Dynamically reconfigurable architecture for embedded computer vision systems

Resumo

Os algoritmos e técnicas de Visión por Computador son cada vez máis robustos e precisos, ofrecendo novas posibilidades para o tratamento da información visual. Sen embargo, isto implica un aumento dos requisitos de cómputo polo que a súa implementación en dispositivos máis aló do alcance dos prototipos está a voltarse máis complexo. Son precisos novos enfoques que non afecten ás características dos algoritmos para acadar solucións de compromiso en termos de velocidade, latencia, consumo de potencia ou custo. Isto inclúe tanto ao apartado do software como ao da arquitectura hardware para poder aproveitar eficientemente as características do dispositivo e explotar plenamente as capacidades dos algoritmos. Para solventar un problema no ámbito da Visión por Computador existen moitas técnicas e aproximacións dispoñibles na literatura. A variedade de algoritmos é moi ampla e presentan características moi diferentes, incluíndo non so a representación de datos ou as operacións aritméticas, se non tamén os paradigmas de computación ou a complexidade dos programas. Isto fai que o deseño das arquitecturas hardware sexa un desafío se é a mesma arquitectura a que ten que afrontar algoritmos diferentes cumprindo unhas restricións estritas. Os ordenadores de escritorio son a miúdo empregados para desenvolver os algoritmos. Ofrecen unha gran flexibilidade para executar calquera algoritmo e avaliar a súa viabilidade e precisión. Con todo, o dispositivo obxectivo depende da aplicación e adoitan empregarse módulos adicionais para acelerar o proceso. Para cumprir os requisitos da aplicación pode ser incluso necesario deseñar unha arquitectura específica. Neste caso é posible optimizar todas as figuras de mérito implicadas. Os diferentes campos de aplicación fixan diferentes requisitos polo que as distintas arquitecturas deben adaptarse aos mesmos de forma eficaz. Os avances na industria do semicondutor permiten incluír cada vez máis recursos na mesma unidade de área, mantendo un consumo de potencia contido. Isto fixo posible desenvolver novos sistemas embebidos cun rendemento similar aos sistemas convencionais do pasado recente. Deste xeito, as novas aplicacións son tecnicamente factibles e o mercado de aplicacións de visión embebidos está aumentando significativamente. Os sistemas nun chip posibilitan embeber no mesmo chip todos os módulos necesarios para un sistema dado, incluíndo computación, control e comunicacións, proporcionando unha vantaxe significativa sobre o seu equivalente sistema multi-chip. Sen embargo, os sistemas nun chip requiren un longo período de deseño e moitos recursos, tanto humanos como materiais. Ademais, as arquitecturas a medida tamén requiren un período de adestramento polos enxeñeiros de software para explotar plenamente as súas capacidades, reducíndose así a vantaxe competitiva destes sistemas. Isto é crítico cando medra o número de unidades de propósito específico que executan os diferentes algoritmos empregados. O obxectivo deste traballo é proporcionar unha arquitectura capaz de executar a maioría dos algoritmos de Visión por Computador cun rendemento adaptable ás distintas etapas de cada algoritmo. Ademais, ten que ser capaz de executar as etapas restantes de xeito que o rendemento global non se vexa comprometido. A arquitectura tamén está pensada para reducir o tempo empregado en migrar os algoritmos, reducindo a etapa de migración facilitando a paralelización e a sincronización entre os diferentes bloques concurrentes do algoritmo. Desde o punto de vista da flexibilidade, o sistema ten que ser modular e escalable para afrontar diferentes áreas de mercado con diferentes requisitos, como rendemento, consumo de área ou custo. As melloras na arquitectura ou as modificacións baixo demanda deben ser posible sen mudar dramaticamente a forma en que o hardware traballa. Todos estes elementos combinados proporcionarán suficiente flexibilidade e rendemento para executar eficientemente a maior parte dos algoritmos de Visión de Computador, co beneficio de empregar un so dispositivo. Esta tese está dividida en tres capítulos. O Capítulo 1 presenta os desafíos da Visión por Computador, incluíndo os diferentes paradigmas de computación e as arquitecturas hardware e dispositivos empregados para afrontar os requisitos dos algoritmos. No Capítulo 2 preséntase unha nova arquitectura hardware para executar algoritmos de visión temperá. Despois de examinar diferentes aproximacións, estudiaranse as capacidades dun procesador masivamente paralelo para o procesamento de imaxes binarias. As conclusións deste estudio son esenciais para o deseño dunha arquitectura máis eficiente e capaz para tarefas de visión temperá. Testearase empregando un algoritmo usado en aplicacións médicas, altamente custoso en termos computacionais. No Capítulo 3, os resultados obtidos da comparativa do procesador de propósito xeral descrito no capítulo anterior son empregados para definir unha nova arquitectura. Esta arquitectura está deseñada para aplicacións embebidas e enfocada na reconfiguración dinámica do seu camiño de datos para reproducir o fluxo de execución do algoritmo en execución. Deste xeito, a arquitectura aumenta o seu rango de operación de modo que todas as etapas dun algoritmo de Visión de Computador xenérico poden ser implementadas de xeito eficiente nun único dispositivo embebido. Os resultados da execución de diversos algoritmos de procesado de imaxe e a comparativa con outras solucións similares completan este capítulo. Finalmente, extráense as principais conclusións deste traballo.