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.

Good-visibility computation using graphics hardware

Aquesta tesi tracta del disseny, implementació i discussió d'algoritmes per resoldre problemes de visibilitat i bona-visibilitat utilitzant el hardware gràfic de l'ordinador. Concretament, s'obté una discretització dels mapes de multi-visibilitat i bona-visibilitat a partir d'un conjunt d'objectes de visió i un conjunt d'obstacles. Aquests algoritmes són útils tant per fer càlculs en dues dimensions com en tres dimensions. Fins i tot ens permeten calcular-los sobre terrenys.

Visualização interativa e manipulação de imagens 3D em tempo real usando métodos baseados na GPU

Este trabalho apresenta um conjunto de ferramentas que exploram as capacidades recentes das placas gráficas de computadores pessoais para prover a visualização e a interação com volumes de dados. O objetivo é oferecer ao usuário ferramentas que permitam a remoção interativa de partes não relevantes do volume. Assim, o usuário é capaz de selecionar um volume de interesse, o que pode tanto facilitar a compreensão da sua estrutura quanto a sua relação com os volumes circundantes. A técnica de visualização direta de volumes através do mapeamento de texturas é explorada para desenvolver estas ferramentas. O controle programável dos cálculos realizados pelo hardware gráfico para gerar a aparência de cada pixel na tela é usado para resolver a visibilidade de cada ponto do volume em tempo real. As ferramentas propostas permitem a modificação da visibilidade de cada ponto dentro do hardware gráfico, estendendo o benefício da visualização acelerada por hardware. Três ferramentas de interação são propostas: uma ferramenta de recorte planar que permite a seleção de um volume de interesse convexo; uma ferramenta do tipo “borracha”, para eliminar partes não relevantes da imagem; e uma ferramenta do tipo “escavadeira”, para remover camadas do volume Estas ferramentas exploram partes distintas do fluxo de visualização por texturas, onde é possível tomar a decisão sobre a visibilidade de cada ponto do volume. Cada ferramenta vem para resolver uma deficiência da ferramenta anterior. Com o recorte planar, o usuário aproxima grosseiramente o volume de interesse; com a borracha, ele refina o volume selecionado que, finalmente, é terminado com a escavadeira. Para aplicar as ferramentas propostas ao volume visualizado, são usadas técnicas de interação conhecidas, comuns nos sistemas de visualização 2D. Isto permite minimizar os esforços do usuário no treinamento do uso das ferramentas. Finalmente, são ilustradas as aplicações potenciais das ferramentas propostas para o estudo da anatomia do fígado humano. Nestas aplicações foi possível identificar algumas necessidades do usuário na visualização interativa de conjuntos de dados médicos. A partir destas observações, são propostas também novas ferramentas de interação, baseadas em modificações nas ferramentas propostas.

Recorte volumétrico usando técnicas de interação 2D e 3D

A visualização de conjuntos de dados volumétricos é comum em diversas áreas de aplicação e há já alguns anos os diversos aspectos envolvidos nessas técnicas vêm sendo pesquisados. No entanto, apesar dos avanços das técnicas de visualização de volumes, a interação com grandes volumes de dados ainda apresenta desafios devido a questões de percepção (ou isolamento) de estruturas internas e desempenho computacional. O suporte do hardware gráfico para visualização baseada em texturas permite o desenvolvimento de técnicas eficientes de rendering que podem ser combinadas com ferramentas de recorte interativas para possibilitar a inspeção de conjuntos de dados tridimensionais. Muitos estudos abordam a otimização do desempenho de ferramentas de recorte, mas muito poucos tratam das metáforas de interação utilizadas por essas ferramentas. O objetivo deste trabalho é desenvolver ferramentas interativas, intuitivas e fáceis de usar para o recorte de imagens volumétricas. Inicialmente, é apresentado um estudo sobre as principais técnicas de visualização direta de volumes e como é feita a exploração desses volumes utilizando-se recorte volumétrico. Nesse estudo é identificada a solução que melhor se enquadra no presente trabalho para garantir a interatividade necessária. Após, são apresentadas diversas técnicas de interação existentes, suas metáforas e taxonomias, para determinar as possíveis técnicas de interação mais fáceis de serem utilizadas por ferramentas de recorte. A partir desse embasamento, este trabalho apresenta o desenvolvimento de três ferramentas de recorte genéricas implementadas usando-se duas metáforas de interação distintas que são freqüentemente utilizadas por usuários de aplicativos 3D: apontador virtual e mão virtual. A taxa de interação dessas ferramentas é obtida através de programas de fragmentos especiais executados diretamente no hardware gráfico. Estes programas especificam regiões dentro do volume a serem descartadas durante o rendering, com base em predicados geométricos. Primeiramente, o desempenho, precisão e preferência (por parte dos usuários) das ferramentas de recorte volumétrico são avaliados para comparar as metáforas de interação empregadas. Após, é avaliada a interação utilizando-se diferentes dispositivos de entrada para a manipulação do volume e ferramentas. A utilização das duas mãos ao mesmo tempo para essa manipulação também é testada. Os resultados destes experimentos de avaliação são apresentados e discutidos.

