Яровий А. А. 1, Тимченко Л



Дата конвертації31.08.2018
Розмір4.12 Mb.
#45224

ВИСОКОПРОДУКТИВНІ ГЕТЕРОГЕННІ ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ КОМПЛЕКСИ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ОБРОБЛЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ ДЛЯ ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ЗВ'ЯЗКУ

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер", Київ, МННЦ ІТіС НАНУ та МОНУ, 14 травня 2013 р.


Яровий А.А.1 , Тимченко Л.І.2,

1 Вінницький національний технічний університет, Україна, Вінниця, Хмельницьке шосе, 95

2 Державний економіко-технологічний університет транспорту, Україна, Київ, вул. Лукашевича, 19

Доповідач – ЯРОВИЙ Андрій Анатолійович, к.т.н., доц., докторант кафедри комп’ютерних наук ВНТУ

Науковий консультант – ТИМЧЕНКО Леонід Іванович, д.т.н., проф.,

зав. кафедри телекомунікаційних технологій і автоматики ДЕТУТ

АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Галузі застосування:

  • лазерна локація;
  • оптичний зв'язок;
  • лазерна обробка матеріалів;
  • поліграфія;
  • біомедицина;
  • астрополяриметрія (розділ практичної астрофізики, що займається застосуванням методів поляриметрії до випромінювання, що надходить від космічних об'єктів), тощо.

  • Сфери прикладного застосування – системи, у яких необхідно здійснювати автоматичне коректування спотворень лазерного джерела світлового випромінювання, наприклад:
  • системи світлової навігації з використанням лазерів при розповсюдженні лазерного випромінювання в умовах зі зниженою видимістю в атмосфері;
  • системи точного орієнтування, які дають можливість визначати просторове положення об'єкту, що рухається, у різних метеорологічних умовах;
  • лазерні системи зв'язку і передачі інформації;
  • лазерні системи локації і далекометрії, трасування і навігації;
  • інші системи для яких необхідні кількісні дані про вплив середовища на параметри лазерного променя, що несе певну корисну інформацію.

АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Можливі причини спотворень світлового випромінювання:


  • дестабілізуючий вплив механічних чи кліматичних факторів;
  • рефракція променів лазерного пучка;
  • поглинання енергії лазерного пучка атмосферними газами;
  • розсіювання енергії лазерного пучка частками аерозолів на флуктуаціях щільності повітря;
  • флуктуації параметрів лазерних пучків, обумовлені атмосферною турбулентністю.
  • нестабільність характеристик джерела випромінювання;
  • перешкоди в оптичному тракті;
  • роз’юстировка оптичних елементів, тощо.

  • Прикладна задача:

    забезпечення прийнятної якості корекції, що потребує безупинного динамічного контролю характеристик світлового випромінювання, наприклад просторового розподілу його інтенсивності, у тому числі оцінки відхилення зазначеного розподілу від вихідного чи еталонного розподілу.



Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Задачі профілювання лазерних променів актуальні на міжнародному рівні:

  • Photon Inc. (San Jose, California, USA);
  • Ophir-Spiricon Inc. (Logan, Utah, USA);
  • Coherent Auburn Group (Auburn, California, USA);
  • MS MacroSystems (Netherlands);
  • PhaseView (France);
  • НПО "Астрофизика" (Москва, Росія);
  • ЗАО "Космические информационные аналитические системы" (Москва, Росія);
  • ФДУП Всеросійський НДІ оптико-фізичних вимірювань (Москва, Росія);
  • НДІ лазерної техніки i технології НТУУ „КПІ” (Київ, Україна);
  • Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ (Київ, Україна);
  • Державний економіко-технологічний університет транспорту (Київ, Україна), та ін.

  • Приклад актуальності в галузі оптичних систем зв’язку (FSO)

    2005 р. – лабораторія реактивного руху NASA – спільний експеримент з Японським агентством аерокосмічних досліджень (JPL) – встановлення двобічної оптичної лінії зв'язку між двома супутниками, при цьому точність позиціонування мала складати десяті долі градуса, також під час цього експерименту був встановлений зв'язок з наземною станцією, однак швидкості залишались невеликими 2 Мбіт/с (A bidirectional low Earth orbit-to-ground optical link experiment. Malcolm Wright, Keith Wilson, Joseph Kovalik, Abhijit Biswas, William Roberts)

    Тому роботи з покращення таких систем продовжуються й далі як зарубіжними вченими (Space-time trellis coding with transmit laser selection for FSO links over strong atmospheric turbulence channels A.Garcia-Zambrana, C.Castillo-Vazquez, B. Castillo-Vazquez), так і вченими близького зарубіжжя (Determination of the position of the Center of a laser beam when the dynamic range of the matrix receiver is exceeded. D.A. Orlov and E.A. Neverova).

АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Публікації:

  • David L. Shealy, John A. Hoffnagle. Laser beam shaping profiles and propagation – Applied Optics – 2006.
  • Valerie C. Coffey. Laser-beam profilers: How to select а beam-profile measurement system – Laser Focus World – 2009.
  • C.B. Roundy Current Technology of Laser Beam Profile Measurements. / C.B. Roundy – Spiricon. Inc., 2000. – 290 p.
  • Абдрахманов К.Ш., Быкова О.Г., Улановский М.В. Стандартизация методов измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения пучков лазерного излучения (Измерение расходимости лазерного пучка) – «Метрология». – №2 – 2010.
  • Быкова О.Г., Либерман А.А., Улановский М.В. Стандартизованные методики измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка. – «Метрология». – №12 – 2009.
  • А.М. Шутов Методы оптической астрополяриметрии. / Шутов А.М. – М.: КомКнига, 2006. – 232 с.
  • Измерение пространственных характеристик лазерного пучка. / Ф.В.Потёмкин, П.М.Михеев. : Труды конференции [«Измерения и автоматизация 2006»]. – М.: МГУ им. М.В.Ломоносова, 2006. – с. 68-73.

Оптичні системи зв’язку – FSO (Free Space Optic)


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Поширення лазерного випромінювання в атмосфері супроводжується великим набором явищ лінійної і нелінійної взаємодії

– значні перешкоди прийому;

потреба коригування приймача;

– лазерний пучок розширюється чи розщеплюється, тому віднайти координати його центру, а отже й точно оцінити переміщення передавача – досить складно;

– неможливість визначення координати енергетичного центру в зображенні профілю лазерного променя простими геометричними методами.

– необхідність застосування спеціальних методів обробки і класифікації зображень.

Спеціальні методи – зазвичай розроблені для виконання на стаціонарних комп'ютерних системах, де дослідник не обмежений часом.

Оптичні системи зв’язку потребують високопродуктивних портативних пристроїв обробки інформації в реальному часі.

Актуальною є задача розробки системи оброблення цифрових зображень великої роздільної здатності, яка також надасть змогу обчислити координати енергетичного центру нечіткого зобра-ження, здійснити їх класифікацію і відфільтрувати пошкоджені зображення у прийнятний час.

Способи вирішення задачі:

– розпаралелювання процесів обробки динамічних зображень у гетерогенних обчислювальних комплексах (застосування парадигм паралельних та розподілених обчислень, застосування технологій GPGPU, Cloud Computing, тощо).

– методи паралельно-ієрархічного оброблення інформації.

Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"



КЛАСИФІКАЦІЯ ПРОБЛЕМНО-ОРІЄНТОВАНИХ МЕТОДІВ ПРЕДСТАВЛЕННЯ ТА ОБРОБЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Парадигма семантичних структур з деревоподібною моделлю зв'язків

Парадигма штучних нейронних (перцептронних) структур


ДЕРЕВОПОДІБНЕ ВІДОБРАЖЕННЯ МЕРЕЖЕВОЇ СТРУКТУРИ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ (ПІП)


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

При формуванні загальної методології створення ПІП враховувалась ідея проф. З.Л. Рабиновича про ієрархічну організацію зв’язків між структурами головного мозку людини. Сутність цієї ідеї ґрунтується на тому, що “передача збудження між структурами, тобто їх активація, може відбуватись не лише за вертикальними (ієрархічним прямим та зворотним) зв’язками, але також за горизонтальними – в межах одного і того ж поля”.

