Optimization of scientific algorithms in heterogeneous systems and accelerators for high performance computing

Actualmente, la computación de propósito general en GPU es uno de los pilares básicos de la computación de alto rendimiento. Aunque existen cientos de aplicaciones aceleradas en GPU, aún hay algoritmos científicos poco estudiados. Por ello, la motivación de esta tesis ha sido investigar la posibilidad de acelerar significativamente en GPU un conjunto de algoritmos pertenecientes a este grupo. En primer lugar, se ha obtenido una implementación optimizada del algoritmo de compresión de vídeo e imagen CAVLC (Context-Adaptive Variable Length Encoding), que es el método entrópico más usado en el estándar de codificación de vídeo H.264. La aceleración respecto a la mejor implementación anterior está entre 2.5x y 5.4x. Esta solución puede aprovecharse como el componente entrópico de codificadores H.264 software, y utilizarse en sistemas de compresión de vídeo e imagen en formatos distintos a H.264, como imágenes médicas. En segundo lugar, se ha desarrollado GUD-Canny, un detector de bordes de Canny no supervisado y distribuido. El sistema resuelve las principales limitaciones de las implementaciones del algoritmo de Canny, que son el cuello de botella causado por el proceso de histéresis y el uso de umbrales de histéresis fijos. Dada una imagen, esta se divide en un conjunto de sub-imágenes, y, para cada una de ellas, se calcula de forma no supervisada un par de umbrales de histéresis utilizando el método de MedinaCarnicer. El detector satisface el requisito de tiempo real, al ser 0.35 ms el tiempo promedio en detectar los bordes de una imagen 512x512. En tercer lugar, se ha realizado una implementación optimizada del método de compresión de datos VLE (Variable-Length Encoding), que es 2.6x más rápida en promedio que la mejor implementación anterior. Además, esta solución incluye un nuevo método scan inter-bloque, que se puede usar para acelerar la propia operación scan y otros algoritmos, como el de compactación. En el caso de la operación scan, se logra una aceleración de 1.62x si se usa el método propuesto en lugar del utilizado en la mejor implementación anterior de VLE. Esta tesis doctoral concluye con un capítulo sobre futuros trabajos de investigación que se pueden plantear a partir de sus contribuciones

Programming issues for video analysis on Graphics Processing Units

El procesamiento de vídeo es la parte del procesamiento de señales, donde las señales de entrada y/o de salida son secuencias de vídeo. Cubre una amplia variedad de aplicaciones que son, en general, de cálculo intensivo, debido a su complejidad algorítmica. Por otra parte, muchas de estas aplicaciones exigen un funcionamiento en tiempo real. El cumplimiento de estos requisitos hace necesario el uso de aceleradores hardware como las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU). El procesamiento de propósito general en GPU representa una tendencia exitosa en la computación de alto rendimiento, desde el lanzamiento de la arquitectura y el modelo de programación NVIDIA CUDA. Esta tesis doctoral trata sobre la paralelización eficiente de aplicaciones de procesamiento de vídeo en GPU. Este objetivo se aborda desde dos vertientes: por un lado, la programación adecuada de la GPU para aplicaciones de vídeo; por otro lado, la GPU debe ser considerada como parte de un sistema heterogéneo. Dado que las secuencias de vídeo se componen de fotogramas, que son estructuras de datos regulares, muchos componentes de las aplicaciones de vídeo son inherentemente paralelizables. Sin embargo, otros componentes son irregulares en el sentido de que llevan a cabo cálculos que dependen de la carga de trabajo, sufren contención en la escritura, contienen partes inherentemente secuenciales o desbalanceadas en carga... Esta tesis propone estrategias para hacer frente a estos aspectos, a través de varios casos de estudio. También se describe una aproximación optimizada al cálculo de histogramas basada en un modelo de rendimiento de la memoria. Las secuencias de vídeo son flujos continuos que deben ser transferidos desde el ¿host¿ (CPU) al dispositivo (GPU), y los resultados del dispositivo al ¿host¿. Esta tesis doctoral propone el uso de CUDA streams para implementar el paradigma de ¿stream processing¿ en la GPU, con el fin de controlar la ejecución simultánea de las transferencias de datos y de la computación. También propone modelos de rendimiento que permiten una ejecución óptima

