Bio-inspired FPGA Architecture for Self-Calibration of an Image Compression Core based on Wavelet Transforms in Embedded Systems

A generic bio-inspired adaptive architecture for image compression suitable to be implemented in embedded systems is presented. The architecture allows the system to be tuned during its calibration phase. An evolutionary algorithm is responsible of making the system evolve towards the required performance. A prototype has been implemented in a Xilinx Virtex-5 FPGA featuring an adaptive wavelet transform core directed at improving image compression for specific types of images. An Evolution Strategy has been chosen as the search algorithm and its typical genetic operators adapted to allow for a hardware friendly implementation. HW/SW partitioning issues are also considered after a high level description of the algorithm is profiled which validates the proposed resource allocation in the device fabric. To check the robustness of the system and its adaptation capabilities, different types of images have been selected as validation patterns. A direct application of such a system is its deployment in an unknown environment during design time, letting the calibration phase adjust the system parameters so that it performs efcient image compression. Also, this prototype implementation may serve as an accelerator for the automatic design of evolved transform coefficients which are later on synthesized and implemented in a non-adaptive system in the final implementation device, whether it is a HW or SW based computing device. The architecture has been built in a modular way so that it can be easily extended to adapt other types of image processing cores. Details on this pluggable component point of view are also given in the paper.

Image sub-segmentation by PFCM and Artificial Neural Networks to detect pore space in 2D and 3D CT soil images

The image by Computed Tomography is a non-invasive alternative for observing soil structures, mainly pore space. The pore space correspond in soil data to empty or free space in the sense that no material is present there but only fluids, the fluid transport depend of pore spaces in soil, for this reason is important identify the regions that correspond to pore zones. In this paper we present a methodology in order to detect pore space and solid soil based on the synergy of the image processing, pattern recognition and artificial intelligence. The mathematical morphology is an image processing technique used for the purpose of image enhancement. In order to find pixels groups with a similar gray level intensity, or more or less homogeneous groups, a novel image sub-segmentation based on a Possibilistic Fuzzy c-Means (PFCM) clustering algorithm was used. The Artificial Neural Networks (ANNs) are very efficient for demanding large scale and generic pattern recognition applications for this reason finally a classifier based on artificial neural network is applied in order to classify soil images in two classes, pore space and solid soil respectively.

Descripción, comparación y ejemplos de uso de las funciones de la toolbox de procesado digital de imágenes de MATLAB®

Matlab, uno de los paquetes de software matemático más utilizados actualmente en el mundo de la docencia y de la investigación, dispone de entre sus muchas herramientas una específica para el procesado digital de imágenes. Esta toolbox de procesado digital de imágenes está formada por un conjunto de funciones adicionales que amplían la capacidad del entorno numérico de Matlab y permiten realizar un gran número de operaciones de procesado digital de imágenes directamente a través del programa principal. Sin embargo, pese a que MATLAB cuenta con un buen apartado de ayuda tanto online como dentro del propio programa principal, la bibliografía disponible en castellano es muy limitada y en el caso particular de la toolbox de procesado digital de imágenes es prácticamente nula y altamente especializada, lo que requiere que los usuarios tengan una sólida formación en matemáticas y en procesado digital de imágenes. Partiendo de una labor de análisis de todas las funciones y posibilidades disponibles en la herramienta del programa, el proyecto clasificará, resumirá y explicará cada una de ellas a nivel de usuario, definiendo todas las variables de entrada y salida posibles, describiendo las tareas más habituales en las que se emplea cada función, comparando resultados y proporcionando ejemplos aclaratorios que ayuden a entender su uso y aplicación. Además, se introducirá al lector en el uso general de Matlab explicando las operaciones esenciales del programa, y se aclararán los conceptos más avanzados de la toolbox para que no sea necesaria una extensa formación previa. De este modo, cualquier alumno o profesor que se quiera iniciar en el procesado digital de imágenes con Matlab dispondrá de un documento que le servirá tanto para consultar y entender el funcionamiento de cualquier función de la toolbox como para implementar las operaciones más recurrentes dentro del procesado digital de imágenes. Matlab, one of the most used numerical computing environments in the world of research and teaching, has among its many tools a specific one for digital image processing. This digital image processing toolbox consists of a set of additional functions that extend the power of the digital environment of Matlab and allow to execute a large number of operations of digital image processing directly through the main program. However, despite the fact that MATLAB has a good help section both online and within the main program, the available bibliography is very limited in Castilian and is negligible and highly specialized in the particular case of the image processing toolbox, being necessary a strong background in mathematics and digital image processing. Starting from an analysis of all the available functions and possibilities in the program tool, the document will classify, summarize and explain each function at user level, defining all input and output variables possible, describing common tasks in which each feature is used, comparing results and providing illustrative examples to help understand its use and application. In addition, the reader will be introduced in the general use of Matlab explaining the essential operations within the program and clarifying the most advanced concepts of the toolbox so that an extensive prior formation will not be necessary. Thus, any student or teacher who wants to start digital image processing with Matlab will have a document that will serve to check and understand the operation of any function of the toolbox and also to implement the most recurrent operations in digital image processing.