Принцип побудови паралельно-ієрархічної системи (ПІС) для оброблення даних можна визначити як послідовність операцій над множинами масивів даних, що утворюють множини інформаційних полів різноманітних рівнів ієрархії, взаємодія між якими здійснюється пірамідальною ієрархічною структурою і реалізується на основі мережевої багатопроцесорної архітектури. Сутність паралельно-ієрархічного (ПІ) підходу полягає в одночасному використанні послідовності множин масивів даних, що утворюють множини інформаційних полів на різноманітних рівнях ієрархії, рекурсивному формуванні нових послідовностей інформаційних потоків на різноманітних рівнях ієрархії, що дозволяє реалізувати стратегію багаторівневої взаємодії від “загального до часткового”.

МЕТОД ПРЯМОГО ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Таким чином, паралельно-ієрархічне перетворення припускає всередині і поза кожним ієрархічним рівнем той самий закон переходу від одного рівня до іншого, причому цей закон формулюється щодо групи множин елементів інформаційного поля (даних або зображення) нижнього рівня і проміжної групи множин елементів перетворених даних усіх наступних рівнів. Тобто, для побудови ПІ структури на алгоритмічному і структурному рівнях задається лише правило перетворення групи множин елементів даних, що потім поширюються по "горизонталі" – на інші елементи і по "вертикалі" – на елементи інших ієрархічних рівнів розподілу. Це правило описує і схему перетворення вихідних даних, і результуючу структуру даних, і алгоритм оброблення.

Іншими словами, для побудови структури перетворення зберігається лише деяка основна ознака, своєрідна «хеш-функція», і принцип розвитку самої структури ПІ перетворення , послідовне застосування якого дозволяє поетапно розгортати вихідний опис за ступенем деталізації

ЧИСЛОВИЙ ПРИКЛАД ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ОБРОБЛЕННЯ ДАНИХ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

МЕТОД ПРЯМОГО ПІП (продовження)


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Розглядаючи усі H початкових множин першого рівня, при виборі елемента

з кожної множини, формуються нові множини, де i - порядковий номер початкової множини, tj - такт, у якому вибрано елемент. При першому виборі елементів із H вхідних множин у такті t1 формується нова множина:

На другому кроці перетворення t3 з початкових множин формується ще одна множина з Н елементів:

Таке перетворення здійснюється доти, поки усі вихідні множини не стануть нульовими.

На рисунку позначення вертикального прямокутника є початковою множиною, горизонтального прямокутника – проміжною множиною, і кружка – елементом, нульова множина – символом


СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ ПІС


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Структурна схема

взаємодії інформаційних

потоків у ПІС

де  - затримка формування наступної функції стосовно попередньої,

njk - кількість функцій j-го розкладання k-го функціонального рівня.

Функції першого рівня можна також представити так:

Нехай задані n1 функцій f1(t), f2(t),…, fn1(t). Дані функції опишемо на різних рівнях ієрархії їх представлення від 1-ої до j-ої j=2l, l=1,2… та j=2l+3, l=0,1,2,…


МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС БАГАТОЕТАПНОСТІ ПІП


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Формування усіх паралельних каналів першого рівня

Індекс компоненти стовпця матриці вказує етап, на якому даний компонент добувається

1. Декомпозиція у часі


МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС БАГАТОЕТАПНОСТІ ТА ЗСУВУ У ЧАСІ В ПІП


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Декомпозиція у часі

2. Зсув у часі

3. Одержання «хвостового» елемента шляхом видалення першого стоппця матриці

4. Повторення етапу 1: «перехід на наступний рівень».

АНАЛІЗ ПІС НА ОСНОВІ КЛАСИФІКАЦІЇ М.ФЛІННА


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"



Метод перетворення і умовні позначення

Структура ПІОС

Форма паралелізму

1

Паралельний метод перетворення (паралельне перетворення рівнів)

Пм.Д. - пам’ять даних;

Пм. К. - пам’ять команд

П – процесор;

БОП - блок оперативної

пам’яті на 1 пакет масивів



MIMD

2

Паралельно-послідовний метод перетворення на рівні гілок (паралельне перетворення

гілок, послідовне перетворення рівнів)

ПЕ - процесорний елемент

БПОР - блок пам’яті для одного рівня



MISD

АНАЛІЗ ПІС НА ОСНОВІ КЛАСИФІКАЦІЇ М.ФЛІННА


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"



Метод перетворення і умовні позначення

Структура ПІОС

Форма паралелізму

3

Паралельно-послідовний метод перетворення на рівні елементів (паралельне перетворення елементів однієї гілки, послідовне

перетворення гілок і рівнів)

