Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone
Valentin Gies Autre titre : Mixed synchronous-asynchronous implementation of a regional vision operator on a programmable artificial retina 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Moins cher ! Plus de services ! → ex : Vidéo Plus longtemps ! → Basse consommation Basse consommation et puissance de calcul : Composant dédié au traitement d’image, profitant de la localité de l’image. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Plan de l’exposé Enjeux des rétines artificielles. Traitements d’images 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. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Enjeux des rétines artificielles. Qu’est-ce qu’une rétine artificielle ? Mode de fonctionnement des rétines actuelles. Un fonctionnement adapté au traitement d’images de bas niveau. Traitements d’images 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. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Enjeux des rétines artificielles
Qu’est-ce qu’une 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 d’énergie. Ressources par pixel très limitées : quelques centaines de transistors. Mode de fonctionnement des rétines actuelles Fonctionnement en mode synchrone SIMD piloté de l’extérieur. Tous les processeurs fonctionnent ensemble et font la même chose. Les transistors sont répartis entre calcul, mémoire et communication ! Réduction d’un facteur 100 p/r à un PC. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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

Enjeux des rétines artificielles. Traitements d’images régionaux. Nécessité et définition de la régionalisation. Opérations régionales en traitement d’images : 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. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Traitements d’images régionaux
Nécessité et définition de la régionalisation Transformation de la nature des informations dans une chaîne de traitement d’images : En entrée : Information répartie dans chaque pixel (niveau de gris de chaque pixel). En sortie : Information synthétique (caractéristiques des objets de l’image). Opérations régionales : opérations de moyen niveau s’effectuant sur des formes proches des objets de l’image en vue de générer des informations synthétiques à partir d’informations réparties. Parle à cette slide des avantages en terme de : Réduction du nombre d’informations manipulées 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Opérations régionales en traitement d’images : 2 formulations Formulation différentielle : Méthode : relaxation d’EDP locales (calcul par itérations). Exemple : moyenne calculée par relaxation d’un 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 l’aide d’une somme régionale. Implantation : nécessite de pouvoir faire des calculs intégraux sur des régions. Maille Associative d’Orsay (MAO) 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Opérations régionales en traitement d’images : 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 d’effectuer 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 l’équation de Mumford-Shah : 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Enjeux des rétines artificielles. Traitements d’images régionaux. Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Graphes et asynchronisme. Comparaison d’architectures 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. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Représentation des régions à l’aide de graphes. Graphes et modèle des réseaux associatifs : Description de la topologie des régions à l’aide d’une fonctionnalité locale : les connexion programmables. Guidage des propagations Graphe fortement connexe Graphe filaire Arbre couvrant Préciser que l’on a en plus les avantages traditionnels de l’asynchronisme : temps de calcul = cas moyen au lieu du pire cas. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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) Préciser que l’on a en plus les avantages traditionnels de l’asynchronisme : temps de calcul = cas moyen au lieu du pire cas. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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

Régionalisation et rétines artificielles : architectures existantes et position du problème. Communications régionales sur les graphes Intérêt de l’asynchronisme Plus économe : pas d’envois d’ordres SIMD à la rétine lorsque le taux d’utilisation des processeurs est faible : synchronisations locales. Plus rapide : temps de propagation dans un processeur : ≈ temps moyen en asynchrone. > temps maximum en SIMD. Inconvénients : Coût d’implantation élevé. Préciser que l’on a en plus les avantages traditionnels de l’asynchronisme : temps de calcul = cas moyen au lieu du pire cas. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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