Assembling models of embryo development: Image analysis and the construction of digital atlases

Digital atlases of animal development provide a quantitative description of morphogenesis, opening the path toward processes modeling. Prototypic atlases offer a data integration framework where to gather information from cohorts of individuals with phenotypic variability. Relevant information for further theoretical reconstruction includes measurements in time and space for cell behaviors and gene expression. The latter as well as data integration in a prototypic model, rely on image processing strategies. Developing the tools to integrate and analyze biological multidimensional data are highly relevant for assessing chemical toxicity or performing drugs preclinical testing. This article surveys some of the most prominent efforts to assemble these prototypes, categorizes them according to salient criteria and discusses the key questions in the field and the future challenges toward the reconstruction of multiscale dynamics in model organisms.

Image characterisation based on the mammalian visual cortex

A proposal for a model of the primary visual cortex is reported. It is structured with the basis of a simple unit cell able to perform fourteen pairs of different boolean functions corresponding to the two possible inputs. As a first step, a model of the retina is presented. Different types of responses, according to the different possibilities of interconnecting the building blocks, have been obtained. These responses constitute the basis for an initial configuration of the mammalian primary visual cortex. Some qualitative functions, as symmetry or size of an optical input, have been obtained. A proposal to extend this model to some higher functions, concludes the paper.

MIA - a free and open source software for gray scale medical image analysis

Background Gray scale images make the bulk of data in bio-medical image analysis, and hence, the main focus of many image processing tasks lies in the processing of these monochrome images. With ever improving acquisition devices, spatial and temporal image resolution increases, and data sets become very large. Various image processing frameworks exists that make the development of new algorithms easy by using high level programming languages or visual programming. These frameworks are also accessable to researchers that have no background or little in software development because they take care of otherwise complex tasks. Specifically, the management of working memory is taken care of automatically, usually at the price of requiring more it. As a result, processing large data sets with these tools becomes increasingly difficult on work station class computers. One alternative to using these high level processing tools is the development of new algorithms in a languages like C++, that gives the developer full control over how memory is handled, but the resulting workflow for the prototyping of new algorithms is rather time intensive, and also not appropriate for a researcher with little or no knowledge in software development. Another alternative is in using command line tools that run image processing tasks, use the hard disk to store intermediate results, and provide automation by using shell scripts. Although not as convenient as, e.g. visual programming, this approach is still accessable to researchers without a background in computer science. However, only few tools exist that provide this kind of processing interface, they are usually quite task specific, and don’t provide an clear approach when one wants to shape a new command line tool from a prototype shell script. Results The proposed framework, MIA, provides a combination of command line tools, plug-ins, and libraries that make it possible to run image processing tasks interactively in a command shell and to prototype by using the according shell scripting language. Since the hard disk becomes the temporal storage memory management is usually a non-issue in the prototyping phase. By using string-based descriptions for filters, optimizers, and the likes, the transition from shell scripts to full fledged programs implemented in C++ is also made easy. In addition, its design based on atomic plug-ins and single tasks command line tools makes it easy to extend MIA, usually without the requirement to touch or recompile existing code. Conclusion In this article, we describe the general design of MIA, a general purpouse framework for gray scale image processing. We demonstrated the applicability of the software with example applications from three different research scenarios, namely motion compensation in myocardial perfusion imaging, the processing of high resolution image data that arises in virtual anthropology, and retrospective analysis of treatment outcome in orthognathic surgery. With MIA prototyping algorithms by using shell scripts that combine small, single-task command line tools is a viable alternative to the use of high level languages, an approach that is especially useful when large data sets need to be processed.