БПОГ - блок пам’яті однієї гілки


SIMD

4

Послідовний метод перетворення (послідовне перетворення елементів однієї гілки, гілок одного рівня, рівнів)

- потік даних

 - потік команд


SISD

ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Комп'ютерне моделювання прямого ПІП з оптимізацією формування масок


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Фрагмент набору зображень профілю лазерного променя

Обране зображення для тестового прикладу

Пряме ПІП без оптимізації формування масок

Пряме ПІП з оптимізацією формування масок

ЗВОРОТНЕ ПІП ІЗ ОПТИМІЗАЦІЄЮ МАСОК (продовження)


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

На основі проведеного порівняльного аналізу в ході досліджень здійснено розробку методу зворотного ПІП із оптимізацією масок при обробоенні зображень, в якому при кодуванні масиву кожна наступна маска має розмірність менше за попередню на кількість "одиниць" у попередній масці, що забезпечує підвищення швидкодії оброблення зображень (20,53% приросту швидкодії – для прямого ПІП, 66,24% приросту швидкодії – для зворотного ПІП), на 59,35% зменшує обсяги пам'яті для зберігання масок, а також містить властивості виявлення помилок кодування.

Зворотне ПІП без оптимізації масок

Зворотне ПІП з оптимізацією масок


ЕТАПИ ВИЗНАЧЕННЯ КООРДИНАТ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЦЕНТРІВ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

1. Виділення граничних ліній.

Починаючи від максимальної яскравості формуються N її значень: Tmax-w, w = 1,...,N. Крайні точки з яскравістю Tmax-w утворюють граничну лінію. Таким чином, визначено 6 граничних контурів.



2. Визначення попередніх центрів.

7. Етап навчання ПІ мережі. Формується еталонна ПІ мережа

для тих зображень, які формують границі тунелю

зліва и справа від центрального тунеля.

8. Етап обробки поточних зображень.

У випадку попадання С2/С3 в один із тунелів і співпадання ПІ

мереж для еталонного і поточного зображень останній вважається

«з малим супенем спотворення», в протилежному випадку – «з великим супенем спотворення».



9. Оптимізація ваг.

3. Сегментація граничних ліній. Для розбиття граничних контурів

на декілька частин (сегментація) для визначення точки прив’язки

використовуються координати попереднього центра.

Проводиться сканування кожної ділянки граничної лінії (сегмента),

в полярних координатах, через певний визначений інтервал (9°).

Вибрані точки будуть використовуватись як дані для апроксимації

(для визначення коефіцієнтів апроксимації c2, c3). Для кожного

сегмента граничної лінії визначається зсув граничної лінії за даним

напрямком ( , ).

4. Апроксимація граничних ліній. Для кожного сегмента методом

найменших квадратів проводиться апроксимація і визначаються коефіцієнти c2, c3.



5. Пошук еталонного зображення. Для навчальної вибірки

визначають для кожного сегмента середнє значення

співвідношень коефіцієнтів апроксимації.

6. Етап тунелювання. Проводився по середнім коефіцієнтам

апроксимації. Границі тунелю визначаються з тих зображень,

в яких більш близько, за мінімумом середньоквадратичне відхилення,

підходять поточні значення , , , до еталонних значень , , ,

зліва і справа від них. Потім ці близькозміщені значення усереднюются і

формуються границі тунелю зліва і справа.



Структура ПІ мережі з усередниними параметрами

ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Краєві лінії еталонного зображення


ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

ПРИКЛАД РЕЗУЛЬТАТІВ ОБРОБКИ ПЛЯМОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ ЛАЗЕРНИХ ПУЧКІВ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Пряме ПІП на основі кластерної CPU-орієнтованої апаратної платформи


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Розроблений пакет програм протестовано на обчислювальному кластері Microsoft IT Academy ВНТУ. В результаті порівняння отриманих результатів оброблення на 2 вузлах кластерної системи приріст швидкодії відносно обробки на одному вузлі склав 27,7%.

Розроблена методика забезпечує компактне виконання високопродуктивних ПІС з високою обчислювальною щільністю поряд з високошвидкісними каналами передачі даних, що дозволило в подальших дослідженнях використати проектні рішення на базі GPU у компактних кластерних комплексах .

