Valentin Gies

1
Rétines artificielles en fonctionnement
asynchrone

• Valentin Gies

2
Rétines artificielles en fonctionnement
asynchrone

• Moins cher !
• Plus de services !
• ? ex Vidéo
• Plus longtemps !
• ? Basse consommation

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Rétines artificielles en fonctionnement
asynchrone

• 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
Rétines artificielles en fonctionnement
asynchrone

• 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.

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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.

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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.

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Rétines artificielles en fonctionnement
asynchrone

• 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.

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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.

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Traitements dimages régionaux

• 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)

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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

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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.

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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 connexe Graphe filaire Arbre couvrant

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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
Régionalisation et rétines artificielles
architectures existantes et position du
problème.
15
Régionalisation et rétines artificielles
architectures existantes et position du
problème.

• Communications régionales sur les graphes
• Intérêt de lasynchronisme
• Plus économe pas denvois dordresSIMD 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.
• gt temps maximum en SIMD.
• Inconvénients Coût dimplantation élevé.

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Régionalisation et rétines artificielles
architectures existantes et position du
problème.

• Comparaison darchitectures asynchrones
  existantes.

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.

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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.

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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
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
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
Une nouvelle architecture les micropipelines
associatifs

• Schéma fonctionnel (version à 4 entrées)
• Implantation électronique (version à 2 entrées)

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
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 an2nan-12n-1a12a0
• Nombre de jetons générés an2n-1an-12n-2a1
• Parité a0
• Calcul du bit poids 1
• S an2n-1an-12n-2a22a1
• Nombre de jetons générés an2n-2an-12n-1a2
• Parité a1

25
Une nouvelle architecture les micropipelines
associatifs

• Implantation de la somme régionale à laide de
  micropipelines associatifs.
• Calcul dun bit de la somme

26
Une nouvelle architecture les micropipelines
associatifs

• Calcul parallèle de la surface de plusieurs
  régions.

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
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
Une nouvelle architecture les micropipelines
associatifs

• Réduction du coût matériel par optimisation du
  réseau de connexion
• Nécessité des connexions diagonales en maille
  carrée.
• -gt Connexité matérielle 4 ? 6 connexité
• -gt 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.
• -gt Composante fortement connexe avec des
  opérateurs à 2 entrées.

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
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

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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 X 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 Échanges régionaux par propagations ? SIMD inefficace
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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
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
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
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
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 C1K2
• Comparaison entre length(xb) et C1K2
• Terminaison
• Lalgorithme est terminé lorsque les
  segmentations obtenues à lissu de deux
  itérations successives sont identiques
  (idempotence).

38
Application à une nouvelle méthode de
segmentation la segmentation sociétale

• Résultats

Densité de rouge Pertinence des frontières
Image originale
Segmentation sociétale
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 ? lt 0.05 s / image en techno
  0.18 um ? temps réel
• Utilise fortement les capacités des
  micropipelines associatifs.

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Application à une nouvelle méthode de
segmentation la segmentation sociétale

• Résultats
• Robustesse au bruit

Image originale
Segmentation sociétale
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 (K1) permet dajuster le grain de la
  segmentation.

42
Application à une nouvelle méthode de
segmentation la segmentation sociétale

• Résultats

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.

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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 ?

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Rétines artificielles en fonctionnement
asynchrone

• Merci de votre attention !
• Présentation et manuscrit téléchargeables
• à ladresse suivante
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