Parallel architecture design and trade-off analysis for hyperspectral image processing on FPGA - Βέλλας, Σίμων (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI, 2016)
Τα τελευταία χρόνια, η υπερφασματική απεικόνιση συναντάται σε ένα σύνολο διαφορετικών εφαρμογών, από συστήματα καταγραφής γεωλογικών δεδομένων μέχρι συστήματα υψηλής ταχύτητας πραγματικού χρόνου όπως ο ποιοτικός έλεγχος τροφίμων στην παραγωγή. Οι αυξημένες δυνατότητες που μας προσφέρει αυτή η τεχνολογία, συνδυάζονται με αντίστοιχα αυξημένες απαιτήσεις για υπολογιστική ισχύ οι οποίες δεν μπορούν να ικανοποιηθούν εύκολα από κοινές επεξεργαστικές μονάδες. Ως εκ τούτου, επιταχυντές υλικού όπως το FPGA λαμβάνουν μια όλο και πιο κεντρική θέση σε συστήματα επεξεργασίας υπερφασματικών δεδομένων. Το ενδιαφέρον γύρω από αυτές τις συσκευές υπάρχει λόγω των αυξημένων δυνατοτήτων παράλληλης επεξεργασίας δεδομένων καθώς και της ικανότητας επαναδιαμόρφωσης των μονάδων. Ο προγραμματισμός των FPGA γίνεται αποδοτικά με τη χρήση γλωσσών περιγραφής υλικού, όπως η VHDL και η Verilog. Στην παρούσα εργασία αναπτύξαμε σε παραμετρική VHDL τον πυρήνα ενός συστήματος υπερφασμαστικής απεικόνισης και υλοποιήσαμε πολλαπλές διατάξεις στο Xilinx Zynq-7000 FPGA. Από λειτουργική άποψη, το σύστημα που αναπτύξαμε, αντιστοιχίζει εισερχόμενα Pixel από μια υπερφασματική κάμερα με ένα σύνολο, ήδη γνωστών, φασματικών υπογραφών. Διερευνήσαμε παράλληλες αρχιτεκτονικές σε τρία επίπεδα αφαίρεσης ενώ σχεδιάσαμε το σύστημα για εύκολη εναλλαγή των κεντρικών υπολογιστικών μονάδων και τη προσαρμογή του στην εκάστοτε μετρική/αλγόριθμο. Αξιολογήσαμε την επιτάχυνση του συστήματός μας σε σύγκριση με τις αντίστοιχες software υλοποιήσεις σε επεξεργαστές, π.χ. Intel i3 ή έναν ενσωματωμένο ARM. Επιπλέον, σε MATLAB, πραγματοποιήσαμε αξιολόγηση των επιδόσεων του συστήματος ταιριάσματος φασματικών υπογραφών ως προς την ακρίβειά του. Δουλέψαμε με υπερφασματικές εικόνες με έως 285 κανάλια (από διάφορες κάμερες), τρεις αλγορίθμους/μετρικές σύγκρισης και εξετάσαμε την απόδοση του συστήματος μέσω τριών μετρικών ποιότητας. Με βάση τη μελέτη μας, προβήκαμε σε μια tradeoff ανάλυση μεταξύ της υλοποίησης σε FPGA, της ταχύτητας και της ακρίβειας. Εν τέλει, επιτύχαμε εντυπωσιακά αποτελέσματα ακόμα και για την πιο ρεαλιστική από τις διατάξεις μας: Η επιτάχυνση υλικού κυμαίνεται από 70x-321x (έναντι του i3-3110M) και 626x-9694x (έναντι του ARM Cortex A9) ενώ η πληρότητα/ορθότητα/ποιότητα του συστήματος ανίχνευσης κυμαίνεται από 70% έως 98% για διάφορα αντικείμενα.