Novel hardware and software combination for automotive motorsport vehicles based on direct processing of graphical functions

The main motivation for the work presented here began with previously conducted experiments with a programming concept at the time named "Macro". These experiments led to the conviction that it would be possible to build a system of engine control from scratch, which could eliminate many of the current problems of engine management systems in a direct and intrinsic way. It was also hoped that it would minimize the full range of software and hardware needed to make a final and fully functional system. Initially, this paper proposes to make a comprehensive survey of the state of the art in the specific area of software and corresponding hardware of automotive tools and automotive ECUs. Problems arising from such software will be identified, and it will be clear that practically all of these problems stem directly or indirectly from the fact that we continue to make comprehensive use of extremely long and complex "tool chains". Similarly, in the hardware, it will be argued that the problems stem from the extreme complexity and inter-dependency inside processor architectures. The conclusions are presented through an extensive list of "pitfalls" which will be thoroughly enumerated, identified and characterized. Solutions will also be proposed for the various current issues and for the implementation of these same solutions. All this final work will be part of a "proof-of-concept" system called "ECU2010". The central element of this system is the before mentioned "Macro" concept, which is an graphical block representing one of many operations required in a automotive system having arithmetic, logic, filtering, integration, multiplexing functions among others. The end result of the proposed work is a single tool, fully integrated, enabling the development and management of the entire system in one simple visual interface. Part of the presented result relies on a hardware platform fully adapted to the software, as well as enabling high flexibility and scalability in addition to using exactly the same technology for ECU, data logger and peripherals alike. Current systems rely on a mostly evolutionary path, only allowing online calibration of parameters, but never the online alteration of their own automotive functionality algorithms. By contrast, the system developed and described in this thesis had the advantage of following a "clean-slate" approach, whereby everything could be rethought globally. In the end, out of all the system characteristics, "LIVE-Prototyping" is the most relevant feature, allowing the adjustment of automotive algorithms (eg. Injection, ignition, lambda control, etc.) 100% online, keeping the engine constantly working, without ever having to stop or reboot to make such changes. This consequently eliminates any "turnaround delay" typically present in current automotive systems, thereby enhancing the efficiency and handling of such systems.

Estudio y mejora de métodos de registro 3D: aceleración sobre unidades de procesamiento gráfico y caracterización del espacio de transformaciones iniciales