Higher-order regularization and morphological techniques for image segmentation

La segmentación de imágenes es un campo importante de la visión computacional y una de las áreas de investigación más activas, con aplicaciones en comprensión de imágenes, detección de objetos, reconocimiento facial, vigilancia de vídeo o procesamiento de imagen médica. La segmentación de imágenes es un problema difícil en general, pero especialmente en entornos científicos y biomédicos, donde las técnicas de adquisición imagen proporcionan imágenes ruidosas. Además, en muchos de estos casos se necesita una precisión casi perfecta. En esta tesis, revisamos y comparamos primero algunas de las técnicas ampliamente usadas para la segmentación de imágenes médicas. Estas técnicas usan clasificadores a nivel de pixel e introducen regularización sobre pares de píxeles que es normalmente insuficiente. Estudiamos las dificultades que presentan para capturar la información de alto nivel sobre los objetos a segmentar. Esta deficiencia da lugar a detecciones erróneas, bordes irregulares, configuraciones con topología errónea y formas inválidas. Para solucionar estos problemas, proponemos un nuevo método de regularización de alto nivel que aprende información topológica y de forma a partir de los datos de entrenamiento de una forma no paramétrica usando potenciales de orden superior. Los potenciales de orden superior se están popularizando en visión por computador, pero la representación exacta de un potencial de orden superior definido sobre muchas variables es computacionalmente inviable. Usamos una representación compacta de los potenciales basada en un conjunto finito de patrones aprendidos de los datos de entrenamiento que, a su vez, depende de las observaciones. Gracias a esta representación, los potenciales de orden superior pueden ser convertidos a potenciales de orden 2 con algunas variables auxiliares añadidas. Experimentos con imágenes reales y sintéticas confirman que nuestro modelo soluciona los errores de aproximaciones más débiles. Incluso con una regularización de alto nivel, una precisión exacta es inalcanzable, y se requeire de edición manual de los resultados de la segmentación automática. La edición manual es tediosa y pesada, y cualquier herramienta de ayuda es muy apreciada. Estas herramientas necesitan ser precisas, pero también lo suficientemente rápidas para ser usadas de forma interactiva. Los contornos activos son una buena solución: son buenos para detecciones precisas de fronteras y, en lugar de buscar una solución global, proporcionan un ajuste fino a resultados que ya existían previamente. Sin embargo, requieren una representación implícita que les permita trabajar con cambios topológicos del contorno, y esto da lugar a ecuaciones en derivadas parciales (EDP) que son costosas de resolver computacionalmente y pueden presentar problemas de estabilidad numérica. Presentamos una aproximación morfológica a la evolución de contornos basada en un nuevo operador morfológico de curvatura que es válido para superficies de cualquier dimensión. Aproximamos la solución numérica de la EDP de la evolución de contorno mediante la aplicación sucesiva de un conjunto de operadores morfológicos aplicados sobre una función de conjuntos de nivel. Estos operadores son muy rápidos, no sufren de problemas de estabilidad numérica y no degradan la función de los conjuntos de nivel, de modo que no hay necesidad de reinicializarlo. Además, su implementación es mucho más sencilla que la de las EDP, ya que no requieren usar sofisticados algoritmos numéricos. Desde un punto de vista teórico, profundizamos en las conexiones entre operadores morfológicos y diferenciales, e introducimos nuevos resultados en este área. Validamos nuestra aproximación proporcionando una implementación morfológica de los contornos geodésicos activos, los contornos activos sin bordes, y los