Uma Metodologia para o desenvolvimento de aplicações de visão computacional utilizando um projeto conjunto de hardware e software

As tarefas de visão computacional incentivam uma significativa parte da pesquisa em todas as áreas científicas e industriais, entre as quais, cita-se a área voltada para o desenvolvimento de arquiteturas de computadores. A visão computacional é considerada um dos problemas mais desafiadores para a computação de alto desempenho, pois esta requer um grande desempenho, bem como um alto grau de flexibilidade. A flexibilidade é necessária pois a visão computacional abrange aplicações em que há diferentes tarefas a serem realizadas com diferentes necessidades de desempenho. Esta flexibilidade é particularmente importante em sistemas destinados a atuar como ambientes experimentais para novas técnicas de processamento visual ou para a prototipação de novas aplicações. Computação configurável tem demonstrado, por meio de exemplos implementados pela comunidade científica, fornecer uma boa relação entre alto desempenho e flexibilidade necessária para a implementação de diferentes técnicas utilizadas na área de visão computacional. Contudo, poucos esforços de pesquisa têm sido realizados na concepção de sistemas completos visando a solução de um problema de visão computacional, incluindo ambos os requisitos de software e de hardware. O principal objetivo deste trabalho é mostrar que as técnicas e tecnologias disponíveis na área de computação configurável podem ser empregadas para a concepção de um sistema capaz de implementar um grande número de aplicações da área de visão computacional na pesquisa e no ambiente industrial. Entretanto, não é escopo deste trabalho implementar um sistema de computação que seja suficiente para abordar os requerimentos necessários para todas as aplicações em visão computacional, mas os métodos aqui introduzidos podem ser utilizados como uma base geral de implementação de várias tarefas de visão computacional. Este trabalho utiliza ambientes que permitem implementações conjuntas de hardware e software, pois os mesmos facilitam a validação das técnicas aqui apresentadas, por meio da implementação de um estudo de caso, sendo parte deste estudo de caso implementado em software e outra parte em hardware.

Desenvolvimento de sistemas tempo-real usando orientação a objetos : estudo sobre o mapeamento de especificações para linguagens de programação

Este trabalho realiza um estudo sobre a criação de sistemas tempo-real usando orientação a objetos, com enfoque no mapeamento de especificações para linguagens de programação. O paradigma de orientação a objetos tem sido usado nas diferentes fases relacionadas com o desenvolvimento de sistemas tempo-real, variando desde a modelagem até o ambiente de programação e execução, mas atualmente estas iniciativas ainda focam etapas isoladas do ciclo de desenvolvimento. O objetivo deste trabalho é o de preencher esta lacuna, propondo um mapeamento entre uma metodologia ou ferramenta de análise e projeto de sistemas tempo-real orientados a objetos e uma linguagem ou ambiente de desenvolvimento baseado no paradigma de orientação a objetos que possua suporte para atender às restrições temporais especificadas. O mapeamento proposto foi desenvolvido utilizando estudos de caso clássicos em aplicações tempo-real que foram baseados em dois recentes padrões. O primeiro é o emergente padrão Real-Time UML, que visa realizar a especificação de requisitos temporais utilizando diagramas UML com extensões que os representem. O outro padrão é o Real-Time Specification for Java, que consiste de uma interface de programação (API) para desenvolvimento de aplicações tempo-real com a linguagem Java. O relacionamento entre stereotypes e tags usados para representar restrições temporais em diagramas UML e o código Java correspondente é explicado e um sumário da estratégia de mapeamento é discutido.

Uma Arquitetura de Hardware para estimação de movimento aplicada à compressão de vídeo digital

