présents en entrée. Pb : Il faut prévenir lenvoyeur du créneau que celui-ci a été transmis. La structure de contrôle des micropipelines (SCMP) : Implante le protocole de poignée de main. Effectue des propagations asynchrones. Ensemble (Arbitre+ Porte OU + SCMP) : Rassemble et transmet des créneaux de tensions (jetons).

22 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 22 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Schéma fonctionnel (version à 4 entrées) : Implantation électronique (version à 2 entrées) :

23 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 23 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs La transmission par jetons : un mode de communication associé aux micropipelines convergents. Jeton : créneau spatio-temporel de tension Se propage sur une structure telle que les micropipelines convergents. 2 jetons ne peuvent se fusionner. Propriétés de la transmission par jetons : Le nombre de jetons présents dans le réseau reste constant. Propagations sans synchronisation externe (résout le problème de lenvoi dordres SIMD lorsque le taux dutilisation des processeurs est faible). Transmission par jetons associée à une structure darbre couvrant : Permet de propager et de regrouper les jetons vers la racine de larbre.

24 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 24 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Implantation de la somme régionale à laide de micropipelines associatifs. Calcul de la somme : séquence de calculs de parité (OU exclusif régional). Chaque paire de jetons éliminée génère un jeton de poids supérieur utilisé au calcul de parité suivant : Calcul du bit de poids faible (poids 0) : S = a n 2 n +a n-1 2 n-1 +…+a 1 2+a 0 Nombre de jetons générés : a n 2 n-1 +a n-1 2 n-2 +…+a 1 Parité : a 0 Calcul du bit poids 1: S = a n 2 n-1 +a n-1 2 n-2 +…+a 2 2+a 1 Nombre de jetons générés : a n 2 n-2 +a n-1 2 n-1 +…+a2 Parité : a 1

25 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 25 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Implantation de la somme régionale à laide de micropipelines associatifs. Calcul dun bit de la somme Initialisation (1 jeton par pixel) Propagation des jetons Elimination des paires de jetons > 1 jeton 0 ou 1 jeton Résultat = parité de lensemble Initial de jetons

26 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 26 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Calcul parallèle de la surface de plusieurs régions.

27 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 27 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Evaluation du calcul de sommes régionales à laide de micropipelines associatifs. Aspects électroniques : Coût en transistors réduit (52 tr/pixel). Rapidité : 1000 sommes/seconde dans chaque région de limage. Aspects énergétiques : Utilisation de la rétine en mode SIMD lorsque le taux dutilisation des processeurs est élevé. Utilisation de la rétine en mode asynchrone lors des propagations (taux dutilisation des processeurs faible)

28 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 28 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Réduction du coût matériel par optimisation du réseau de connexion Peut-on réduire le coût du micro-pipeline convergent à 4 entrées ? Micropipeline : Non ! Arbitre à 4 entrées : Oui ! Comment ? Réduction nombre dentrée de larbitre. Est-ce possible ? Pour établir un arbre contenant n pixel : n-1 micropipelines convergents à 2 entrées suffisent. Un micro-pipeline convergent à 2 entrées est utilisé.

29 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 29 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Réduction du coût matériel par optimisation du réseau de connexion Nécessité des connexions diagonales en maille carrée. -> Connexité matérielle : 4 6 connexité -> Connexité fonctionnelle : reste 4-connexité Contrainte : Initialisation du réseau. Il faut pouvoir établir un chemin orienté entre tout couple de pixel de la région Permet de construire un arbre couvrant à partir dun point quelconque. -> Composante fortement connexe avec des opérateurs à 2 entrées.

30 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 30 Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs Réduction du coût matériel par optimisation du réseau de connexion Algorithme utilisé : SIMD sans itérations (rapide et efficace) Résultats Réduction matérielle un bon compromis :28 transistors au lieu de 52 précédemment, 2 connexions programmables à contrôler en plus. Fonctionne aussi en 6-connexité fonctionnelle à laide dun réseau en 8-connexité matérielle.

