Studio ed implementazione di algoritmi di visione artificiale su architetture parallele di tipo SIMD

Il settore della visione artificiale ha subito, negli ultimi anni, un processo di continuo sviluppo, ed è stato oggetto di numerose ricerche.
Unitamente alle tecniche di elaborazione delle immagini digitali, tale disciplina ha permesso di affrontare e risolvere progetti in ambito civile ma, soprattutto, in ambito industriale, quali le applicazioni robotiche. Grazie alla ricerca in questo settore, è stato, infatti, possibile programmare il movimento autonomo di robot in ambienti ostili, o l’inseguimento di obiettivi mobili.
Nella seguente tesi, è stato analizzato un agente visivo artificiale ad alto livello per le interpretazioni grafiche e simboliche dei dati, provenienti da una videocamera che acquisisce le sequenze di immagini di un oggetto in movimento.
Tra i requisiti che un agente visivo dovrebbe avere, uno di particolare importanza è il tempo di elaborazione, ossia il tempo necessario ad analizzare ed interpretare le sequenze di immagini provenienti dalla videocamera. La rapidità di esecuzione, infatti, deve essere tale da consentire applicazioni di tipo real-time.
Tale requisito, però, è difficilmente raggiungibile tramite un’implementazione sequenziale dell’agente visivo, a causa della complessità delle elaborazioni grafiche da effettuare, che richiedono, quindi, un tempo di esecuzione non indifferente.
Al fine di abbattere drasticamente il tempo di esecuzione, ed ottenere, così, un’elaborazione real-time, si è deciso di procedere alla realizzazione di un algoritmo parallelo per l’implementazione dell’agente visivo più volte citato.
A tal proposito, è stata utilizzata un’architettura hardware parallela di tipo SIMD (Single Instruction Multiple Data). Tra i PMMS (Portable Multi-Media Supercomputer), il paradigma SIMD sfrutta pienamente il parallelismo sui dati disponibili nell’applicazione in oggetto.
L’agente visivo artificiale genera l’esatta descrizione 2D dei movimenti dell’oggetto, ottenuti dalla sequenza delle immagini, fornendo le necessarie informazioni per eseguirne la stima 3D.

Le caratteristiche dell’agente visivo sono:
• individuare e segmentare l’oggetto in movimento anche negli sfondi più
contrastati ed irregolari;
• eseguire una stima tridimensionale della posizione dell’oggetto tramite immagini
acquisite da videocamera;
• inseguire l’oggetto nella sequenza video.

L’agente visivo artificiale implementato, è basato su due componenti principali:
• il componente della percezione;
• il componente della visualizzazione.

Il componente della percezione elabora i dati delle immagini provenienti da una videocamera; il compito principale di questo componente è quello di valutare la posizione dell’oggetto nell’immagine acquisita.
Il componente della visualizzazione fornisce un feedback immediato e visuale dei movimenti dell’oggetto, complementari alla descrizione simbolica proveniente dal precedente componente; esso fornisce inoltre l’interfaccia grafica per l’intero agente.
La parte implementata nella seguente tesi, riguarda proprio il componente della percezione.
Le immagini acquisite dalla videocamera vengono elaborate, allo scopo di estrarre i contorni dell’oggetto, mediante un algoritmo basato sui contorni attivi (o snake).
La forma dell’oggetto è estratta, utilizzando l’evoluzione del contorno attivo basato sulla metodologia GVF (Gradient Vector Flow).
Le coordinate 3D sono ottenute usando algoritmi tipici della “computer vision”.
L’architettura hardware parallela presa in esame per l’implementazione dell’agente di cui sopra, è stata l’architettura SIMPil.
Il sistema SIMPil è un’architettura parallela di tipo SIMD, sviluppata dal PICA Research Group della Georgia Tech. Grazie ad un maggior equilibrio tra processing, immagazzinamento e comunicazione rispetto alle architetture DSP, SIMPil consente l’elaborazione real-time nelle applicazioni multimediali. SIMPil utilizza i benefici del parallelismo dovuto all’array SIMD, collegamenti corti ed una microarchitettura tale da fornire un aumento considerevole dell’efficienza energetica; esso sfrutta i vantaggi dell’integrazione di dispositivi optoelettronici in un sistema di elaborazione digitale ad alte prestazioni.
L’obiettivo della presente tesi è stato, quindi, la realizzazione e l’implementazione sull’architettura SIMPil, di un algoritmo parallelo per la gestione del movimento dello snake, in grado di consentire l’inseguimento dell’oggetto in movimento in tempo reale.