Яровий А.А. 1 , Тимченко Л.І. 2 ,

1. Яровий А.А.1 , Тимченко Л.І.2, 1 Вінницький національний технічний університет, Україна, Вінниця, Хмельницьке шосе, 95 2 Державний економіко-технологічний університет транспорту, Україна, Київ, вул. Лукашевича, 19 ВИСОКОПРОДУКТИВНІ ГЕТЕРОГЕННІ ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ КОМПЛЕКСИ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ОБРОБЛЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ ДЛЯ ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ЗВ'ЯЗКУ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер", Київ, МННЦ ІТіС НАНУ та МОНУ, 14 травня 2013 р. Доповідач – ЯРОВИЙ Андрій Анатолійович,к.т.н., доц., докторант кафедри комп’ютерних наук ВНТУ Науковий консультант – ТИМЧЕНКО Леонід Іванович, д.т.н., проф., зав. кафедри телекомунікаційнихтехнологійі автоматики ДЕТУТ

2. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ • Галузі застосування: • лазерна локація; • оптичний зв'язок; • лазерна обробка матеріалів; • поліграфія; • біомедицина; • астрополяриметрія(розділ практичної астрофізики, що займається застосуванням методів поляриметрії до випромінювання, що надходить від космічних об'єктів),тощо. • Сфери прикладного застосування – системи, у яких необхідно здійснювати автоматичне коректування спотворень лазерного джерела світлового випромінювання, наприклад: • системи світлової навігації з використанням лазерів при розповсюдженні лазерного випромінювання в умовах зі зниженою видимістю в атмосфері; • системи точного орієнтування, які дають можливість визначати просторове положення об'єкту, що рухається, у різних метеорологічних умовах; • лазерні системи зв'язку і передачі інформації; • лазерні системи локації і далекометрії, трасування і навігації; • інші системи для яких необхідні кількісні дані про вплив середовища на параметри лазерного променя, що несе певну корисну інформацію. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

3. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ • Можливі причини спотворень світлового випромінювання: • дестабілізуючий вплив механічних чи кліматичних факторів; • рефракція променів лазерного пучка; • поглинання енергії лазерного пучка атмосферними газами; • розсіювання енергії лазерного пучка частками аерозолів на флуктуаціях щільності повітря; • флуктуації параметрів лазерних пучків, обумовлені атмосферною турбулентністю. • нестабільність характеристик джерела випромінювання; • перешкоди в оптичному тракті; • роз’юстировка оптичних елементів, тощо. • Прикладна задача: • забезпечення прийнятної якості корекції, що потребує безупинного динамічного контролю характеристик світлового випромінювання, наприклад просторового розподілу його інтенсивності, у тому числі оцінки відхилення зазначеного розподілу від вихідного чи еталонного розподілу. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

4. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку • Задачі профілювання лазерних променів актуальні на міжнародному рівні: • Photon Inc. (San Jose, California, USA); • Ophir-Spiricon Inc. (Logan, Utah, USA); • Coherent Auburn Group (Auburn, California, USA); • MS MacroSystems (Netherlands); • PhaseView (France); • НПО "Астрофизика" (Москва, Росія); • ЗАО "Космическиеинформационныеаналитическиесистемы" (Москва, Росія); • ФДУП Всеросійський НДІ оптико-фізичних вимірювань (Москва, Росія); • НДІ лазерної техніки iтехнології НТУУ „КПІ” (Київ, Україна); • Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ (Київ, Україна); • Державний економіко-технологічний університет транспорту (Київ, Україна), та ін. • Приклад актуальності в галузі оптичних систем зв’язку (FSO) • 2005 р. – лабораторія реактивного руху NASA – спільний експеримент з Японським агентством аерокосмічних досліджень (JPL) – встановлення двобічної оптичної лінії зв'язку між двома супутниками, при цьому точність позиціонування мала складати десяті долі градуса, також під час цього експерименту був встановлений зв'язок з наземною станцією, однак швидкості залишались невеликими 2 Мбіт/с (A bidirectional low Earth orbit-to-ground optical link experiment. Malcolm Wright, Keith Wilson, Joseph Kovalik, AbhijitBiswas, William Roberts) • Тому роботи з покращення таких систем продовжуються й далі як зарубіжними вченими (Space-time trellis coding with transmit laser selection for FSO links over strong atmospheric turbulence channels A.Garcia-Zambrana, C.Castillo-Vazquez, B. Castillo-Vazquez), так і вченими близького зарубіжжя (Determination of the position of the Center of a laser beam when the dynamic range of the matrix receiver is exceeded. D.A. Orlov and E.A. Neverova). Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

5. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АКТУАЛЬНІСТЬ ДОСЛІДЖЕНЬ • Публікації: • David L. Shealy, John A. Hoffnagle. Laser beam shaping profiles and propagation – Applied Optics – 2006. • Valerie C. Coffey. Laser-beam profilers: How to select а beam-profile measurement system – Laser Focus World – 2009. • C.B. Roundy Current Technology of Laser Beam Profile Measurements. / C.B. Roundy – Spiricon. Inc., 2000. – 290 p. • Абдрахманов К.Ш., Быкова О.Г., Улановский М.В. Стандартизацияметодовизмерений ширин, углов расходимости и коэффициентовраспространенияпучков лазерного излучения (Измерениерасходимости лазерного пучка) – «Метрология». – №2 – 2010. • Быкова О.Г., Либерман А.А., Улановский М.В. Стандартизованные методики измерениймощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка. – «Метрология». – №12 – 2009. • А.М. ШутовМетодыоптическойастрополяриметрии. / Шутов А.М. – М.: КомКнига, 2006. – 232 с. • Измерениепространственных характеристик лазерного пучка. / Ф.В.Потёмкин, П.М.Михеев. : Трудыконференции [«Измерения и автоматизация 2006»]. – М.: МГУ им. М.В.Ломоносова, 2006. – с. 68-73. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

6. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Оптичні системи зв’язку – FSO (Free Space Optic) Поширення лазерного випромінювання в атмосфері супроводжується великим набором явищ лінійної і нелінійної взаємодії – значні перешкоди прийому; – потреба коригування приймача; – лазерний пучок розширюється чи розщеплюється, тому віднайти координати його центру, а отже й точно оцінити переміщення передавача – досить складно; – неможливість визначення координати енергетичного центру в зображенні профілю лазерного променя простими геометричними методами. – необхідність застосування спеціальних методів обробки і класифікації зображень. Спеціальні методи – зазвичай розроблені для виконання на стаціонарних комп'ютерних системах, де дослідник не обмежений часом. Оптичні системи зв’язку потребують високопродуктивних портативних пристроїв обробки інформації в реальному часі. Актуальною є задача розробки системи оброблення цифрових зображень великої роздільної здатності, яка також надасть змогу обчислити координати енергетичного центру нечіткого зобра-ження, здійснити їх класифікацію і відфільтрувати пошкоджені зображення у прийнятний час. Способи вирішення задачі: – розпаралелювання процесів обробки динамічних зображень у гетерогенних обчислювальних комплексах (застосування парадигм паралельних та розподілених обчислень, застосування технологій GPGPU, Cloud Computing, тощо). – методи паралельно-ієрархічного оброблення інформації. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

7. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку КЛАСИФІКАЦІЯ ПРОБЛЕМНО-ОРІЄНТОВАНИХ МЕТОДІВ ПРЕДСТАВЛЕННЯ ТА ОБРОБЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

8. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Парадигма штучнихнейронних (перцептронних) структур Парадигма семантичних структур з деревоподібною моделлю зв'язків Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

9. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ДЕРЕВОПОДІБНЕ ВІДОБРАЖЕННЯ МЕРЕЖЕВОЇ СТРУКТУРИ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ (ПІП) • При формуванні загальної методології створення ПІП враховувалась ідея проф. З.Л. Рабиновича про ієрархічну організацію зв’язків між структурами головного мозку людини. Сутність цієї ідеї ґрунтується на тому, що “передача збудження між структурами, тобто їх активація, може відбуватись не лише за вертикальними (ієрархічним прямим та зворотним) зв’язками, але також за горизонтальними – в межах одного і того ж поля”. • Принцип побудови паралельно-ієрархічної системи (ПІС) для оброблення даних можна визначити як послідовність операцій над множинами масивів даних, що утворюють множини інформаційних полів різноманітних рівнів ієрархії, взаємодія між якими здійснюється пірамідальною ієрархічною структурою і реалізується на основі мережевої багатопроцесорної архітектури. Сутність паралельно-ієрархічного(ПІ) підходу полягає в одночасному використанні послідовності множин масивів даних, що утворюють множини інформаційних полів на різноманітних рівнях ієрархії, рекурсивному формуванні нових послідовностей інформаційних потоків на різноманітних рівнях ієрархії, що дозволяє реалізувати стратегію багаторівневої взаємодії від “загального до часткового”. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

10. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку МЕТОД ПРЯМОГО ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ • Таким чином, паралельно-ієрархічне перетворення припускає всередині і поза кожним ієрархічним рівнем той самий закон переходу від одного рівня до іншого, причому цей закон формулюється щодо групи множин елементів інформаційного поля (даних або зображення) нижнього рівня і проміжної групи множин елементів перетворених даних усіх наступних рівнів. Тобто, для побудови ПІ структури на алгоритмічному і структурному рівнях задається лише правило перетворення групи множин елементів даних, що потім поширюються по "горизонталі" – на інші елементи і по "вертикалі" – на елементи інших ієрархічних рівнів розподілу. Це правило описує і схему перетворення вихідних даних, і результуючу структуру даних, і алгоритм оброблення. • Іншими словами, для побудови структури перетворення зберігається лише деяка основна ознака, своєрідна «хеш-функція», і принцип розвитку самої структури ПІ перетворення , послідовне застосування якого дозволяє поетапно розгортати вихідний опис за ступенем деталізації Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

11. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ЧИСЛОВИЙ ПРИКЛАД ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ОБРОБЛЕННЯ ДАНИХ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

12. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку МЕТОД ПРЯМОГО ПІП (продовження) • Розглядаючи усі H початкових множин першого рівня, при виборі елемента • з кожної множини, формуються нові множини, де i- порядковий номер початкової множини, tj - такт, у якому вибрано елемент. При першому виборі елементів із H вхідних множин у такті t1формується нова множина: • На другому кроці перетворення t3 з початкових множин формується ще одна множина з Н елементів: • Таке перетворення здійснюється доти, поки усі вихідні множини не стануть нульовими. • На рисунку позначення вертикального прямокутника є початковою множиною, горизонтального прямокутника – проміжною множиною, і кружка – елементом, нульова множина – символом Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

13. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ ПІС Нехай задані n1 функцій f1(t),f2(t),…,fn1(t). Дані функції опишемо на різних рівнях ієрархії їх представлення від 1-ої до j-оїj=2l, l=1,2… таj=2l+3, l=0,1,2,… де  - затримка формування наступної функціїстосовно попередньої, njk - кількість функцій j-го розкладання k-го функціонального рівня. Функції першого рівня можна також представити так: Структурна схема взаємодії інформаційних потоків у ПІС Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

14. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС БАГАТОЕТАПНОСТІ ПІП 1. Декомпозиція у часі Формування усіх паралельних каналів першого рівня Індекс компоненти стовпця матриці вказує етап, на якому даний компонент добувається Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

15. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС БАГАТОЕТАПНОСТІ ТА ЗСУВУ У ЧАСІ В ПІП Декомпозиція у часі 2. Зсув у часі 3. Одержання «хвостового» елемента шляхом видалення першого стоппця матриці 4. Повторення етапу 1: «перехід на наступний рівень». Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

16. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АНАЛІЗ ПІС НА ОСНОВІ КЛАСИФІКАЦІЇ М.ФЛІННА Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

17. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АНАЛІЗ ПІС НА ОСНОВІ КЛАСИФІКАЦІЇ М.ФЛІННА Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

18. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

19. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Комп'ютерне моделювання прямого ПІП з оптимізацією формування масок Фрагмент набору зображень профілю лазерного променя Обране зображення для тестового прикладу Пряме ПІП без оптимізації формування масок Пряме ПІП з оптимізацією формування масок Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

20. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ЗВОРОТНЕ ПІП ІЗ ОПТИМІЗАЦІЄЮ МАСОК (продовження) Зворотне ПІП без оптимізації масок Зворотне ПІП з оптимізацією масок На основі проведеного порівняльного аналізу в ході досліджень здійснено розробку методу зворотного ПІП із оптимізацією масокпри обробоенні зображень, в якому при кодуванні масиву кожна наступна маска має розмірність менше за попередню на кількість "одиниць" у попередній масці, що забезпечує підвищення швидкодії оброблення зображень (20,53% приросту швидкодії – для прямого ПІП, 66,24% приросту швидкодії – для зворотного ПІП), на 59,35% зменшує обсяги пам'яті для зберігання масок, а також містить властивості виявлення помилок кодування. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

21. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку 3. Сегментація граничних ліній.Для розбиття граничних контурів на декілька частин (сегментація) для визначення точки прив’язки використовуються координатипопереднього центра. Проводитьсяскануваннякожної ділянки граничної лінії (сегмента), в полярних координатах, через певний визначенийінтервал (9°). Вибрані точки будутьвикористовуватисьяк дані для апроксимації (для визначення коефіцієнтів апроксимаціїc2, c3). Для кожного сегмента граничної лініївизначаєтьсязсув граничної лініїза даним напрямком( , ). 4. Апроксимація граничних ліній.Для кожного сегмента методом найменших квадратів проводиться апроксимація івизначаються коефіцієнти c2, c3. 5. Пошук еталонного зображення. Для навчальної вибірки визначають для кожного сегмента середнє значення співвідношень коефіцієнтів апроксимації. 6. Етап тунелювання. Проводився по середнім коефіцієнтам апроксимації. Границі тунелю визначаються з тих зображень, в яких більш близько, за мінімумом середньоквадратичне відхилення, підходять поточні значення , , , до еталонних значень , , , зліва і справа від них. Потім ці близькозміщені значення усереднюются і формуються границі тунелю зліва і справа. ЕТАПИ ВИЗНАЧЕННЯ КООРДИНАТ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЦЕНТРІВ 1. Виділення граничних ліній. Починаючи від максимальної яскравості формуються N її значень: Tmax-w, w = 1,...,N. Крайні точки з яскравістю Tmax-w утворюють граничну лінію. Таким чином, визначено 6 граничних контурів. 2. Визначення попередніх центрів. 8. Етап обробки поточних зображень. У випадку попадання С2/С3 в один із тунелів і співпадання ПІ мереж для еталонного і поточного зображень останній вважається «з малим супенем спотворення», в протилежному випадку – «з великим супенем спотворення». 9. Оптимізація ваг. Структура ПІ мережі з усередниними параметрами 7. Етап навчання ПІ мережі. Формується еталонна ПІ мережа для тих зображень, які формують границі тунелю зліва и справа від центрального тунеля. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

22. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ Краєві лінії еталонного зображення Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

23. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

24. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОБРОБКА ПЛЯМОПОДІБНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ПРОФІЛЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОМЕНЯ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

25. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

26. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ПРИКЛАД РЕЗУЛЬТАТІВ ОБРОБКИ ПЛЯМОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ ЛАЗЕРНИХ ПУЧКІВ Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

27. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Пряме ПІП на основі кластерної CPU-орієнтованої апаратної платформи Розроблений пакет програм протестовано на обчислювальному кластері Microsoft IT Academy ВНТУ.В результаті порівняння отриманих результатів оброблення на 2 вузлах кластерної системи приріст швидкодії відносно обробки на одному вузлі склав 27,7%. Розроблена методика забезпечує компактне виконання високопродуктивних ПІС з високою обчислювальною щільністю поряд з високошвидкісними каналами передачі даних, що дозволило в подальших дослідженнях використати проектні рішення на базі GPU у компактних кластерних комплексах . Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

28. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ПІДТРИМКА ТЕХНОЛОГІЇ GPGPU НА СВІТОВОМУ РІВНІ • Необхідно відзначити, що наукові дослідження з розробки та реалізації обчислювальних систем (в тому числі кластерних) на основі GPU є не новинкою, а є загальновизнаними, мають свою історію та вагомі практичні результати. Про перспективність технологій GPGPU свідчить те, що станом на червень 2011 р., три із п’яти найпотужніших суперкомп’ютерів світу побудовані з використанням графічних адаптерів – NVIDIA GPU (див. http://www.top500.org). При цьому відзначені 3 супер-комп’ютера забезпечували вищу швидкодію, ніж усі інші суперкомп’ютерні системи першої десятки, разом узяті (див. http://newsdesk.pcmag.ru/node/30219) Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

29. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКТИВНОСТІ GPU Швидкість виконання операцій над числами з плаваючою комою Джерело: NVIDIA CUDA C Programming Guide. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

30. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКТИВНОСТІ GPU Пропускна здатність пам'яті Джерело: NVIDIA CUDA C Programming Guide Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

31. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ GPU-ОРІЄНТОВАНИХ СИСТЕМ CPU – Central Processing Unit GPU – Graphics Processing Unit • Природно, далеко не на всіх задачах вдається отримати високу продуктивність навіть на одному GPU. Тут можна виділити спільні системні вимоги для задач, що потребують реалізації обчислень загального призначення на GPU: • Висока обчислювальна потужність. • Великий розмір обчислюваного масиву. • Можливість незалежного обчислення цільових елементів на кожному з проходів. • Масиви даних, що використовуються при обчисленнях, повинні повністю поміщатися у відеопам'ять. • Зважаючи на наведені системні вимоги можна стверджувати, що організація паралельного (і, зокрема, паралельно-ієрархічного) оброблення інформації є тією задачею, що входить до класу задач, які ефективно реалізовувати на GPU-платформах. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

32. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ХАРАКТЕРИСТИКА АПАРАТНОЇ ЧАСТИНИ ВИСОКОПРОДУКТИВНОГО ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО КОМПЛЕКСУ ДЛЯ ПІ ОБРОБЛЕННЯ ЗОБРАЖЕНЬ Грант Вінницької обласної Ради та ОДА для закладів освіти в рамках реалізації обласної Програми "Розвитку інформаційних, телекомунікаційних та інноваційних технологій в закладах освіти Вінницького регіону до 2015 року" (вересень 2011 р.). Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

33. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОСОБЛИВОСТІ АРХІТЕКТУРНОЇ ТА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ GeForce GTX 590 Відеоадаптер від компанії "NVidia“ GeForce GTX 590 базується на двох графічних процесорах GF110. Необхідно відзначити, що графічний процесор GF110 має покращені обчислювальні характеристики і дуже добре зарекомендував себе в попередній однопроцесорній версії відеоадаптера NVidiaGeForce GTX 580, який і досі є одним із найшвидших однопроцесорних рішень для високопродуктивних відеоадаптерів. Також доцільним буде навести специфікацію відеоадаптера GeForce GTX 590: • Технологія виготовлення – 40 нм. • 2 чіпи GF110 по 3 млрд. транзисторів кожен. • Частота ядра – 607 МГц. • Частота універсальних процесорів – 1215 МГц. • Кількість універсальних процесорів – 1024 (2×512). • Підтримка багатопроцесорної роботи, в наявності одинарне SLI-з'єднання. • Кількість текстурних блоків – 2×64, блоків блендингу – 2×48. • Ефективна частота пам'яті – 3414 (854×4) МГц. • Тип пам'яті GDDR5, подвійна 384-битная шина пам'яті. • Обсяг пам'яті – 3072 МБ (2×1536 МБ). • Пропускна здатність пам'яті – 328 (2×164) ГБ в секунду. • Теоретична максимальна швидкість зафарбовування – 58 гігапікселів в секунду. • Теоретична швидкість вибірки текстур – 78 гігатекселів в секунду. • Шина – PCI Express 2.0. • Максимальне енергоспоживання – до 365 Вт. • Двухслотове виконання. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

34. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АРХІТЕКТУРА GPU СІМЕЙСТВА NVIDIA GeForce GTX 590 Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

35. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку УЗАГАЛЬНЕНА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА GPGPU-МОДЕЛІ Узагальнена модель програмування GPU Узагальнена структурно-функціональна схема GPGPU-моделі Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

36. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Оцінка ефективності багатопотокового ПІП масивів інформації 1. Прискорення (speedup), що отримується при використанні паралельного алгоритму для p процесорів, в порівнянні з послідовним варіантом виконання обчислень, визначається величиною: (величина n використовується для параметризації обчислювальної складності розв'язуваної задачі і може обиратися, наприклад, як кількість вхідних даних задачі). Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

37. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Оцінка ефективності багатопотокового ПІП масивів інформації 2. Ефективність (efficiency) – використання паралельним алгоритмом процесорів при розв’язанні задачі визначається співвідношенням: (величина ефективності визначає середню частку часу виконання паралельного алгоритму, протягом якого процесори реально використовуються для вирішення завдання). Типовою ситуацією, є випадки, коли значення Ep(n) - не більше 1. Проте можуть існувати випадки, в яикх Ep(n)>1, - це називається явище надлінійності. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

38. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Оцінка ефективності багатопотокового ПІП масивів інформації 3. Вартість (cost) обчислень: Вартісно-оптимальний (cost-optimal) паралельний алгоритм являє спосіб оброблення, вартість якого є пропорційною часу виконання найкращого послідовного алгоритму. Таким чином, покращенням даного показника вважається ситуація, коли значення Cp(n) не більше значення T1(n), тобто часу оброблення масиву даних послідовним варіантом обчислень (мс). Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

39. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ОРГАНІЗАЦІЯ БЛОКІВ ПОТОКІВ ПРИ ОРГАНІЗАЦІЇ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО GPGPU-ПРОЦЕСУ Існуючі способи оптимізації GPU програм при організації паралельних потоків оброблення інформації: Оптимізація затримок при звертанні до глобальної пам’яті. Оптимізація затримок при копіюванні даних з/на GPU Послідовне зчитування із пам’яті Використання локальної пам’яті та текстурного кешу Узгодженість потоків в рамках одного SIMD-блоку Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

40. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Комп’ютерна програма для визначення оптимальних параметрів груп паралельних потоків при організації обчислювального GPGPU-процесу в ПІП Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

41. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ БАГАТОРІВНЕВОЇ ПІС Структурна схема організації потоків в обчислювальному процесі багаторівневої ПІС Структурна організація багаторівневої ПІС Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

42. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Паралельно-ієрархічне перетворення плямоподібних зображень на основі GPU-орієнтованої апаратної платформи з подальшою їх класифікацією Метод розпізнавання в ПІC на основі формування нормуючого рівняння. Використовуючи властивість інваріантості суми початкових елементів () ПІC до суми хвостових елементів () складемо систему рівнянь для одержання таких коефіцієнтів налаштування у вигляді (1), щоб можна було сформувати нормуюче рівняння (2): (2) (1) де коефіцієнти налаштування отримані при попередній обробці на перших зображеннях набору; – хвостові елементи відповідно поточного і попередніх зображень. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

43. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Результати класифікації плямоподібних зображень профілю лазерного променя Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

44. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Результати експериментальних досліджень обробки відеотраси лазера Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

45. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Результати експериментальних досліджень часу, що витрачається на обчислення (без врахування витрат часу на операції завантаження у пам'ять системи) обробки відеотраси лазера Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

46. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку Залежність розміру файлу плямоподібного зображення профілю лазерного променя від його розмірності Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

47. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ Дані дослідження проводились згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри лазерної та оптоелектронної техніки та кафедри комп'ютерних наук Вінницького національного технічного університету і кафедри телекомунікаційних технологій та автоматики Державного економіко-технологічного університету транспорту (м.Київ), в тому числі в межах: • договору GP/F44/051/4710 “Методи та засоби організації високопродуктивних паралельно-ієрархічних обчислювальних процесів в інтелектуальних системах” (грант Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених, № державної реєстрації: 0112U008123, 2012 р.), при виконанні якого автор брав участь як науковий керівник; • договору Ф13/49-2007 “Інтелектуальна система для ідентифікації плямових зображень лазерних пучків” (грант Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених, № державної реєстрації: 0107U011806, 2007 р.), при виконанні якого автор брав участь як науковий керівник; • госпдоговірної теми „Розробка алгоритмів роботи автоматизованої системи підтримки експлуатації транспортної мережі зв’язку” (№ державної реєстрації: 0113U003214, 2012-2013 р.р.), при виконанні якої автор бере участь як відповідальний виконавець; • держбюджетної теми „Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси паралельно-ієрархічного оброблення зображень протяжних лазерних трас та прогнозування їх характеристик для оптичних систем зв'язку” (№ державної реєстрації: 0113U003214, 2013 р.); при виконанні якої автор бере участь як відповідальний виконавець; • а також 6 держбюджетних тем протягом 2002-2013 р.р. Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

48. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ • Тематика роботи пов’язана з обласною Програмою "Розвитку інформаційних, телекомунікаційних та інноваційних технологій в закладах освіти Вінницького регіону до 2015 року" (в 2011 р. автор отримав грант Вінницької обласної Ради та обласної державної адміністрації для закладів освіти системи загальної середньої, професійно-технічної та вищої освіти, рішення 7 сесії Вінницької обласної ради 6 скликання від 28.10.2011 р. №184). Результати досліджень пройшли апробацію на більше ніж 50 міжнародних наукових конференціях та наукових семінарах. Результати досліджень представлено у 127 працях, зокрема в 2 монографіях, 33 наукових статях у фахових виданнях, 10 наукових статях в наукових виданнях іноземних держав, 54 публікаціях у збірках матеріалів міжнародних конференцій, 2 патентах України на винахід, 26 свідоцтвах про реєстрацію авторського права на твір (комп'ютерну програму). Додатково наукові результати дослідження відображені у 5 навчальних посібниках (з них один – з грифом „Рекомендовано МОНМСУ як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів”). Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.

49. Високопродуктивні гетерогенні обчислювальні комплекси ПІ оброблення зображень профілю лазерного променя для оптичних систем зв'язку ДЯКУЮ ЗА УВАГУ ! Науковий семінар з Проблеми "Образний комп’ютер" Доповідач: Яровий А.А.