Thierry Bernard ENSTA Alain Mérigot IEF 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement...

12/12/2005 Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

1

Thierry Bernard

ENSTA

Alain Mérigot

IEF

Rétines artificielles en fonctionnement asynchrone

Valentin Gies


2


•Moins cher !

•Plus de services !

→ ex : Vidéo

•Plus longtemps !

→ Basse consommation


3


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.


4


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.






5

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.


6

Enjeux des rétines artificielles

Un fonctionnement adapté au traitement d’images de bas niveau

Opérations massivement parallèles SIMD localesEx : Morphologie mathématique (détection de contours, de points d’intérêts, filtrage…)

Efficace énergétiquement : tous les processeurs sont au travail.

Limitations : opérations sur des groupes de pixelsEx : 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.


7



Traitements d’images régionaux.Nécessité et définition de la régionalisation.

Opérations régionales en traitement d’images : 2 formulations.





8

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.


9

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)



10


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 :


11





Graphes et asynchronisme.Comparaison d’architectures asynchrones existantes.Contraintes liées aux rétines et position du problème.Primitives intégrales fondamentales.




12

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


13


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


du problème.


15


du problème.

Communications régionales sur les graphes

Intérêt de l’asynchronismePlus économe : pas d’envois d’ordresSIMD 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.


16


du problème.

Comparaison d’architectures asynchrones existantes.


17


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


du problème.

Primitives intégrales fondamentales

Le OU régional :Utilisé par les fonctions maximum et minimum

La somme régionaleOpérateur 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.


19





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.



20

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 !


21


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).


22


Schéma fonctionnel (version à 4 entrées) :

Implantation électronique (version à 2 entrées) :


23


La transmission par jetons : un mode de communication associé aux micropipelines convergents.

Jeton : créneau spatio-temporel de tensionSe 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.


24


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


25


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


26


Calcul parallèle de la surface de plusieurs régions.


27


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)


28


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.


29



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.


30



Algorithme utilisé : SIMD sans itérations (rapide et efficace)

RésultatsRéduction 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.


31





Une nouvelle architecture : les micropipelines convergents.

Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale.

AnalogiesPrincipe, équationsAlgorithmeRésultats


32

Application à une nouvelle méthode de segmentation : la segmentation sociétale

IntroductionMéthodes 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 X Non générique

Split and merge (Algorithme CSC) X

Utilise des tessellations multi-résolution figées

→ Itératif, artefactsLigne de partage de eaux X Échanges régionaux par

propagations

→ SIMD inefficaceEDP (modèle par éléments finis) X


33


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 populationProbabilité qu’une parcelle appartienne au village auquel elle est rattachée.

Probabilité qu’un pixel appartienne la région à laquelle il est rattaché.


34


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



2e principe : règles de fusion de villages :

Critère homogénéité - taille des régions :

Longueur de la frontière commune :

Hauteur de la frontière commune :


36



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.


37


Algorithme

Initialisation : population à 1 dans chaque pixelInitialisation régulière et sans présupposé.

Itérations :En alternance : 1er principe, 2e principe et 3e principeDes 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).


38


Résultats

Image originale Segmentation sociétale

Densité de rouge : Pertinence des frontières


39


RésultatsRègle 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.


40


Résultats Robustesse au bruit

Image originale Segmentation sociétale


41


RésultatsRobuste aux variations de paramètres

Les paramètres peuvent être ajustés avec une grande tolérance.

Un paramètre (K1) permet d’ajuster le grain de la segmentation.


42


Résultats


43

Conclusion

Plan de l’exposé




Une nouvelle architecture : les micropipelines convergents.



44

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 ?


45


Merci de votre attention !

Présentation et manuscrit téléchargeables

à l’adresse suivante :

http://www.vgies.com/index.php?p=publications

Thierry Bernard ENSTA Alain Mérigot IEF 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement...

Documents

Transcript of Thierry Bernard ENSTA Alain Mérigot IEF 12/12/2005Rétines artificielles en fonctionnement...