Adaptive parallel video-coding algorithm

Parallel encoding of video inevitably frame rate gives varying rate performance due to dynamically changing video content and motion field since the encoding process of each macro-block, especially motion estimation, is data dependent. A multiprocessor schedule optimized for a particular frame with certain macro-block encoding time may not be optimized towards another frame with different encoding time, which causes performance degradation to the parallelization. To tackle this problem, we propose a method based on a batch of near-optimal schedules generated at compile-time and a run-time mechanism to select the schedule giving the shortest predicted critical path length. This method has the advantage of being near-optimal using compile-time schedules while involving only run-time selection rather than re-scheduling. Implementation on the IBM SP2 multiprocessor system using 24 processors gives an average speedup of about 13.5 (frame rate of 38.5 frames per second) for a CIF sequence consisting of segments of 6 different scenes. This is equivalent to an average improvement of about 16.9% over the single schedule scheme with schedule adapted to each of the scenes. Using an open test sequence consisting of 8 video segments, the average improvement achieved is 13.2%, i.e. an average speedup of 13.3 (35.6 frames per second).published_or_final_versio

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Efficient Utilization of Fine-Grained Parallelism using a microHeterogeneous Environment

The goal of this thesis is to propose a new computing paradigm, called micro- Heterogeneous computing or mHC, which incorporates PCI (or other high speed local system bus) based processing elements (vector processors, digital signal processors, etc) into a general purpose machine. In this manner the benefits of heterogeneous computing on scientific applications can be achieved while avoiding some of the lim itations. Overall performance is increased by exploiting fine-grained parallelism on the most efficient architecture available, while reducing the high communication over head and costs of traditional heterogeneous environments. Furthermore, mHC based machines can be combined into a cluster, allowing both the coarse-grained and fine grained parallelism to be fully exploited in order to achieve even greater levels of performance. An existing high performance computing API (GSL) was chosen as the interface to the system to allow for easy integration with applications that were previously developed using this API. The ensuing chapters will provide the motivation for this work, an overview of heterogenous computing, and the details pertaining to microHeterogeneous comput ing. The framework implemented to demonstrate a microHeterogeneous computing environment will be examined as well as the results. Finally, the future of micro Heterogeneous computing will be discussed

Media gateway utilizando um GPU

Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemátic

Swarming Reconnaissance Using Unmanned Aerial Vehicles in a Parallel Discrete Event Simulation

Current military affairs indicate that future military warfare requires safer, more accurate, and more fault-tolerant weapons systems. Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are one answer to this military requirement. Technology in the UAV arena is moving toward smaller and more capable systems and is becoming available at a fraction of the cost. Exploiting the advances in these miniaturized flying vehicles is the aim of this research. How are the UAVs employed for the future military? The concept of operations for a micro-UAV system is adopted from nature from the appearance of flocking birds, movement of a school of fish, and swarming bees among others. All of these natural phenomena have a common thread: a global action resulting from many small individual actions. This emergent behavior is the aggregate result of many simple interactions occurring within the flock, school, or swarm. In a similar manner, a more robust weapon system uses emergent behavior resulting in no weakest link because the system itself is made up of simple interactions by hundreds or thousands of homogeneous UAVs. The global system in this research is referred to as a swarm. Losing one or a few individual unmanned vehicles would not dramatically impact the swarms ability to complete the mission or cause harm to any human operator. Swarming reconnaissance is the emergent behavior of swarms to perform a reconnaissance operation. An in-depth look at the design of a reconnaissance swarming mission is studied. A taxonomy of passive reconnaissance applications is developed to address feasibility. Evaluation of algorithms for swarm movement, communication, sensor input/analysis, targeting, and network topology result in priorities of each model\u27s desired features. After a thorough selection process of available implementations, a subset of those models are integrated and built upon resulting in a simulation that explores the innovations of swarming UAVs

Towards Computational Efficiency of Next Generation Multimedia Systems

To address throughput demands of complex applications (like Multimedia), a next-generation system designer needs to co-design and co-optimize the hardware and software layers. Hardware/software knobs must be tuned in synergy to increase the throughput efficiency. This thesis provides such algorithmic and architectural solutions, while considering the new technology challenges (power-cap and memory aging). The goal is to maximize the throughput efficiency, under timing- and hardware-constraints