Automatic system for pavement crack detection and classification

Las carreteras son un tipo de elemento urbanístico utilizado por millones de personas a diario, y su estado en condiciones óptimas favorece la disminución de la tasa de accidentes de tráfico. El estado de la superficie del asfalto se ve alterado por un amplio abanico de defectos, y en concreto, las grietas cobran un interés especial debido a que su tratamiento en fases tempranas pueden suponer un ahorro en el coste de reparación y tratamiento del defecto en etapas posteriores, así como evitar la aparición de defectos derivados de ellas. Por este motivo, el mantenimiento de los pavimentos juega un papel fundamental tanto en la seguridad de los usuarios de este tipo de vías, como en términos económicos. Sin embargo, a pesar de la importancia que tiene, existen millones de kilómetros que necesitan ser inspeccionados, y esta labor se realiza en la mayoría de los casos de forma manual mediante la inspección visual supervisada por expertos, siendo una tarea ineficiente en el tiempo. Por ello, esta Tesis Doctoral presenta un sistema para la detección y clasificación automática de defectos de grietas en pavimentos. Para ello, se aplican métodos de procesamiento de imágenes a las capturas tomadas de la superficie de los asfaltos para la extracción de características y su posterior optimización y representación a un nuevo espacio de atributos interpretables por una persona. Posteriormente estas características son utilizadas por un ensemble de modelos compuesto por varios algoritmos de aprendizaje automático, para realizar la clasificación de las grietas en sus tipos más comunes: grietas de tipo malla o cocodrilo, grietas longitudinales y grietas transversales. De acuerdo con los experimentos realizados y los resultados obtenidos, el sistema tiene la capacidad de trabajar en sistemas computacionales de recursos limitados, siendo susceptible de emplearse con restricciones de tiempo real, además de proporcionar mejores resultados frente a las propuestas existentes en la literatura científica. Esto hace posible que el sistema se pueda colocar en diferentes vehículos no especializados para la recolección y clasificación de los defectos en el mismo lugar donde ocurren, aliviando así la tareas llevadas a cabo por los expertos.Roads are a type of urban element used by millions of people every day, and the optimal surface condition contributes to the reduction of the rate of traffic accidents. The condition of the asphalt surface is affected by a wide range of defects, and particularly, cracks have a special interest because their treatment in early stages represent savings in the repairing costs. As this prevents the appearance of defects derived from them rather than treating the defects in later stages. For this reason, pavement maintenance is fundamental in economic terms and the safety of the users. Millions of kilometers need to be examined, however, this work is mostly done manually through visual inspection supervised by experts, which is a time inefficient task. For this reason, this Doctoral Thesis presents a system for the automatic detection and classification of cracking defects in pavements. For this purpose, image processing methods are applied to asphalt surface images extracting features of the cracks, reducing the number of features, and representing the cracks in a new interpretable space of attributes. These new attributes are used by an ensemble model composed of different automatic learning algorithms classifying the cracks into their most common types: mesh or alligator cracks, longitudinal cracks, and transverse cracks. According to the experiment results, the proposed system can work in computer systems with limited resources and could be used with real-time constraints. Also, the proposed methodology provides more accurate results compared to the existing proposals in the scientific literature. These features enable the system to be placed in non-specialized vehicles collecting and classifying the defects, in the same place where they occur, and simplifying the tasks carried out by experts