turbopíxeles. En los experimentos realizados, las implementaciones morfológicas convergen a soluciones equivalentes a aquéllas logradas mediante soluciones numéricas tradicionales, pero con ganancias significativas en simplicidad, velocidad y estabilidad. ABSTRACT Image segmentation is an important field in computer vision and one of its most active research areas, with applications in image understanding, object detection, face recognition, video surveillance or medical image processing. Image segmentation is a challenging problem in general, but especially in the biological and medical image fields, where the imaging techniques usually produce cluttered and noisy images and near-perfect accuracy is required in many cases. In this thesis we first review and compare some standard techniques widely used for medical image segmentation. These techniques use pixel-wise classifiers and introduce weak pairwise regularization which is insufficient in many cases. We study their difficulties to capture high-level structural information about the objects to segment. This deficiency leads to many erroneous detections, ragged boundaries, incorrect topological configurations and wrong shapes. To deal with these problems, we propose a new regularization method that learns shape and topological information from training data in a nonparametric way using high-order potentials. High-order potentials are becoming increasingly popular in computer vision. However, the exact representation of a general higher order potential defined over many variables is computationally infeasible. We use a compact representation of the potentials based on a finite set of patterns learned fromtraining data that, in turn, depends on the observations. Thanks to this representation, high-order potentials can be converted into pairwise potentials with some added auxiliary variables and minimized with tree-reweighted message passing (TRW) and belief propagation (BP) techniques. Both synthetic and real experiments confirm that our model fixes the errors of weaker approaches. Even with high-level regularization, perfect accuracy is still unattainable, and human editing of the segmentation results is necessary. The manual edition is tedious and cumbersome, and tools that assist the user are greatly appreciated. These tools need to be precise, but also fast enough to be used in real-time. Active contours are a good solution: they are good for precise boundary detection and, instead of finding a global solution, they provide a fine tuning to previously existing results. However, they require an implicit representation to deal with topological changes of the contour, and this leads to PDEs that are computationally costly to solve and may present numerical stability issues. We present a morphological approach to contour evolution based on a new curvature morphological operator valid for surfaces of any dimension. We approximate the numerical solution of the contour evolution PDE by the successive application of a set of morphological operators defined on a binary level-set. These operators are very fast, do not suffer numerical stability issues, and do not degrade the level set function, so there is no need to reinitialize it. Moreover, their implementation is much easier than their PDE counterpart, since they do not require the use of sophisticated numerical algorithms. From a theoretical point of view, we delve into the connections between differential andmorphological operators, and introduce novel results in this area. We validate the approach providing amorphological implementation of the geodesic active contours, the active contours without borders, and turbopixels. In the experiments conducted, the morphological implementations converge to solutions equivalent to those achieved by traditional numerical solutions, but with significant gains in simplicity, speed, and stability.