A tarefa de estimação de movimento, utilizada na compressão de vídeo digital, é normalmente realizada em hardware por processador dedicado, uma vez que demanda expressiva capacidade computacional. Este trabalho propõe e desenvolve uma arquitetura de hardware para realizar o cálculo dos vetores de movimento no contexto de compressão de vídeo digital. Essa arquitetura para estimação de movimento é composta pelos blocos: interface de entrada e saída (E/S), matriz de processamento com 64 elementos de processamento, unidade de comparação e unidade de controle. A arquitetura foi descrita em linguagem VHDL de maneira que o número de bits utilizados para representação da luminância dos pontos é configurável. A partir desta descrição, foi gerado um protótipo para dados representados em 4 bits utilizando um kit de desenvolvimento baseado no dispositivo FPGA XC2S150 da Xilinx. Para validação do algoritmo e da arquitetura implementada, além da simulação, foi desenvolvido um software para plataforma PC capaz de exercitar as funcionalidades do protótipo. O PC é utilizado como dispositivo controlador de E/S para esta validação, na qual uma implementação do algoritmo em software e outra em linguagem de descrição de hardware são comparadas. A máxima freqüência de trabalho do protótipo, estimada por simulação da arquitetura mapeada no FPGA XC2S150, é de 33 MHz. A esta freqüência o núcleo da arquitetura paralela de 64 elementos de processamento realiza cerca de 2,1 GOps (bilhões de operações inteiras por segundo). Esta arquitetura de hardware calcula os vetores de movimento para vídeo no formato 640x480 pontos à taxa de 107,32 quadros por segundo, ou um quadro a cada 9,3 ms. A arquitetura implementada para luminânica em 4 bits ocupa 16 pinos de E/S, 71,1% dos blocos lógicos do FPGA e 83,3% dos blocos de memória disponíveis no dispositivo XC2S150.

Geração de modelos de co-simulação distribuída para a arquitetura DCB

O aumento na complexidade dos sistemas embarcados, compostos por partes de hardware e software, aliado às pressões do mercado que exige novos produtos em prazos cada vez menores, tem levado projetistas a considerar a possibilidade de construir sistemas a partir da integração de componentes já existentes e previamente validados. Esses componentes podem ter sido desenvolvidos por diferentes equipes ou por terceiros e muitas vezes são projetados utilizando diferentes metodologias, linguagens e/ou níveis de abstração. Essa heterogeneidade torna complexo o processo de integração e validação de componentes, que normalmente é realizado através de simulação. O presente trabalho especifica mecanismos genéricos e extensíveis que oferecem suporte à cooperação entre componentes heterogêneos em um ambiente de simulação distribuída, sem impor padrões proprietários para formatos de dados e para a descrição do comportamento e interface dos componentes. Esses mecanismos são baseados na arquitetura DCB (Distributed Co-Simulation Backbone), voltada para co-simulação distribuída e heterogênea e inspirada nos conceitos de federado (componente de simulação) e federação (conjunto de componentes) que são definidos pelo HLA (High Level Architecture), um padrão de interoperabilidade para simulações distribuídas. Para dar suporte à co-simulação distribuída e heterogênea, esse trabalho descreve mecanismos que são responsáveis pelas tarefas de cooperação e distribuição, chamados de embaixadores, assim como o mecanismo gateway, que é responsável pela interoperabilidade entre linguagens e conversão de tipos de dados. Também é apresentada uma ferramenta de suporte à geração das interfaces de co-simulação, que são constituídas de dois embaixadores configuráveis e um gateway para cada federado, gerado a partir de templates pré-definidos.

Integração de sistemas de informação através de web services

Sistemas de informação incorporam processos de negócios particulares de cada organização. A medida em que se observa uma crescente pressão de mercado para que empresas troquem informações de forma automatizada e segura para obtenção de melhores resultados, faz-se necessário repensar a forma como são concebidos os sistemas de informação, desde a modelagem da empresa propriamente dita até a modelagem dos processos de negócio e sua interação com os demais colaboradores. Modelar os processos de negócio de uma empresa em um contexto global significa não apenas estabelecer regras de comportamento, mas também expressar a forma como os processos poderão ser acionados e interagir com sistemas de informação diferentes. Existem várias tecnologias empregadas para a integração de sistemas de informação. Entre tantas tecnologias, uma delas vêm recebendo especial atenção: a tecnologia Web services. A suposta interoperabilidade dos Web services permite a comunicação de aplicações desenvolvidas em diferentes plataformas de hardware e diferentes linguagens de programação através da Internet ou de uma rede local. No entanto, algumas particularidades devem ser observadas para que a implementação de Web services seja eficiente. Disponibilizar processos de negócio de uma empresa através da Internet pode ser uma ótima opção para o incremento de suas atividades, mas requer cuidados especiais. Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre a modelagem de empresas, modelagem de processos de negócio e a integração de sistemas de informação através do uso de Web services. Através de um estudo de caso, são apresentados os principais conceitos e as etapas necessárias para a implementação de Web services em um sistema Web. Como contribuição deste trabalho, é proposta uma alternativa de modelagem de sistemas que permite um melhor controle sobre o tratamento de exceções em Web services. O trabalho desenvolvido compreendeu a especificação, desenvolvimento e aplicação de um ambiente para suportar esta classe de aplicação. No texto é descrito o funcionamento da biblioteca NuSOAP, apresentando o código-fonte completo da aplicação desenvolvida, acessando Web services através de chamadas em alto nível (WSDL). Com o presente trabalho, tem-se uma proposta, já avaliada e validada, para funcionar como referencial conceitual e prático para o desenvolvimento de aplicações usando a tecnologia de Web services.

