Σχεδιασμός και υλοποίηση αλγορίθμων ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνας σε επαναπρογραμματιζόμενες συστοιχίες πυλών για λειτουργία σε πραγματικό χρόνο

Abstract

The need for increased realism in several medical, communication and entertainment applications continuously promotes the importance of three-dimensional display systems. The technological advances in optics quality and the rapid increase in processing power gave rise to research for efficient processing methods of three-dimensional data. However, the volume of information that a three-dimensional display system must cope with, greatly affects the performance of today’s systems. Acceleration of the processing methods is deemed necessary in order to obtain the real-time performance that is essential for many applications like three-dimensional video. In this dissertation, the acceleration of time-consuming algorithms that are used for the compression, reconstruction and display of Integral Photography images is addressed. The acceleration is realized by proposing novel digital architectures that confront the problem of processing large volumes of data. A number of optimization techniques like data reutilization and implementation of a large number of processing elements used for parallel operation are adopted in this context. The performance increase that is obtained compared to the software approaches renders them capable or real-time performance. A study for the acceleration of a rendering method for three-dimensional data based on Ray Tracing concludes this dissertation. The initial results that are presented reveal the effect of the lens array structure to the rendering process and provide significant insight for pinpointing the functions that need to be accelerated in order to obtain real-time rendering for synthetic Integral Images.

Οι απαιτήσεις για αυξημένο βαθμό ρεαλισμού στις περισσότερες εφαρμογές επικοινωνιών, ιατρικής και ψυχαγωγίας αναβαθμίζει συνεχώς τη σημασία των τρισδιάστατων συστημάτων απεικόνισης. Η τεχνολογική πρόοδος σε οπτικά συστήματα και η ταχύτατη αύξηση της υπολογιστικής ισχύος έχει δώσει μεγάλη πνοή στην έρευνα για αποδοτικούς αλγορίθμους ανάλυσης και επεξεργασίας τρισδιάστατων δεδομένων. Παρ’ όλ’ αυτά, ο όγκος της πληροφορίας που ένα σύστημα τρισδιάστατης απεικόνισης καλείται να διαχειριστεί αποτελεί σημαντική τροχοπέδη για τα σημερινά συστήματα. Ιδιαίτερα στην περίπτωση που οι επιδόσεις πραγματικού χρόνου είναι απαραίτητες, όπως στις εφαρμογές κινούμενης εικόνας, η επιτάχυνση των αλγορίθμων επεξεργασίας κρίνεται απαραίτητη. Στην παρούσα διατριβή αντιμετωπίζεται το θέμα της επιτάχυνσης χρονοβόρων αλγορίθμων κωδικοποίησης, ανακατασκευής και αναπαράστασης τρισδιάστατων εικόνων Ολοκληρωτικής Φωτογράφισης. Η επιτάχυνση πραγματοποιείται με πρωτότυπες ψηφιακές αρχιτεκτονικές που προσεγγίζουν το πρόβλημα της επεξεργασίας μεγάλου πλήθους δεδομένων με διάφορες τεχνικές βελτιστοποίησης και αύξησης της απόδοσης. Μέσω τεχνικών επαναχρησιμοποίησης των δεδομένων και ενσωμάτωσης πολλών επεξεργαστικών, μονάδων στο υλικό, η αύξηση της απόδοσης που επιτυγχάνεται σε σχέση με τους αντίστοιχους αλγορίθμους σε λογισμικό είναι ικανή για λειτουργία σε πραγματικό χρόνο των τρισδιάστατων εφαρμογών. Επίσης, παρουσιάζεται η μελέτη που πραγματοποιήθηκε για επιτάχυνση μεθόδου αναπαράστασης τρισδιάστατων δεδομένων σε οθόνη υπολογιστή, με σκοπό τη λειτουργία σε πραγματικό χρόνο. Τα αποτελέσματα αποτελούν σημαντικό βήμα για τον εντοπισμό συναρτήσεων που επιβαρύνουν χρονικά την αναπαράσταση τρισδιάστατων σκηνών με χρήση μηχανής Παρακολούθησης Ακτίνας.