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. La densité de rouge traduit la pertinence de la solution proposée pour les opérations régionales. Cette pertinence peut-être vue comme une évaluation des possibilités offertes par une architecture en terme de vitesse de calcul, de fonctionnalités algorithmiques, en prenant toutefois en compte les ressources utilisées pour y arriver, et l’usage que l’on pourrait en faire dans une autre architecture implantée différemment. . 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 lorsqu’une entrée change. Opérateur symétrique (→ réseaux associatifs). Extension à n bits du OU exclusif régional (sous contrainte d’avoir un opérateur croissant). Un choix architectural : implanter la somme et le OU régionaux sous une forme la moins coûteuse et la moins dédiée possible. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Enjeux des rétines artificielles. Traitements d’images 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 l’aide de micropipelines convergents. Evaluation des performances. Optimisation du réseau de connexions. Application à une méthode de segmentation axée régionalisation : la segmentation sociétale. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Une nouvelle architecture : les micropipelines associatifs
La structure des micropipelines convergents L’arbitre asynchrone : une nécessité pour construire les arbres couvrants : Reconstruction géodésique Chaque pixel a un antécédent unique L’arbitre asynchrone assure l’unicité de l’antécédent. L’arbitre est indispensable : utilisons le au maximum ! Dans la MAO d’Orsay, on trouve divers opérateurs dont l’arbitre asynchrone. Arbre = Graphe acyclique = Pas de boucles. Une seule racine. Acyclique -> Important pour pouvoir effectuer des opérations non-idempotentes. Pour établir les arbres couvrants, on part de la racine et on effectue une propagation de manière à couvrir la région entière. Chaque pixel est inondé par un unique voisin, son antécédent. L’arbitre assure l’unicité de ce voisin. Le rôle de l’arbitre est de choisir un signal et un seul parmi ceux qui sont actifs, une seule sortie de l’arbitre pouvant être active. L’arbitre peut donc être vu comme un multiplexeur automatique permettant de choisir l’entrée correspondant à la première donnée arrivée et changeant d’entrée active dès que la précédente a été désactivée. In order to deactivate the selected input data when there is no need to keep it active, it is necessary to know when this data has been transmitted to the next processor. This functionality corresponds to the control structure of micro-pipelines introduced by I.E. Sutherland 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