Implicações do estilo de descrição de códigos VHDL na testabilidade

Devido ao aumento da complexidade dos circuitos integrados atuais, os projetos são desenvolvidos utilizando linguagens de descrição de hardware (por exemplo, VHDL) e os circuitos são gerados automaticamente a partir das descrições em alto nível de abstração. Embora o projeto do circuito seja facilitado pela utilização de ferramentas de auxílio ao projeto, o teste do circuito resultante torna-se mais complicado com o aumento da complexidade dos circuitos. Isto traz a necessidade de considerar o teste do circuito durante sua descrição e não somente após a síntese. O objetivo deste trabalho é definir uma relação entre o estilo da descrição VHDL e a testabilidade do circuito resultante, identificando formas de descrição que geram circuitos mais testáveis. Como estudo de caso, diferentes descrições VHDL de um mesmo algoritmo foram utilizadas. Os resultados mostram que a utilização de diferentes descrições VHDL tem grande impacto nas medidas de testabilidade do circuito final e que características de algumas descrições podem ser utilizadas para modificar outras descrições e com isso aumentar a testabilidade do circuito resultante.

Visualização em tempo real de dados volumétricos dinâmicos usando hardware gráfico

Dados volumétricos temporais são usados na representação de fenômenos físicos em várias aplicações de visualização científica, pois tais fenômenos são complexos, alteram-se com o tempo e não possuem uma forma de representação definida. Uma solução é usar amostragens sobre um espaço de forma geométrica simples que contém o fenômeno (um cubo, por exemplo), discretizado ao longo de uma grade em células de mesmo formato e usualmente chamado de volume de amostragem. Este volume de amostragem representa um instante da representação do fenômeno e, para representar dados temporais, simplesmente enumera-se tantos volumes quanto forem as diferentes instâncias de tempo. Esta abordagem faz com que a representação seja extremamente custosa, necessitando de técnicas de representação de dados para comprimir e descomprimir os mesmos. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para compressão de volumes de dados temporais que permite a visualização em tempo real destes dados usando hardware gráfico. O método de compressão usa uma representação hierárquica dos vários volumes de dados dentro da memória do hardware gráfico, referenciados pelo hardware como texturas 3D. O método de compressão tem melhor desempenho para dados volumétricos esparsos e com alto grau de coerência (espacial e temporal). A descompressão destes dados é feita por programas especiais que são executados no próprio hardware gráfico. Um estudo de caso usando o método de compressão/descompressão proposto é apresentado com dados provenientes do Projeto MAPEM (Monitoramento Ambiental em Atividades de Perfuração Exploratória Marítima). O objetivo do projeto é propor uma metodologia para o monitoramento dos efeitos das descargas de materiais no ecossistema marinho durante a perfuração de um poço de petróleo. Para estimar certos descarregamentos de fluidos, o projeto usa um simulador CFD que permite mostrar tais descarregamentos, gerando grades planares e uniformes 2D ou 3D em qualquer instante de tempo durante a simulação.