Traitement logarithmique d'images couleur

Cette thèse de doctorat porte sur l'extension du modèle LIP (Logarithmic Image Processing) aux images en couleurs. Le modèle CoLIP (Color Logarithmic Image Processing) est défini, étudié et appliqué au traitement d'image dans ce manuscrit.Le modèle LIP est un cadre mathématique original complet, développé pour le traitement d'images à niveaux de gris, rigoureusement établi mathématiquement, compatible avec les lois physiques de formation d'image, et mieux adapté que l'approche classique pour modéliser la perception visuelle humaine de l'intensité de la lumière. Après une étude de la vision des couleurs et de la science des couleurs, le modèle CoLIP est construit en suivant les étapes de la perception humaine des couleurs, tout en intégrant le cadre mathématique du modèle LIP. Dans un premier temps, le CoLIP est construit en suivant les étapes de la photoréception, de la compression lumineuse et du codage antagoniste. Il est donc développé comme un espace couleur représentant une image couleur par un ensemble de trois fonctions de tons antagonistes, sur lesquelles sont définies les opérations CoLIP d'addition et de multiplication par un scalaire, qui confèrent à cet espace couleur la structure d'espace vectoriel couleur. Ensuite, l'espace couleur CoLIP étant un espace de type luminance-chrominance uniforme, les attributs relatifs et absolus de la perception humaine des couleurs (teinte, chroma, coloration, luminosité, clarté, et saturation) peuvent être définis. Cette construction fait du CoLIP à la fois un espace vectoriel couleur bien structuré mathématiquement, et un modèle d'apparence couleur. Dans un deuxième temps, un grand nombre de justifications physiques, mathématiques, et psychophysiques du modèle CoLIP sont proposées, notamment la comparaison des formes des ellipses de MacAdam dans l'espace de couleur uniforme CoLIP et dans d'autres modèles uniformes, sur des critères d'aire et d'excentricité des ellipses. Enfin, diverses applications utilisant la structure d'espace vectoriel couleur du modèle CoLIP sont proposées, telles que le rehaussement de contraste, le rehaussement d'image et la détection de contour. Des applications utilisant la structure de modèle d'apparence couleur, qui permet de travailler sur les notions de teinte, de luminosité et de saturation, sont également développées. Une application spécifique permettant de mesurer la viabilité des cellules sur des images de lames obtenues par cytocentrifugation et marquage couleur est également proposée.This doctoral thesis introduces the extension of the LIP (Logarithmic Image Processing) model to color images. The CoLIP (Color Logarithmic Image Processing) model is defined, studied and applied to image processing in this manuscript. The Logarithmic Image Processing (LIP) approach is a mathematical framework developed for the representation and processing of images valued in a bounded intensity range. The LIP theory is physically and psychophysically well justified since it is consistent with several laws of human brightness perception and with the multiplicative image formation model. Following a study of color vision and color science, the CoLIP model is constructed according to the human color perception stages, while integrating the mathematical framework of the LIP.Initially, the CoLIP is constructed by following the photoreception, non-linear cone compression, and opponent processing human color perception steps. It is developed as a color space representing a color image by a set of three antagonists tones functions, that can be combined by means of specific CoLIP operations: addition, scalar multiplication, and subtraction, which provide to the CoLIP framework a vector space structure. Then, as the CoLIP color space is a luminance-chrominance uniform color space, relative and absolute perception attributes (hue, chroma, colorfulness, brightness, lightness, and saturation) can be defined. Thus, the CoLIP framework combines advantages of a mathematically well structured vector space, and advantages of a color appearance model. In a second step, physical, mathematical, physiological and psychophysical justifications are proposed including a comparison of MacAdam ellipses shapes in the CoLIP uniform model, and in other uniform models, based on ellipses area and eccentricity criterions. Finally, various applications using the CoLIP vector space structure are proposed, such as contrast enhancement, image enhancement and edge detection. Applications using the CoLIP color appearance model structure, defined on hue, brightness and saturation criterions are also proposed. A specific application dedicated to the quantification of viable cells from samples obtained after cytocentrifugation process and coloration is also presented.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocSudocFranceF

Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: ● Formulations and Numerical Methods ● Efficient Methods and Real-Time Applications ● Flexible Multibody Dynamics ● Contact Dynamics and Constraints ● Multiphysics and Coupled Problems ● Control and Optimization ● Software Development and Computer Technology ● Aerospace and Maritime Applications ● Biomechanics ● Railroad Vehicle Dynamics ● Road Vehicle Dynamics ● Robotics ● Benchmark ProblemsPostprint (published version

XXIII Edición del Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación : Libro de actas

Compilación de las ponencias presentadas en el XXIII Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC), llevado a cabo en Chilecito (La Rioja) en abril de 2021.Red de Universidades con Carreras en Informátic

Multibody dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: Formulations and Numerical Methods, Efficient Methods and Real-Time Applications, Flexible Multibody Dynamics, Contact Dynamics and Constraints, Multiphysics and Coupled Problems, Control and Optimization, Software Development and Computer Technology, Aerospace and Maritime Applications, Biomechanics, Railroad Vehicle Dynamics, Road Vehicle Dynamics, Robotics, Benchmark Problems. The conference is organized by the Department of Mechanical Engineering of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) in Barcelona. The organizers would like to thank the authors for submitting their contributions, the keynote lecturers for accepting the invitation and for the quality of their talks, the awards and scientific committees for their support to the organization of the conference, and finally the topic organizers for reviewing all extended abstracts and selecting the awards nominees.Postprint (published version

Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 3-7 декабря 2018 г., г. Томск

Сборник содержит доклады, представленные на XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», прошедшей в Томском политехническом университете на базе Инженерной школы информационных технологий и робототехники. Материалы сборника отражают доклады студентов, аспирантов и молодых ученых, принятые к обсуждению на секциях: «Компьютерное моделирование и интеллектуальный анализ данных», «Автоматизация и управление в технических системах», «Робототехнические и мехатронные системы», «Цифровизация, IT и цифровая экономика», «Компьютерная графика и дизайн». Сборник предназначен для специалистов в области информационных технологий, студентов и аспирантов соответствующих специальностей