ПІДТРИМКА ТЕХНОЛОГІЇ GPGPU НА СВІТОВОМУ РІВНІ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Необхідно відзначити, що наукові дослідження з розробки та реалізації обчислювальних систем (в тому числі кластерних) на основі GPU є не новинкою, а є загальновизнаними, мають свою історію та вагомі практичні результати. Про перспективність технологій GPGPU свідчить те, що станом на червень 2011 р., три із п’яти найпотужніших суперкомп’ютерів світу побудовані з використанням графічних адаптерів – NVIDIA GPU (див. http://www.top500.org). При цьому відзначені 3 супер-комп’ютера забезпечували вищу швидкодію, ніж усі інші суперкомп’ютерні системи першої десятки, разом узяті (див. http://newsdesk.pcmag.ru/node/30219)


ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКТИВНОСТІ GPU


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Швидкість виконання операцій над числами з плаваючою комою

Джерело: NVIDIA CUDA C Programming Guide.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКТИВНОСТІ GPU


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Пропускна здатність пам'яті

Джерело: NVIDIA CUDA C Programming Guide

ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ GPU-ОРІЄНТОВАНИХ СИСТЕМ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

CPU – Central Processing Unit

GPU – Graphics Processing Unit

Природно, далеко не на всіх задачах вдається отримати високу продуктивність навіть на одному GPU. Тут можна виділити спільні системні вимоги для задач, що потребують реалізації обчислень загального призначення на GPU:


  • Висока обчислювальна потужність.
  • Великий розмір обчислюваного масиву.
  • Можливість незалежного обчислення цільових елементів на кожному з проходів.
  • Масиви даних, що використовуються при обчисленнях, повинні повністю поміщатися у відеопам'ять.

  • Зважаючи на наведені системні вимоги можна стверджувати, що організація паралельного (і, зокрема, паралельно-ієрархічного) оброблення інформації є тією задачею, що входить до класу задач, які ефективно реалізовувати на GPU-платформах.

ХАРАКТЕРИСТИКА АПАРАТНОЇ ЧАСТИНИ ВИСОКОПРОДУКТИВНОГО ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО КОМПЛЕКСУ ДЛЯ ПІ ОБРОБЛЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Комплектуючі

Модель, характеристики

Кількість
  • Відеоадаптер

Zotac GeForce GTX590 3072 Mb 768 bit

2
  • Процесор

Intel Xeon E5606 (BX80614E5606) s1366, 2.13GHz, 4Mb, 4 ядра, 32 nm, 80W, BOX

1
  • Материнська плата

MSI Big Bang-XPOWER

1
  • Оперативна пам'ять

DIMM 4096Mb DDR3

1
  • Блок живлення

CHIEFTEC 1200W (BPS-1200C)

1
  • Корпус

Grand Gaming W1B w/o PU

1

Грант Вінницької обласної Ради та ОДА для закладів освіти в рамках реалізації обласної Програми "Розвитку інформаційних, телекомунікаційних та інноваційних технологій в закладах освіти Вінницького регіону до 2015 року" (вересень 2011 р.).

ОСОБЛИВОСТІ АРХІТЕКТУРНОЇ ТА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ GeForce GTX 590


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Відеоадаптер від компанії "NVidia“ GeForce GTX 590 базується на двох графічних процесорах GF110. Необхідно відзначити, що графічний процесор GF110 має покращені обчислювальні характеристики і дуже добре зарекомендував себе в попередній однопроцесорній версії відеоадаптера NVidia GeForce GTX 580, який і досі є одним із найшвидших однопроцесорних рішень для високопродуктивних відеоадаптерів.

Також доцільним буде навести специфікацію відеоадаптера GeForce GTX 590:

  • Технологія виготовлення – 40 нм.
  • 2 чіпи GF110 по 3 млрд. транзисторів кожен.
  • Частота ядра – 607 МГц.
  • Частота універсальних процесорів – 1215 МГц.
  • Кількість універсальних процесорів – 1024 (2×512).
  • Підтримка багатопроцесорної роботи, в наявності одинарне SLI-з'єднання.
  • Кількість текстурних блоків – 2×64, блоків блендингу – 2×48.
  • Ефективна частота пам'яті – 3414 (854×4) МГц.
  • Тип пам'яті GDDR5, подвійна 384-битная шина пам'яті.
  • Обсяг пам'яті – 3072 МБ (2×1536 МБ).
  • Пропускна здатність пам'яті – 328 (2×164) ГБ в секунду.
  • Теоретична максимальна швидкість зафарбовування – 58 гігапікселів в секунду.
  • Теоретична швидкість вибірки текстур – 78 гігатекселів в секунду.
  • Шина – PCI Express 2.0.
  • Максимальне енергоспоживання – до 365 Вт.
  • Двухслотове виконання.