Noise-agnostic adaptive image filtering without training references on an evolvable hardware platform

One of the main concerns of evolvable and adaptive systems is the need of a training mechanism, which is normally done by using a training reference and a test input. The fitness function to be optimized during the evolution (training) phase is obtained by comparing the output of the candidate systems against the reference. The adaptivity that this type of systems may provide by re-evolving during operation is especially important for applications with runtime variable conditions. However, fully automated self-adaptivity poses additional problems. For instance, in some cases, it is not possible to have such reference, because the changes in the environment conditions are unknown, so it becomes difficult to autonomously identify which problem requires to be solved, and hence, what conditions should be representative for an adequate re-evolution. In this paper, a solution to solve this dependency is presented and analyzed. The system consists of an image filter application mapped on an evolvable hardware platform, able to evolve using two consecutive frames from a camera as both test and reference images. The system is entirely mapped in an FPGA, and native dynamic and partial reconfiguration is used for evolution. It is also shown that using such images, both of them being noisy, as input and reference images in the evolution phase of the system is equivalent or even better than evolving the filter with offline images. The combination of both techniques results in the completely autonomous, noise type/level agnostic filtering system without reference image requirement described along the paper.

A novel FPGA-based evolvable hardware system based on multiple processing arrays

In this paper, an architecture based on a scalable and flexible set of Evolvable Processing arrays is presented. FPGA-native Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is used for evolution, which is done intrinsically, letting the system to adapt autonomously to variable run-time conditions, including the presence of transient and permanent faults. The architecture supports different modes of operation, namely: independent, parallel, cascaded or bypass mode. These modes of operation can be used during evolution time or during normal operation. The evolvability of the architecture is combined with fault-tolerance techniques, to enhance the platform with self-healing features, making it suitable for applications which require both high adaptability and reliability. Experimental results show that such a system may benefit from accelerated evolution times, increased performance and improved dependability, mainly by increasing fault tolerance for transient and permanent faults, as well as providing some fault identification possibilities. The evolvable HW array shown is tailored for window-based image processing applications.

Análisis del software ImageJ para el análisis científico de imágenes

ImageJ es un programa informático de tratamiento digital de imagen orientado principalmente hacia el ámbito de las ciencias de la salud. Se trata de un software de dominio público y de código abierto desarrollado en lenguaje Java en las instituciones del National Institutes of Health de Estados Unidos. Incluye por defecto potentes herramientas para editar, procesar y analizar imágenes de casi cualquier tipo y formato. Sin embargo, su mayor virtud reside en su extensibilidad: las funcionalidades de ImageJ pueden ampliarse hasta resolver casi cualquier problema de tratamiento digital de imagen mediante macros, scripts y, especialmente, plugins programables en lenguaje Java gracias a la API que ofrece. Además, ImageJ cuenta con repositorios oficiales en los que es posible obtener de forma gratuita macros, scripts y plugins aplicables en multitud de entornos gracias a la labor de la extensa comunidad de desarrolladores de ImageJ, que los depura, mejora y amplia frecuentemente. Este documento es la memoria de un proyecto que consiste en el análisis detallado de las herramientas de tratamiento digital de imagen que ofrece ImageJ. Tiene por objetivo determinar si ImageJ, a pesar de estar más enfocado a las ciencias de la salud, puede resultar útil en el entorno de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, y en tal caso, resaltar las características que pudieran resultar más beneficiosas en este ámbito y servir además como guía introductoria. En las siguientes páginas se examinan una a una las herramientas de ImageJ (versión 1.48q), su funcionamiento y los mecanismos subyacentes. Se sigue el orden marcado por los menús de la interfaz de usuario: el primer capítulo abarca las herramientas destinadas a la manipulación de imágenes en general (menú Image); el segundo, las herramientas de procesado (menú Process); el tercero, las herramientas de análisis (menú Analyze); y el cuarto y último, las herramientas relacionadas con la extensibilidad de ImageJ (menú Plugins). ABSTRACT. ImageJ is a digital image processing computer program which is mainly focused at the health sciences field. It is a public domain, open source software developed in Java language at the National Institutes of Health of the United States of America. It includes powerful built-in tools to edit, process and analyze almost every type of image in nearly every format. However, its main virtue is its extensibility: ImageJ functionalities can be widened to solve nearly every situation found in digital image processing through macros, scripts and, specially, plugins programmed in Java language thanks to the ImageJ API. In addition, ImageJ has official repositories where it is possible to freely get many different macros, scripts and plugins thanks to the work carried out by the ImageJ developers community, which continuously debug, improve and widen them. This document is a report which explains a detailed analysis of all the digital image processing tools offered by ImageJ. Its final goal is to determine if ImageJ can be useful to the environment of Escuela Tecnica Superior de Ingenierfa y Sistemas de Telecomunicacion of Universidad Politecnica de Madrid, in spite of being focused at the health sciences field. In such a case, it also aims to highlight the characteristics which could be more beneficial in this field, and serve as an introductory guide too. In the following pages, all of the ImageJ tools (version 1.48q) are examined one by one, as well as their work and the underlying mechanics. The document follows the order established by the menus in ImageJ: the first chapter covers all the tools destined to manipulate images in general (menu Image); the second one covers all the processing tools (menu Process); the third one includes analyzing tools (menu Analyze); and finally, the fourth one contains all those tools related to ImageJ extensibility (menu Plugins).