Durante los últimos años ha sido creciente el uso de las unidades de procesamiento gráfico, más conocidas como GPU (Graphic Processing Unit), en aplicaciones de propósito general, dejando a un lado el objetivo para el que fueron creadas y que no era otro que el renderizado de gráficos por computador. Este crecimiento se debe en parte a la evolución que han experimentado estos dispositivos durante este tiempo y que les ha dotado de gran potencia de cálculo, consiguiendo que su uso se extienda desde ordenadores personales a grandes cluster. Este hecho unido a la proliferación de sensores RGB-D de bajo coste ha hecho que crezca el número de aplicaciones de visión que hacen uso de esta tecnología para la resolución de problemas, así como también para el desarrollo de nuevas aplicaciones. Todas estas mejoras no solamente se han realizado en la parte hardware, es decir en los dispositivos, sino también en la parte software con la aparición de nuevas herramientas de desarrollo que facilitan la programación de estos dispositivos GPU. Este nuevo paradigma se acuñó como Computación de Propósito General sobre Unidades de Proceso Gráfico (General-Purpose computation on Graphics Processing Units, GPGPU). Los dispositivos GPU se clasifican en diferentes familias, en función de las distintas características hardware que poseen. Cada nueva familia que aparece incorpora nuevas mejoras tecnológicas que le permite conseguir mejor rendimiento que las anteriores. No obstante, para sacar un rendimiento óptimo a un dispositivo GPU es necesario configurarlo correctamente antes de usarlo. Esta configuración viene determinada por los valores asignados a una serie de parámetros del dispositivo. Por tanto, muchas de las implementaciones que hoy en día hacen uso de los dispositivos GPU para el registro denso de nubes de puntos 3D, podrían ver mejorado su rendimiento con una configuración óptima de dichos parámetros, en función del dispositivo utilizado. Es por ello que, ante la falta de un estudio detallado del grado de afectación de los parámetros GPU sobre el rendimiento final de una implementación, se consideró muy conveniente la realización de este estudio. Este estudio no sólo se realizó con distintas configuraciones de parámetros GPU, sino también con diferentes arquitecturas de dispositivos GPU. El objetivo de este estudio es proporcionar una herramienta de decisión que ayude a los desarrolladores a la hora implementar aplicaciones para dispositivos GPU. Uno de los campos de investigación en los que más prolifera el uso de estas tecnologías es el campo de la robótica ya que tradicionalmente en robótica, sobre todo en la robótica móvil, se utilizaban combinaciones de sensores de distinta naturaleza con un alto coste económico, como el láser, el sónar o el sensor de contacto, para obtener datos del entorno. Más tarde, estos datos eran utilizados en aplicaciones de visión por computador con un coste computacional muy alto. Todo este coste, tanto el económico de los sensores utilizados como el coste computacional, se ha visto reducido notablemente gracias a estas nuevas tecnologías. Dentro de las aplicaciones de visión por computador más utilizadas está el registro de nubes de puntos. Este proceso es, en general, la transformación de diferentes nubes de puntos a un sistema de coordenadas conocido. Los datos pueden proceder de fotografías, de diferentes sensores, etc. Se utiliza en diferentes campos como son la visión artificial, la imagen médica, el reconocimiento de objetos y el análisis de imágenes y datos de satélites. El registro se utiliza para poder comparar o integrar los datos obtenidos en diferentes mediciones. En este trabajo se realiza un repaso del estado del arte de los métodos de registro 3D. Al mismo tiempo, se presenta un profundo estudio sobre el método de registro 3D más utilizado, Iterative Closest Point (ICP), y una de sus variantes más conocidas, Expectation-Maximization ICP (EMICP). Este estudio contempla tanto su implementación secuencial como su implementación paralela en dispositivos GPU, centrándose en cómo afectan a su rendimiento las distintas configuraciones de parámetros GPU. Como consecuencia de este estudio, también se presenta una propuesta para mejorar el aprovechamiento de la memoria de los dispositivos GPU, permitiendo el trabajo con nubes de puntos más grandes, reduciendo el problema de la limitación de memoria impuesta por el dispositivo. El funcionamiento de los métodos de registro 3D utilizados en este trabajo depende en gran medida de la inicialización del problema. En este caso, esa inicialización del problema consiste en la correcta elección de la matriz de transformación con la que se iniciará el algoritmo. Debido a que este aspecto es muy importante en este tipo de algoritmos, ya que de él depende llegar antes o no a la solución o, incluso, no llegar nunca a la solución, en este trabajo se presenta un estudio sobre el espacio de transformaciones con el objetivo de caracterizarlo y facilitar la elección de la transformación inicial a utilizar en estos algoritmos.

Integrating hardware and software information flow analyses

Security-critical communications devices must be evaluated to the highest possible standards before they can be deployed. This process includes tracing potential information flow through the device's electronic circuitry, for each of the device's operating modes. Increasingly, however, security functionality is being entrusted to embedded software running on microprocessors within such devices, so new strategies are needed for integrating information flow analyses of embedded program code with hardware analyses. Here we show how standard compiler principles can augment high-integrity security evaluations to allow seamless tracing of information flow through both the hardware and software of embedded systems. This is done by unifying input/output statements in embedded program execution paths with the hardware pins they access, and by associating significant software states with corresponding operating modes of the surrounding electronic circuitry.

Power network in loop : a paradigm for real-time simulation and hardware testing

This paper discusses a new paradigm of real-time simulation of power systems in which equipment can be interfaced with a real-time digital simulator. In this scheme, one part of a power system can be simulated by using a real-time simulator; while the other part is implemeneted as a physical system. The only interface of the physical system with the computer-based simulator is through data-acquisition system. The physical system is driven by a voltage-source converter (VSC)that mimics the power system simulated in the real-time simulator. In this papar, the VSC operates in a voltage-control mode to track the point of common coupling voltage signal supplied by the digital simulator. This type of splitting a network in two parts and running a real-time simulation with a physical system in parallel is called a power network in loop here. this opens up the possibility of study of interconnection o f one or several distributed generators to a complex power network. The proposed implementation is verified through simulation studies using PSCAD/EMTDC and through hardware implementation on a TMS320G2812 DSP.