АРХІТЕКТУРА GPU СІМЕЙСТВА NVIDIA GeForce GTX 590


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

УЗАГАЛЬНЕНА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА GPGPU-МОДЕЛІ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Узагальнена модель програмування GPU

Узагальнена структурно-функціональна схема GPGPU-моделі

Оцінка ефективності багатопотокового ПІП масивів інформації


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

1. Прискорення (speedup), що отримується при використанні паралельного алгоритму для p процесорів, в порівнянні з послідовним варіантом виконання обчислень, визначається величиною:

(величина n використовується для параметризації обчислювальної складності розв'язуваної задачі і може обиратися, наприклад, як кількість вхідних даних задачі).

Оцінка ефективності багатопотокового ПІП масивів інформації


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

2. Ефективність (efficiency) – використання паралельним алгоритмом процесорів при розв’язанні задачі визначається співвідношенням:

(величина ефективності визначає середню частку часу виконання паралельного алгоритму, протягом якого процесори реально використовуються для вирішення завдання).

Типовою ситуацією, є випадки, коли значення Ep(n) - не більше 1. Проте можуть існувати випадки, в яикх Ep(n)>1, - це називається явище надлінійності.


Оцінка ефективності багатопотокового ПІП масивів інформації


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

3. Вартість (cost) обчислень:

Вартісно-оптимальний (cost-optimal) паралельний алгоритм являє спосіб оброблення, вартість якого є пропорційною часу виконання найкращого послідовного алгоритму.

Таким чином, покращенням даного показника вважається ситуація, коли значення Cp(n) не більше значення T1(n), тобто часу оброблення масиву даних послідовним варіантом обчислень (мс).


ОРГАНІЗАЦІЯ БЛОКІВ ПОТОКІВ ПРИ ОРГАНІЗАЦІЇ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО GPGPU-ПРОЦЕСУ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Існуючі способи оптимізації GPU програм при організації паралельних потоків оброблення інформації:


  • Оптимізація затримок при звертанні до глобальної пам’яті.
  • Оптимізація затримок при копіюванні даних з/на GPU
  • Послідовне зчитування із пам’яті
  • Використання локальної пам’яті та текстурного кешу
  • Узгодженість потоків в рамках одного SIMD-блоку

Комп’ютерна програма для визначення оптимальних параметрів груп паралельних потоків при організації обчислювального GPGPU-процесу в ПІП


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ БАГАТОРІВНЕВОЇ ПІС


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Структурна схема організації потоків в обчислювальному процесі багаторівневої ПІС

Структурна організація багаторівневої ПІС

Паралельно-ієрархічне перетворення плямоподібних зображень на основі GPU-орієнтованої апаратної платформи з подальшою їх класифікацією


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Метод розпізнавання в ПІC на основі формування нормуючого рівняння. Використовуючи властивість інваріантості суми початкових елементів ( ) ПІC до суми хвостових елементів ( ) складемо систему рівнянь для одержання таких коефіцієнтів налаштування у вигляді (1), щоб можна було сформувати нормуюче рівняння (2):

(2)

(1)


де коефіцієнти налаштування отримані при попередній обробці на перших зображеннях набору;

– хвостові елементи відповідно поточного і попередніх зображень.


Результати класифікації плямоподібних зображень профілю лазерного променя


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Результати експериментальних досліджень обробки відеотраси лазера


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Розмірність плямо-подібних зображень профілю лазерного променя, пікселів

Час обробки 25 кадрів відеотраси лазера на основі CPU-орієнтованої апаратної платформи, мс

Час обробки 25 кадрів відеотраси лазера на основі GPU-орієнтованої апаратної платформи, мс

128×128

1

47

256×256

16

47

512×512

47

62

1024×1024

156

94

2048×2048

575

234

4096×4096

2418

1027

8192×8192

9641

3479

16384×16384

39228

13609

Результати експериментальних досліджень часу, що витрачається на обчислення (без врахування витрат часу на операції завантаження у пам'ять системи) обробки відеотраси лазера


