Παράλληλες αρχιτεκτονικές και αλγόριθμοι για ψηφιακή επεξεργασία σήματος και εικόνας
Authors: Λεντάρης Γεώργιος 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνεισφέρει ερευνητικά στην ανάπτυξη παράλληλων αρχιτεκτονικών για αλγορίθμους επεξεργασίας εικόνων και γραφικών. Κύριος στόχος είναι η οργάνωση παράλληλων μνημών για αποδοτική υποστήριξη των απαιτήσεων που εμφανίζουν οι αλγόριθμοι του συγκεκριμένου επιστημονικού πεδίου. Επιπροσθέτως, ως πρακτική εφαρμογή, η διατριβή εστιάζει στη υλοποίηση αλγορίθμων εκτίμησης κίνησης σε εικονοροές.Η εργασία ξεκινάει με μια εκτεταμένη μελέτη της σχετικής βιβλιογραφίας. Έπειτα, περιγράφει τη σχεδίαση και ανάπτυξη σε υλισμικό μιας προγραμματιζόμενης μονάδας εκτίμησης κίνησης με δυνατότητα εκτέλεσης πολλών διαφορετικών αλγορίθμων ταιριάσματος περιοχών σε πραγματικό χρόνο. Η μονάδα απαρτίζεται από παράλληλη μνήμη για τοπική αποθήκευση εικονοστοιχείων, από αριθμητικά κυκλώματα για σάρωση και σύγκριση περιοχών, καθώς κι από έναν εφαρμογοείδιο επεξεργαστή για την εκτέλεση των αλγοριθμικών βημάτων. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική βασίζεται σε τεχνικές σωλήνωσης και παραλληλισμό σε επίπεδο δεδομένων για την επιτάχυνση των υπολογισμών. Εισάγει ένα πρωτοποριακό σύνολο εντολών, σχεδιασμένο ειδικά για τη συγκεκριμένη κατηγορία αλγορίθμων. Επίσης, εισάγει μια εξειδικευμένη τεχνική για εκτέλεση εντολών παράλληλα με τη διαδικασία εξέτασης των περιοχών, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την εξάλειψη των κενών κύκλων στη σωλήνωση της διόδου δεδομένων και την αύξηση της εκμετάλλευσης υλικού. Η επαναδιαρθρώσιμη αρχιτεκτονική που προκύπτει τελικά αναπτύσσεται σε προγραμματιζόμενους πίνακες λογικών πυλών (FPGA), όπου αξιολογείται το κόστος και η λειτουργία της. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με αντίστοιχα της βιβλιογραφίας καταδεικνύει την αποδοτικότητα και τα πλεονεκτήματα της αρχιτεκτονικής.Γενικεύοντας σε ένα ευρύτερο πεδίο εφαρμογών, η διατριβή συνεχίζει προτείνοντας μια λύση στο πρόβλημα της οργάνωσης παράλληλων μνημών για αποθήκευση εικόνων. Η λύση επιτρέπει την ταυτόχρονη ανάκτηση πολλαπλών εικονοστοιχείων από την μνήμη υποστηρίζοντας με αυτόν τον τρόπο την παράλληλή επεξεργασία των δεδομένων από τον εκάστοτε αλγόριθμο. Τα εικονοστοιχεία τοποθετούνται σε πολλαπλές τράπεζες μνήμης μέσω μιας προτεινόμενης συνάρτηση αντιστοίχισης, η οποία δημιουργεί δυνατότητα ταυτόχρονης πρόσβασης σε σύνολα εικονοστοιχείων που εμφανίζονται επάνω στη εικόνα ως γραμμές, στήλες, ορθογώνια, ή αραιά ορθογώνια. Τα εν λόγω σχήματα μπορούν να ανακτηθούν από οποιαδήποτε θέση της εικόνας με αποτέλεσμα την ικανοποίηση των συνήθων απαιτήσεων στις εφαρμογές γραφικών. Η καινοτομία της προτεινόμενης λύσης έγκειται στην μείωση του αριθμού των τραπεζών που χρησιμοποιούν οι προγενέστερες εργασίες της βιβλιογραφίας προκειμένου να πετύχουν τις ίδιες ή παρόμοιες δυνατότητες πρόσβασης. Συγκεκριμένα, αποφεύγει την έως σήμερα χρήση πρώτων ή άλλων δύσκολων αριθμών Β με Β>Ε, όπου Β το πλήθος των τραπεζών κι Ε το πλήθος των εικονοστοιχείων στα οποία απαιτείται ταυτόχρονη πρόσβαση ενός κύκλου. Αντί αυτών, οργανώνει την παράλληλη μνήμη με τον ιδανικό αριθμό τραπεζών Β=Ε επιτρέποντας στο Β να πάρει τιμή ίση με οποιαδήποτε δύναμη του 2. Επί πλέον, εκμεταλλεύεται τις ιδιότητες της νέας συνάρτησης αντιστοίχισης και τις συσχετίσεις που εμφανίζουν οι διαδοχικές αιτήσεις μνήμης κατά την επεξεργασία εικόνων προκειμένου να διορθώσει τυχόν συγκρούσεις που παρουσιάζονται στη μνήμη ξοδεύοντας μόνο έναν κύκλο ανά Β αιτήσεις. Συνεπώς, η προτεινόμενη λύση οδηγεί στη μείωση της υποεκμετάλλευσης του υλικού, στη μείωση του κόστους κατασκευής των κυκλωμάτων λειτουργίας και στη σχεδίαση βελτιωμένων και αποδοτικότερων παράλληλων μνημών. Η διατριβή παραθέτει θεωρήματα κι αποδείξεις των ιδιοτήτων της αντιστοίχισης και της τεχνικής διόρθωσης των αναπόφευκτων συγκρούσεων. Ακολούθως, αναλύει τη χρήση της νέας οργάνωσης μνήμης σε ευρέως διαδεδομένες εφαρμογές προκειμένου να αξιολογήσει τις επιδόσεις της και να τη συγκρίνει με τις προγενέστερες λύσεις σε πρακτικό επίπεδο. Μεταξύ αυτών, αναλύει τη βελτίωση που επιφέρει η ενσωμάτωση της νέας μνήμης στην προτεινόμενη μονάδα εκτίμησης κίνησης και ποσοτικοποιεί τα οφέλη της σε πόρους υλικού.