La structure des micropipelines convergents L’arbitre asynchrone + porte OU, un multiplexeur automatique : Arbitre : sélectionne une entrée active et une seule. Porte OU : regroupe les sorties de l’arbitre vers un rail unique. Arbitre + OU : multiplexe les créneaux de tension présents en entrée. Pb : Il faut prévenir l’envoyeur 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). Dans la MAO d’Orsay, on trouve divers opérateurs dont l’arbitre asynchrone. Arbre = Graphe acyclique = Pas de boucles. Une seule racine. Acyclique -> Important pour pouvoir effectuer des opérations non-idempotentes. Pour établir les arbres couvrants, on part de la racine et on effectue une propagation de manière à couvrir la région entière. Chaque pixel est inondé par un unique voisin, son antécédent. L’arbitre assure l’unicité de ce voisin. Le rôle de l’arbitre est de choisir un signal et un seul parmi ceux qui sont actifs, une seule sortie de l’arbitre pouvant être active. L’arbitre peut donc être vu comme un multiplexeur automatique permettant de choisir l’entrée correspondant à la première donnée arrivée et changeant d’entrée active dès que la précédente a été désactivée. In order to deactivate the selected input data when there is no need to keep it active, it is necessary to know when this data has been transmitted to the next processor. This functionality corresponds to the control structure of micro-pipelines introduced by I.E. Sutherland 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Schéma fonctionnel (version à 4 entrées) : Implantation électronique (version à 2 entrées) : Arbre = Graphe acyclique = Pas de boucles. Une seule racine. Acyclique -> Important pour pouvoir effectuer des opérations non-idempotentes. Pour établir les arbres couvrants, on part de la racine et on effectue une propagation de manière à couvrir la région entière. Chaque pixel est inondé par un unique voisin, son antécédent. L’arbitre assure l’unicité de ce voisin. Le rôle de l’arbitre est de choisir un signal et un seul parmi ceux qui sont actifs, une seule sortie de l’arbitre pouvant être active. L’arbitre peut donc être vu comme un multiplexeur automatique permettant de choisir l’entrée correspondant à la première donnée arrivée et changeant d’entrée active dès que la précédente a été désactivée. In order to deactivate the selected input data when there is no need to keep it active, it is necessary to know when this data has been transmitted to the next processor. This functionality corresponds to the control structure of micro-pipelines introduced by I.E. Sutherland 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 l’envoi d’ordres SIMD lorsque le taux d’utilisation des processeurs est faible). Transmission par jetons associée à une structure d’arbre couvrant : Permet de propager et de regrouper les jetons vers la racine de l’arbre. Parler de l’analogie avec les voitures sur un réseau autoroutier à une seule voie. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Implantation de la somme régionale à l’aide 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 = an2n+an-12n-1+…+a12+a0 Nombre de jetons générés : an2n-1+an-12n-2+…+a1 Parité : a0 Calcul du bit poids 1: S = an2n-1+an-12n-2+…+a22+a1 Nombre de jetons générés : an2n-2+an-12n-1+…+a2 Parité : a1 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Implantation de la somme régionale à l’aide de micropipelines associatifs. Calcul d’un 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 l’ensemble Initial de jetons 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Calcul parallèle de la surface de plusieurs régions. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Evaluation du calcul de sommes régionales à l’aide de micropipelines associatifs. Aspects électroniques : Coût en transistors réduit (52 tr/pixel). Rapidité : 1000 sommes/seconde dans chaque région de l’image. Aspects énergétiques : Utilisation de la rétine en mode SIMD lorsque le taux d’utilisation des processeurs est élevé. Utilisation de la rétine en mode asynchrone lors des propagations (taux d’utilisation des processeurs faible) 52 transistors pour le MPC à 4 entrées. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 d’entrée de l’arbitre. 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. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 d’un point quelconque. -> Composante fortement connexe avec des opérateurs à 2 entrées. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 l’aide d’un réseau en 8-connexité matérielle. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Enjeux des rétines artificielles. Traitements d’images 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 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 Local Intégral Inconvénients Contours actifs X Non générique Split and merge (Algorithme CSC) Utilise des tessellations multi-résolution figées → Itératif, artefacts Ligne de partage de eaux Échanges régionaux par propagations → SIMD inefficace EDP (modèle par éléments finis) Sans rentrer dans un état de l’art détaillé, nous avons présenté dans la thèse un certain nombre de défauts inhérents aux méthodes de segmentation existantes dans le cadre d’une application aux rétine artificielles. En particulier elles n’utilisent que trop peu les mesures régionales qui sont assez coûteuses. Nous pouvons en disposer, essayons de s’en servir ! 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale Analogies Un village est une zone d’influence, une région dans une image aussi : Image ↔ Territoire géographique Région ↔ Village Pixel ↔ Parcelle de terrain Altitude ↔ Luminance Une variable cachée : la population Probabilité qu’une parcelle appartienne au village auquel elle est rattachée. Probabilité qu’un pixel appartienne la région à laquelle il est rattaché. Sans rentrer dans un état de l’art détaillé, nous avons présenté dans la thèse un certain nombre de défauts inhérents aux méthodes de segmentation existantes dans le cadre d’une application aux rétine artificielles. En particulier elles n’utilisent que trop peu les mesures régionales qui sont assez coûteuses. Nous pouvons en disposer, essayons de s’en servir ! 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 : 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 l’appartenance d’une 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 d’altitude que dans les zones montagneuses. Introduction d’une 3e règle, les conflits inter villages. Dans les zones plates, l’incertitude liée au placement de la frontière conduit à des conflits pour le contrôle de cette frontière. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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 : 2e pr règle 2) Somme sur la frontière commune de valeurs initialisée à 1 : length(xb) Somme sur les contours des régions de valeurs initialisées à K2 : C1*K2 Comparaison entre length(xb) et C1*K2 Terminaison : L’algorithme est terminé lorsque les segmentations obtenues à l’issu de deux itérations successives sont identiques (idempotence). 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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

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 s’adapte aux objets de l’image. Plus rapide que les méthodes par EDP locales. Pas d’opérateurs 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. LPE : Initialisation sur le bruit dans les parties à faible gradient de l’image. Fonctionne sur des images quelconques : Pb de l’initialisation des snakes. De plus, ils servent à isoler un nomre réduit de formes dans l’image. PB de tessellation : Pb de l’algorithme CSC par exemple. Plus rapide que les EDP : La segmentation est un problème pouvant être approché de manière intégrale à condition qu’à tout instant du déroulement de l’algorithme, une région n’appartienne qu’à un et un seul objet de l’image. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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

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 (K1) permet d’ajuster le grain de la segmentation. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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

Conclusion Plan de l’exposé Enjeux des rétines artificielles. Traitements d’images 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. In this presentation, I will talk about different aspects of image processing, from the transistor level to medium to high-level vision algorithms. An important fact is the key role played by the mutual improvements coming from considering simultaneously and not separetely algorithm and architecture in my research. 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Conclusion Perspectives Réalisation d’une rétine asynchrone. Exploiter les opportunités algorithmiques offertes par l’asynchronisme dans les rétines artificielles. Les rétines artificielles asynchrones, un pas vers un microprocesseur reconfigurable dynamiquement ? 12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

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