Co-simulação distribuída de sistemas heterogêneos

Na simulação heterogênea de um sistema eletrônico complexo, um mesmo modelo pode ser composto por partes distintas em relação às tecnologias ou linguagens utilizadas na sua descrição, níveis de abstração, ou pela combinação de partes de software e de hardware (escopo da co-simulação). No uso de modelos heterogêneos, a construção de uma ponte eficaz entre diferentes simuladores, em conjunto com a solução de problemas tais como sincronização e tradução de dados, são alguns dos principais desafios. No contexto do projeto de sistemas embarcados, a validação desses sistemas via co-simulação está sujeita a estes desafios na medida em que um mesmo modelo de representação precisa suportar a cooperação consistente entre partes de hardware e de software. Estes problemas tornam-se mais significativos quando abordados em ambientes distribuídos, o que aumenta a complexidade dos mecanismos que gerenciam os ítens necessários à correta cooperação entre partes diferentes. Contudo, embora existam abordagens e ferramentas voltadas para o tratamento de modelos heterogêneos, inclusive em ambientes distribuídos, ainda persiste uma gama de limitações causadas pela distribuição e heterogeneidade de simuladores. Por exemplo, restrições quanto à variedade de tecnologias (ou linguagens) utilizadas na descrição das partes de um modelo, flexibilidade para o reuso de partes existentes, ou em tarefas de gerenciamento de sincronização/dados/interface/distribuição. Além disso, em geral, nas soluções existentes para simulação heterogênea, alterações são necessárias sobre as partes do modelo, limitando a preservação de sua integridade. Esta é uma característica indesejável, por exemplo, no reuso de componentes IP (Intellectual Property) Neste contexto, esta tese apresenta o DCB (Distributed Co-simulation Backbone), cujo propósito geral é o suporte à execução distribuída dos modelos heterogêneos. Para isso, são observados de modo integrado quatro fatores básicos: a distribuição física; a independência dos componentes (partes); o encapsulamento das estratégias de gerenciamento de tempo, de dados e de comunicação; e a sincronização híbrida. Em geral, as soluções existentes valorizam um fator em detrimento dos demais, dependendo dos propósitos envolvidos e sua variação em relação ao grau de especificidade (soluções proprietárias ou restritas a um escopo de aplicações). O Tangram, também discutido nesta tese em termos de requisitos, é uma proposta de ambiente para projeto de modelos heterogêneos distribuídos. No contexto da especificação do DCB, esta proposta tem como objetivo geral agregar num mesmo ambiente funcionalidades de apoio para a busca e catalogação de componentes, seguidas do suporte à construção e à execução distribuída de modelos heterogêneos via DCB. À luz dos princípios de generalidade e flexibilidade da arquitetura do DCB, o Tangram visa permitir que o projetista reduza seu envolvimento com detalhes relacionados ao provimento de condições necessárias à cooperação entre componentes heterogêneos. No escopo desta tese, ênfase foi dada à co-simulação de sistemas embarcados, ênfase esta observada também na construção do protótipo do Tangram/DCB, e nos estudos de caso. Contudo, a estrutura do DCB é apropriada para qualquer domínio onde a simulação possa ser utilizada como instrumento de validação, entre outros propósitos.

Arquitetura em hardware para co-processamento de tarefas em sistema operacional tempo real

Os sistemas operacionais de tempo real, assim como os sistemas embarcados, estão inseridos no desenvolvimento de projetos de automação industrial segmentado em diversas áreas de pesquisa como, por exemplo, robótica, telecomunicações, e barramentos industriais. As aplicações de sistemas modernos de controle e automação necessitam de alta confiabilidade, velocidade de comunicação, além de, determinismo temporal. Sistemas operacionais de tempo real (SOTR) têm-se apresentado como uma solução confiável quando aplicadas em sistemas que se fundamentam no cumprimento de requisitos temporais. Além disso, o desempenho computacional é totalmente dependente da capacidade operacional da unidade de processamento. Em um sistema monoprocessado, parte da capacidade computacional da unidade de processamento é utilizada em atividades administrativas, como por exemplo, processos de chaveamento e salvamento de contexto. Em decorrência disto, surge a sobrecarga computacional como fator preponderante para o desempenho do sistema. Este trabalho tem por objetivo, analisar e fornecer uma arquitetura alternativa para realizar o co-processamento de tarefas em uma plataforma IBM-PC, aumentando a capacidade computacional do microprocessador principal. No presente trabalho, a plataforma de coprocessamento realiza a execução do algoritmo de escalonamento do sistema operacional, desta forma distribuiu-se o gerenciamento temporal das tarefas entre a plataforma IBM-PC e a unidade de co-processamento.

Da escola do hardware para a escola do software : o processo educativo sob a lógica da compressão do tempo e do espaço

A presente pesquisa aborda os movimentos desencadeados na instituição escolar com a chegada dos ambientes informatizados nas escolas da rede municipal de Porto Alegre, tendo como interface de investigação as categorias de tempo e de espaço. Problematizo a relação escolarizaçãotecnologia no contexto de um cenário social que emerge na hegemonia tecnológica digital das redes de informação e comunicação, para que se tornem evidentes as configurações de tempo e de espaço forjadas no palco de uma proposta de organização da escola pública municipal que, ao reorganizar tempo e espaço escolares, marca a saída do modelo da escola seriada e a entrada da escola por ciclos de formação e autoriza uma forma de escolarização que coloca de forma oficial a materialidade e os saberes da informática educativa na rede de ensino municipal de Porto Alegre. Sob a lógica de uma perspectiva de investigação histórica e cultural, desnaturaliza-se a inserção da informática no tempo e no espaço ao considerá-la como não-imune aos efeitos do contemporâneo fenômeno de compressão do tempo e do espaço. Percorrendo as diferentes experiências espaço-temporais e as configurações assumidas pela sociedade ocidental, ganham visibilidade formas de escolarização que, num processo histórico, conquistaram legitimidade e produziram a escola pública, gratuita, obrigatória, tecnológica e ajustada às transformações e exigências de um cenário social regido por uma imensa acumulação de espetáculos. Continuidades e descontinuidades marcam a inserção das tecnologias de informação e de comunicação na maquinaria escolar, e o disciplinamento cognitivo e comportamental conquista novos dispositivos. Em um corpus de análise em que se entrelaçam documentos, entrevistas, observações e o complexo e ambivalente fenômeno implementado pela permanente revolução das redes digitais de comunicação e de informação, é que a inserção do saber e da materialidade da Informática na Educação no tempo e no espaço escolares passa a ser tematizada. Como um jogo de cara e coroa que, ao revelar sua face de veneno, tornando mais eficiente o controle individual e coletivo, faz, também, girar a moeda, para que o potencial participativo, socializante e emancipador da rede mundial de computadores aponte para a face do próprio remédio. A partir dessa faceta condicionante e nãodeterminista da relação escolarização-tecnologia, tempos e espaços para colonizar são problematizados a fim de fazer emergir, na mesma intensidade, tempos e espaços para fruir, para deixar espraiar a sensibilidade e a interação humanas, para potencializar o aprendizado e a aquisição dos saberes.

Framework orientado a objetos para projeto de hardware e software embarcados para sistemas tempo-real

A crescente complexidade dos sistemas tempo-real embarcados demanda novas metodologias e ferramentas para gerenciar os problemas de projeto, análise, integração e validação de sistemas complexos. Este trabalho aborda o tema co-projeto de sistemas tempo-real embarcados, propondo estratégias para a integração das fases iniciais de modelagem de um sistema tempo-real embarcado com as fases subseqüentes do projeto, como a implementação do software e do hardware. É proposto um framework orientado a objetos que permite a criação de modelos orientados a objetos de sistemas tempo-real embarcados, utilizando conceitos temporais similares aos propostos em UML-RT (ou mais especificamente no UML Profile for Schedulability, Performance and Time). É proposta uma estratégia de mapeamento dos requisitos temporais dos diagramas UMLRT para uma interface de programação (API) baseada na “Especificação Tempo-Real para Java” (Real-Time Specification for Java ou RTSJ), a qual pode ser executada tanto em software – em programas RTSJ executando em máquinas virtuais Java (JVM) tempo-real – ou em hardware – em processadores Java Tempo-Real. Para permitir o mapeamento para hardware são propostas extensões tempo-real ao processador Java FemtoJava, desenvolvido no âmbito de dissertações de mestrado e projetos de pesquisa no PPGC, criando-se um novo processador tempo-real denominado de RT-FemtoJava. Dentre as extensões propostas ao processador FemtoJava destaca-se a inclusão de um relógio de tempo-real e o suporte a instruções para alocação e manipulação de objetos. Os conceitos propostos foram validados no âmbito de estudos de caso, sendo os resultados obtidos descritos na presente dissertação.