Performance and area evaluations of processor-based benchmarks on FPGA devices

The computing system on SoCs is being long-term research since the FPGA technology has emerged due to its personality of re-programmable fabric, reconfigurable computing, and fast development time to market. During the last decade, uni-processor in a SoC is no longer to deal with the high growing market for complex applications such as Mobile Phones audio and video encoding, image and network processing. Due to the number of transistors on a silicon wafer is increasing, the recent FPGAs or embedded systems are advancing toward multi-processor-based design to meet tremendous performance and benefit this kind of systems are possible. Therefore, is an upcoming age of the MPSoC. In addition, most of the embedded processors are soft-cores, because they are flexible and reconfigurable for specific software functions and easy to build homogenous multi-processor systems for parallel programming. Moreover, behavioural synthesis tools are becoming a lot more powerful and enable to create datapath of logic units from high-level algorithms such as C to HDL and available for partitioning a HW/SW concurrent methodology. A range of embedded processors is able to implement on a FPGA-based prototyping to integrate the CPUs on a programmable device. This research is, firstly represent different types of computer architectures in modern embedded processors that are followed in different type of software applications (eg. Multi-threading Operations or Complex Functions) on FPGA-based SoCs; and secondly investigate their capability by executing a wide-range of multimedia software codes (Integer-algometric only) in different models of the processor-systems (uni-processor or multi-processor or Co-design), and finally compare those results in terms of the benchmarks and resource utilizations within FPGAs. All the examined programs were written in standard C and executed in a variety numbers of soft-core processors or hardware units to obtain the execution times. However, the number of processors and their customizable configuration or hardware datapath being generated are limited by a target FPGA resource, and designers need to understand the FPGA-based tradeoffs that have been considered - Speed versus Area. For this experimental purpose, I defined benchmarks into DLP / HLS catalogues, which are "data" and "function" intensive respectively. The programs of DLP will be executed in LEON3 MP and LE1 CMP multi-processor systems and the programs of HLS in the LegUp Co-design system on target FPGAs. In preliminary, the performance of the soft-core processors will be examined by executing all the benchmarks. The whole story of this thesis work centres on the issue of the execute times or the speed-up and area breakdown on FPGA devices in terms of different programs

Contribution to the analysis and protection of systems for digital image processing

Истраживања која садржи докторска дисертација „ПРИЛОГ АНАЛИЗИ И ЗАШТИТИ СИСТЕМА ЗА ДИГИТАЛНО ПРОЦЕСИРАЊЕ СЛИКЕ“ односе се на анализу различитих метода за дигиталну обраду слике, њено побољшање, као и њен сигуран, односно заштићен пренос до крајњег корисника. Показано је како и на који начин одређени алгоритми и математичке функције могу да се искористе у системима за дигиталну обраду слике, како за њену заштиту током преноса, тако и за побољшање њеног квалитета у постобради. У првом делу рада приказан је преглед актуелних истраживања, а затим је описана потребна теоретска подлога која ће се користити приликом истраживања. Ради што детаљније анализе реализован је хардверски склоп који генерише бели шум и урађена је софтверска апликација која олакшава и поједностављује анализу података. Помоћу ње је анализирана примена функције XOR над базама случајних бројева и дигиталним сликама, а добијени резултати су се користили за заштиту података током преноса и побољшање квалитета добијене слике. Одабир формата дигиталних слика зависио је од потребе, али је у највећем броју анализа коришћен TIFF формат записа, јер он представља некомпресовани формат слике, па су и добијени резултати објективни и мерљиви са резултатима других аутора. Све оригиналне слике, њих око две хиљаде, налазиле су се у овом формату, а онда су уз помоћ Дискретне косинусне трансформације или Вавелет трансформације оцењиване компресије као што су JPEG, JPEG2000, EZW и SPIHT. За упоређивање и анализу добијених резултата коришћени су следећи параметри: средње квадратна грешка (MSE), однос сигнал/шум (SNR), вршни однос сигнал/шум (PSNR) и индекса структурне сличности. Показано је како различите вредности линеарног осветљења утичу на вршни однос сигнал/шум (PSNR), средњу квадратну грешку (MSE), индекс структуралне сличности (SSIM) и разлику структуралне сичности (DSSIM). Анализиран је и утицај позитивног и негативног осветљења на квалитет слике кроз RGB хистограме. Анализирано је како различити алгоритми компресије утичу на квалитет слике коришћењем Лапласиан, Превит и Собел оператора. Квалитет компресованих слика оцењиван је бројем битова по пикселу (bpp) и параметрима PSNR, MSE и SNR. Анализом шест најзначајнијих оператора за детекцију ивица слике показано је како помоћу разних алгоритама и филтера може да се поправи квалитет дигиталне слике. Предложен је метод за елиминације различитих врста шумова, у реалном времену, уз помоћ Медиан филтера, Филтера средње вредности и Филтера оптерећења. Анализирана је практична примена ексклузивне дисјункције XOR код заштите, преноса и филтрирања дигиталне слике. За ту намену урађена је посебна софтверска апликација. Описан је утицај функције XОR на практично генерисање базе случајних бројева. Одређен је карактеристичан модел у коме су дефинисани најподеснији алгоритми за елиминацију шума, детекцију ивица, заштиту сигнала и пренос таквог сигнала ка пријемној страни где би се вршила реконструкција полазног сигнала. За све наведене анализе дата су одговарајућа математичка образложења и њихова презентација преко посебних софтверских апликација