Parallel architecture design and trade-off analysis for hyperspectral image processing on FPGA

Βέλλας, Σίμων; Vellas, Simon

dc.contributor.author	Βέλλας, Σίμων	el
dc.contributor.author	Vellas, Simon	en
dc.date.accessioned	2016-09-15T08:06:26Z
dc.date.available	2016-09-15T08:06:26Z
dc.date.issued	2016-09-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43527
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.13001
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υπερφασματική ανάλυση	el
dc.subject	Επιταχυντές υλικού	el
dc.subject	Παράλληλες αρχιτεκτονικές	el
dc.subject	Ψηφιακή σχεδίαση	el
dc.subject	Γλώσσες περιγραφής υλικού	el
dc.subject	Hyperspectral imaging	en
dc.subject	FPGA	en
dc.subject	Parallel architectures	en
dc.subject	VHDL	en
dc.subject	Embedded systems	en
dc.title	Parallel architecture design and trade-off analysis for hyperspectral image processing on FPGA	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ψηφιακή Σχεδίαση	el
heal.classification	Επιστήμη υπολογιστών/πληροφορική	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/77de68daecd823babbb58edb1c8e14d7106e83bb
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-21
heal.abstract	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.	el
heal.abstract	In recent years, hyperspectral imaging has found its way in a series of applications ranging from environmental monitoring to high speed sensing and food processing with real time performance. Enhancing the detection abilities of this technology relies on increasing the processing capabilities of the computational units supporting the hyperspectral imaging sensors. In this direction, FPGA-based hardware accelerators have gained the interest of the scientific community due to the very fast processing capabilities as well as the reconfiguration ability offered by this platform. Until today, the efficient programming of these devices is usually done with hardware description languages like VHDL or Verilog. In the current thesis, we developed in parametric VHDL the kernel of a hyperspectral imaging system and we implemented multiple configurations on Zynq-7000 SoC FPGA. From a functional point of view, the developed system matches incoming pixels from a hyperspectral camera with a set of spectral signatures known a priori. We combined various parallel architectures on three abstraction levels and we followed a modular design approach allowing for easy adaptation to algorithm/matching. We evaluated the acceleration of our system and compared it against software implementations on CPUs, e.g. Intel i3 and embedded ARM. Additionally, on MATLAB, we conducted a performance evaluation of the signature matching system with respect to its accuracy; we considered hyperspectral images of up to 285 spectral channels (from various cameras), three matching algorithms/metrics, and we examined the performance by using three quality measures. Based on our study, we provided a trade-off analysis among hardware implementation, system speed and accuracy. In the end, impressive results were achieved even for the most realistic of the considered scenarios: the hardware acceleration ranges from 70x‒321x (vs. i3-3110Μ) to 626x‒9694x (vs. ARM Cortex A9), whereas the completeness/correctness/quality of the detection system ranges from 70% to 98% for various objects.	en
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Πεκμεστζή, Κιαμάλ	el
heal.committeeMemberName	Καράντζαλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	103 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true