Hardware timestamping for image acquisition system based on FlexRIO and IEEE 1588 v2 Standard

Current fusion devices consist of multiple diagnostics and hundreds or even thousands of signals. This situation forces on multiple occasions to use distributed data acquisition systems as the best approach. In this type of distributed systems, one of the most important issues is the synchronization between signals, so that it is possible to have a temporal correlation as accurate as possible between the acquired samples of all channels. In last decades, many fusion devices use different types of video cameras to provide inside views of the vessel during operations and to monitor plasma behavior. The synchronization between each video frame and the rest of the different signals acquired from any other diagnostics is essential in order to know correctly the plasma evolution, since it is possible to analyze jointly all the information having accurate knowledge of their temporal correlation. The developed system described in this paper allows timestamping image frames in a real-time acquisition and processing system using 1588 clock distribution. The system has been implemented using FPGA based devices together with a 1588 synchronized timing card (see Fig.1). The solution is based on a previous system [1] that allows image acquisition and real-time image processing based on PXIe technology. This architecture is fully compatible with the ITER Fast Controllers [2] and offers integration with EPICS to control and monitor the entire system. However, this set-up is not able to timestamp the frames acquired since the frame grabber module does not present any type of timing input (IRIG-B, GPS, PTP). To solve this lack, an IEEE1588 PXI timing device its used to provide an accurate way to synchronize distributed data acquisition systems using the Precision Time Protocol (PTP) IEEE 1588 2008 standard. This local timing device can be connected to a master clock device for global synchronization. The timing device has a buffer timestamp for each PXI trigger line and requires tha- a software application assigns each frame the corresponding timestamp. The previous action is critical and cannot be achieved if the frame rate is high. To solve this problem, it has been designed a solution that distributes the clock from the IEEE 1588 timing card to all FlexRIO devices [3]. This solution uses two PXI trigger lines that provide the capacity to assign timestamps to every frame acquired and register events by hardware in a deterministic way. The system provides a solution for timestamping frames to synchronize them with the rest of the different signals.

Methodology of image analysis for study of the vertisols moisture content

The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a ba re Mazic Pellic Vertisols ix of them in May 13/2011 and the rest in May 19 /2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak? camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents box counting dimension D BC) and interface fractal dimension (D) In addition, three pre-fractal scaling coefficients were determinate at maximum resolution: total number of boxes intercepting the foreground pattern (A), fractal lacunarity (?1) and Shannon entropy S1). For all the images processed the spatial filter 9x9 was the optimum based on entropy, cluster and histogram criteria. Thresholds for each color were selected based on bimodal histograms.

Logarithmical hopping encoding: a low computational complexity algorithm for image compression

LHE (logarithmical hopping encoding) is a computationally efficient image compression algorithm that exploits the Weber–Fechner law to encode the error between colour component predictions and the actual value of such components. More concretely, for each pixel, luminance and chrominance predictions are calculated as a function of the surrounding pixels and then the error between the predictions and the actual values are logarithmically quantised. The main advantage of LHE is that although it is capable of achieving a low-bit rate encoding with high quality results in terms of peak signal-to-noise ratio (PSNR) and image quality metrics with full-reference (FSIM) and non-reference (blind/referenceless image spatial quality evaluator), its time complexity is O( n) and its memory complexity is O(1). Furthermore, an enhanced version of the algorithm is proposed, where the output codes provided by the logarithmical quantiser are used in a pre-processing stage to estimate the perceptual relevance of the image blocks. This allows the algorithm to downsample the blocks with low perceptual relevance, thus improving the compression rate. The performance of LHE is especially remarkable when the bit per pixel rate is low, showing much better quality, in terms of PSNR and FSIM, than JPEG and slightly lower quality than JPEG-2000 but being more computationally efficient.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.