31 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 31 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone Enjeux des rétines artificielles. Traitements dimages régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Une nouvelle architecture : les micropipelines convergents. Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale. Analogies Principe, équations Algorithme Résultats

32 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 32 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Introduction Méthodes de segmentation performantes évaluées : Nouvelle méthode de segmentation adaptée aux rétines : La segmentation sociétale Efficacité des mesures régionales Utilisation intensive LocalIntégralInconvénients Contours actifs XX Non générique Split and merge (Algorithme CSC) X Utilise des tessellations multi-résolution figées Itératif, artefacts Ligne de partage de eaux X Échanges régionaux par propagations SIMD inefficace EDP (modèle par éléments finis) X

33 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 33 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Analogies Un village est une zone dinfluence, une région dans une image aussi : Image Territoire géographique Région Village Pixel Parcelle de terrain Altitude Luminance Une variable cachée : la population Probabilité quune parcelle appartienne au village auquel elle est rattachée. Probabilité quun pixel appartienne la région à laquelle il est rattaché.

34 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 34 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Principes et équations 1er principe : règles de croissance de population Possibilité de communiquer localement Homogénéité et taille du village Possibilité de communiquer avec le centre Diffusion de la population

35 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 35 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Principes et équations 2e principe : règles de fusion de villages : Critère homogénéité - taille des régions : Longueur de la frontière commune : Hauteur de la frontière commune :

36 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 36 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Principes et équations 3e principe : les conflits inter villages : La densité de population = pertinence de lappartenance dune parcelle à un village. Paradoxe : la population à la frontière des villages, et donc la pertinence de ces frontières est plus élevée dans les zones à faible gradient daltitude que dans les zones montagneuses. Introduction dune 3e règle, les conflits inter villages. Dans les zones plates, lincertitude liée au placement de la frontière conduit à des conflits pour le contrôle de cette frontière.

37 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 37 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Algorithme Initialisation : population à 1 dans chaque pixel Initialisation régulière et sans présupposé. Itérations : En alternance : 1er principe, 2e principe et 3e principe Des itérations adaptées aux rétines asynchrones (ex : 2 e pr règle 2) Somme sur la frontière commune de valeurs initialisée à 1 : length(x b ) Somme sur les contours des régions de valeurs initialisées à K 2 : C 1 *K 2 Comparaison entre length(x b ) et C 1 *K 2 Terminaison : Lalgorithme est terminé lorsque les segmentations obtenues à lissu de deux itérations successives sont identiques (idempotence).

38 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 38 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Résultats Image originaleSegmentation sociétale Densité de rouge : Pertinence des frontières

39 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 39 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Résultats Règle des problèmes existant dans certaines méthodes de segmentation : Initialisation régulière. Fonctionne sur des images quelconques. Pas de problème de tessellation : la forme des régions sadapte aux objets de limage. Plus rapide que les méthodes par EDP locales. Pas dopérateurs locaux itérés tels que ceux des modèles par éléments finis. Utilise des opérateurs régionaux intégraux à la place : environ 100 calculs régionaux pour segmenter une image < 0.05 s / image en techno 0.18 um temps réel Utilise fortement les capacités des micropipelines associatifs.

40 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 40 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Résultats Robustesse au bruit Image originaleSegmentation sociétale

41 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 41 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Résultats Robuste aux variations de paramètres Les paramètres peuvent être ajustés avec une grande tolérance. Un paramètre (K 1 ) permet dajuster le grain de la segmentation.

42 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 42 Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Résultats

43 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 43 Conclusion Plan de lexposé Enjeux des rétines artificielles. Traitements dimages régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Une nouvelle architecture : les micropipelines convergents. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale.

44 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 44 Conclusion Perspectives Réalisation dune rétine asynchrone. Exploiter les opportunités algorithmiques offertes par lasynchronisme dans les rétines artificielles. Les rétines artificielles asynchrones, un pas vers un microprocesseur reconfigurable dynamiquement ?

45 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone 45 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone Merci de votre attention ! Présentation et manuscrit téléchargeables à ladresse suivante :


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