Low-cost hardware speech enhancement for improved speech recognition in automotive environments

Voice recognition is one of the key enablers to reduce driver distraction as in-vehicle systems become more and more complex. With the integration of voice recognition in vehicles, safety and usability are improved as the driver’s eyes and hands are not required to operate system controls. Whilst speaker independent voice recognition is well developed, performance in high noise environments (e.g. vehicles) is still limited. La Trobe University and Queensland University of Technology have developed a low-cost hardware-based speech enhancement system for automotive environments based on spectral subtraction and delay–sum beamforming techniques. The enhancement algorithms have been optimised using authentic Australian English collected under typical driving conditions. Performance tests conducted using speech data collected under variety of vehicle noise conditions demonstrate a word recognition rate improvement in the order of 10% or more under the noisiest conditions. Currently developed to a proof of concept stage there is potential for even greater performance improvement.

A synthesizable hardware evolutionary algorithm design for unmanned aerial system real-time path planning

The main objective of this paper is to detail the development of a feasible hardware design based on Evolutionary Algorithms (EAs) to determine flight path planning for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) navigating terrain with obstacle boundaries. The design architecture includes the hardware implementation of Light Detection And Ranging (LiDAR) terrain and EA population memories within the hardware, as well as the EA search and evaluation algorithms used in the optimizing stage of path planning. A synthesisable Very-high-speed integrated circuit Hardware Description Language (VHDL) implementation of the design was developed, for realisation on a Field Programmable Gate Array (FPGA) platform. Simulation results show significant speedup compared with an equivalent software implementation written in C++, suggesting that the present approach is well suited for UAV real-time path planning applications.

A hardware-based multi-disciplinary design optimization method for aeronautical applications

There are many applications in aeronautics where there exist strong couplings between disciplines. One practical example is within the context of Unmanned Aerial Vehicle(UAV) automation where there exists strong coupling between operation constraints, aerodynamics, vehicle dynamics, mission and path planning. UAV path planning can be done either online or offline. The current state of path planning optimisation online UAVs with high performance computation is not at the same level as its ground-based offline optimizer's counterpart, this is mainly due to the volume, power and weight limitations on the UAV; some small UAVs do not have the computational power needed for some optimisation and path planning task. In this paper, we describe an optimisation method which can be applied to Multi-disciplinary Design Optimisation problems and UAV path planning problems. Hardware-based design optimisation techniques are used. The power and physical limitations of UAV, which may not be a problem in PC-based solutions, can be approached by utilizing a Field Programmable Gate Array (FPGA) as an algorithm accelerator. The inevitable latency produced by the iterative process of an Evolutionary Algorithm (EA) is concealed by exploiting the parallelism component within the dataflow paradigm of the EA on an FPGA architecture. Results compare software PC-based solutions and the hardware-based solutions for benchmark mathematical problems as well as a simple real world engineering problem. Results also indicate the practicality of the method which can be used for more complex single and multi objective coupled problems in aeronautical applications.

Calculation of volume from crank angle using reconfigurable hardware

Fast calculation of quantities such as in-cylinder volume and indicated power is important in internal combustion engine research. Multiple channels of data including crank angle and pressure were collected for this purpose using a fully instrumented diesel engine research facility. Currently, existing methods use software to post-process the data, first calculating volume from crank angle, then calculating the indicated work and indicated power from the area enclosed by the pressure-volume indicator diagram. Instead, this work investigates the feasibility of achieving real-time calculation of volume and power via hardware implementation on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Alternative hardware implementations were investigated using lookup tables, Taylor series methods or the CORDIC (CoOrdinate Rotation DIgital Computer) algorithm to compute the trigonometric operations in the crank angle to volume calculation, and the CORDIC algorithm was found to use the least amount of resources. Simulation of the hardware based implementation showed that the error in the volume and indicated power is less than 0.1%.

A hardware virtualization-based component sandboxing architecture

Modern applications comprise multiple components, such as browser plug-ins, often of unknown provenance and quality. Statistics show that failure of such components accounts for a high percentage of software faults. Enabling isolation of such fine-grained components is therefore necessary to increase the robustness and resilience of security-critical and safety-critical computer systems. In this paper, we evaluate whether such fine-grained components can be sandboxed through the use of the hardware virtualization support available in modern Intel and AMD processors. We compare the performance and functionality of such an approach to two previous software based approaches. The results demonstrate that hardware isolation minimizes the difficulties encountered with software based approaches, while also reducing the size of the trusted computing base, thus increasing confidence in the solution's correctness. We also show that our relatively simple implementation has equivalent run-time performance, with overheads of less than 34%, does not require custom tool chains and provides enhanced functionality over software-only approaches, confirming that hardware virtualization technology is a viable mechanism for fine-grained component isolation.