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Розмірність плямо-подібних зображень профілю лазерного променя, пікселів

Час обробки 25 кадрів відеотраси лазера на основі CPU-орієнтованої апаратної платформи, мс

Час обробки 25 кадрів відеотраси лазера на основі GPU-орієнтованої апаратної платформи, мс

128×128

1

37

256×256

16

41

512×512

47

46

1024×1024

156

51

2048×2048

575

94

4096×4096

2418

184

8192×8192

9641

201

16384×16384

39228

648

Залежність розміру файлу плямоподібного зображення профілю лазерного променя від його розмірності


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Розмірність плямоподібних зображень профілю лазерного променя, пікселів

Розмір файлу для оброблення, Кб

128×128

17

256×256

66

512×512

263

1024×1024

1049

2048×2048

4195

4096×4096

16778

8192×8192

67256

16384×16384

268448

ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Дані дослідження проводились згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри лазерної та оптоелектронної техніки та кафедри комп'ютерних наук Вінницького національного технічного університету і кафедри телекомунікаційних технологій та автоматики Державного економіко-технологічного університету транспорту (м.Київ), в тому числі в межах:


  • договору GP/F44/051/4710 “Методи та засоби організації високопродуктивних паралельно-ієрархічних обчислювальних процесів в інтелектуальних системах” (грант Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених, № державної реєстрації: 0112U008123, 2012 р.), при виконанні якого автор брав участь як науковий керівник;
  • договору Ф13/49-2007 “Інтелектуальна система для ідентифікації плямових зображень лазерних пучків” (грант Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених, № державної реєстрації: 0107U011806, 2007 р.), при виконанні якого автор брав участь як науковий керівник;
  • госпдоговірної теми „Розробка алгоритмів роботи автоматизованої системи підтримки експлуатації транспортної мережі зв’язку” (№ державної реєстрації: 0113U003214, 2012-2013 р.р.), при виконанні якої автор бере участь як відповідальний виконавець;
  • держбюджетної теми „Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси паралельно-ієрархічного оброблення зображень протяжних лазерних трас та прогнозування їх характеристик для оптичних систем зв'язку” (№ державної реєстрації: 0113U003214, 2013 р.); при виконанні якої автор бере участь як відповідальний виконавець;
  • а також 6 держбюджетних тем протягом 2002-2013 р.р.

АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.

Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"

Тематика роботи пов’язана з обласною Програмою "Розвитку інформаційних, телекомунікаційних та інноваційних технологій в закладах освіти Вінницького регіону до 2015 року" (в 2011 р. автор отримав грант Вінницької обласної Ради та обласної державної адміністрації для закладів освіти системи загальної середньої, професійно-технічної та вищої освіти, рішення 7 сесії Вінницької обласної ради 6 скликання від 28.10.2011 р. №184).

Результати досліджень пройшли апробацію на більше ніж 50 міжнародних наукових конференціях та наукових семінарах.

Результати досліджень представлено у 127 працях, зокрема в 2 монографіях, 33 наукових статях у фахових виданнях, 10 наукових статях в наукових виданнях іноземних держав, 54 публікаціях у збірках матеріалів міжнародних конференцій, 2 патентах України на винахід, 26 свідоцтвах про реєстрацію авторського права на твір (комп'ютерну програму). Додатково наукові результати дослідження відображені у 5 навчальних посібниках (з них один – з грифом „Рекомендовано МОНМСУ як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів”).


ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !


Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку

Доповідач: Яровий А.А.



Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер"
Каталог: image
image -> На реферат надається письмова рецензія передбачуваного наукового керівника або іншого фахівця, призначеного приймальною комісією
image -> Програма для складання вступного іспиту до аспірантури
image -> Принципи реалізації наукової діяльності університету: активна участь у формуванні та
image -> Віртуальна виставка праць викладачів об’єднання сільськогосподарських бібліотек Житомирської області за 2014 рік
image -> Медсестринство в геронтології та геріатрії
image -> Гостра дихальна недостатність
image -> Програма вступного випробування з іноземної мови (англійська, німецька, французька) за професійним спрямуванням
image -> Розвиток вітчизняної системи електронних наукових видань
image -> Програма м. Івано-Франківськ, 2011 міністерство охорони здоров’я україни


Поділіться з Вашими друзьями:




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2022
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка