קמרון סווין, מנהל שיווק
פתרונות משובצים, AMD
כאשר קבלן אספקת מוצרים בתחום הביטחוני פנה אל החברה העוסקת בפתרונות מיחשוב-על מתקדמים (CASS), בבקשה שתיצור לו פתרון חדש לביצוע רישום (image registration) בתחום של תמונות וידיאו, הייתה זו הפעם הראשונה שהחברה נכנסה להרפתקה הכרוכה בעבודה עם יחידת המעבד המשובץ המואץ (APU) של חברת AMD. וזו לא תהיה הפעם האחרונה.
צוות ההנהלה של קבלן אספקת מוצרים בתחום הביטחוני הציג בפני חברת CASS בעיה: דרושות להם תמונות שמגיעות ממערכות יבשתיות וממערכות אוויריות, לעיבוד ממוחשב באיכות גבוהה ובזמן אמת, באופן חלק ויציב, אשר יישלחו אל מערכות עיבוד וקבלת החלטות בחמ”ל. פתרונות לעיבוד אותות ספרתיים (DSP) ורכיבי FPGA הנוכחיים הקיימים בתעשייה הצבאית לא הצליחו לעמוד בדרישות הקצבים לעיבוד תמונות ברזולוציה של HD, אשר יוכלו לעקוב אחר תנועה באופן מדויק יותר – לדוגמה, לעקוב אחר טילים בזמן שהם נישאים על גבי רכב נע או לגלות אדם שמטפס על מבנה ממוגן.
חברת CASS נתבקשה ליצור מערכת קומפקטית שתוכל לעבד ערוץ וידאו ברזולוצית 720p, תמונה אחר תמונה, בקצב של 120 תמונות בשנייה. אמנם הקבלן הציב מגבלות לגבי הגודל המרבי ובאשר לצריכת ההספק המרבית, אך מלבד זאת, הייתה לחברת CASS יד חופשית בכל הנוגע לדרך שבה היא רשאית לתכנן את הפתרון.
אי לכך, החברה החליטה להיות יצירתית. על ידי עריכת התאמות אלגוריתמיות נכונות ובחירה בארכיטקטורה הנכונה, הם פיתחו יישום שפעל בקצב זמן אמת, לעומת פתרונות מתחרים אחרים (שהשתמשו ב-DSP וב-FPGA) שלא הצליחו לעמוד בדרישות. הפתרון שפותח ונבנה על ידי חברת CASS יכול לשרת כיישום לעיבוד אותות ספרתיים של הדור החדש עבור חיישנים ומערכות ראיה ממוחשבת, כשהוא משלב עיבוד מקבילי ועיבוד טורי בארכיטקטורה של מערכות הטרוגניות.
האתגר
“חברות רבות בתעשייה משתמשות ביחידות עיבוד גרפי (GPU) עבור פרוייקטים שכוללים וידיאו”, הסביר מרדכי (מוטי) בוטראשוילי מנכ”ל ומנהל טכנולוגיה ראשי בחברת CASS. חברת CASS יצרה פתרונות שבנויים סביב יחידות העיבוד הגרפי של AMD במשך שנים, והיא ידעה שעבור יישומים עם רמה גבוהה של מקביליות – כמו למשל עיבוד תמונה – יחידות עיבוד גרפי ניתנות לתכנות מציעות יתרונות משמעותיים של רמת הביצועים. “אך ידענו שלא די ביחידת עיבוד גרפי עצמאית כדי להציע פתרון שיעמוד בדרישות של צריכת ההספק ומגבלות הגודל שהעמיד קבלן התעשייה הביטחונית”.
בוטראשוילי ואנשי הצוות שלו בדקו מבחר פתרונות אפשריים, והגיעו למסקנה שהאפשרויות שלהם די מוגבלות. מעטים היצרנים אשר יכולים להציע את רמת הביצועים הדרושה מבלי שייאלצו להתפשר על גודל או על צריכת הספק. הצוות בחברת CASS גילה שכל תוצאות המחקר שלהם מכוונות אותם אל יחידת המעבד המשובץ המואץ (APU) בסדרת G של חברת AMD, אשר משלב את יכולות העיבוד המקבילי של יחידת עיבוד גרפי (GPU) עם יכולות עיבוד טורי של יע”מ (CPU) בגודל מזערי ובצריכת הספק נמוכה.
“בחנו כמה פתרונות, ולא נמצא דבר שאפשר היה להשוותו ליחידת המעבד המשובץ המואץ מבחינת הגודל, צריכת ההספק והיכולות. אין עוד דבר-מה שמספק פתרון דומה, מבחינת ביצועים לכל ואט”, ציין בוטראשוילי. “יתרון נוסף של יחידות המעבד המשובץ המואץ מסדרת G של חברת AMD, טמון בעובדה שיחידות אלו נמכרות כפתרונות משובצים, והמשמעות היא התאמה טובה לפתרונות בתחום הביטחוני שיש להם צורך בזמינות ארוכת טווח ובעמידות בתנאי סביבה קשיחים”.
גילוי איום בזמן אמת
“(קבלן התעשייה הביטחונית) היה זקוק למערכות אוטומטיות למחצה, שהייתה להן יכולת לעזור לטייסים בקבלת החלטות,” הסביר בוטראשוילי. “הדרך לעשות זאת היא לקחת תמונות ממערכות מוטסות וממערכות יבשתיות, על מנת לייצב את ערוצי הווידיאו ולאפשר בכך גילוי של איומים מיידיים”. נדרשה להם מערכת שתהיה קומפקטית ותפעל בהספק נמוך דיו, כדי שאפשר יהיה להשתמש בה במערכות לראייה סביבתית שבכלים מוטסים ויבשתיים בלתי מאויישים (UAV ו-UGV) לצורך ניטור נמשך ורציף של עצמים ואיומים, בכל מקום בעולם.
ויחידת המעבד המשובץ המואץ – G-T56N – של AMD, עמדה בדרישות ההספק של המערכת ויכולה הייתה לספק את הביצועים ברמה הגבוהה שנדרשה על מנת לענות על הדרישות של יעדי רישום התמונה. מאחר שהמעבד היה צריך להפעיל מערכת נוספת לסינון תמונה על מנת לשפר את התוצאות, חברת CASS הייתה צריכה לוודא שיש שולי ביצועים שמספיקים להפעלה של אלגוריתמים נוספים במקביל לאבטחת קיומה של פעולה בזמן אמת – חברת CASS בחרה ב- על מנת לממש את אבני הבניין של האלגוריתמים המואצים.
בתכנון האב-טיפוס, שימשה יחידת המעבד המשובץ המואץ כמעבד אותות ספרתיים וכמעבד תמונה, והייתה מחוברת לחיישן. “בדקנו את יחידת APU כדי לראות אם אנו יכולים להשיג את הביצועים בזמן אמת שנדרשים על ידי החיישנים”, הסביר בוטראשוילי. “לא הייתה אופציה להשהיות. היה צריך לעבד את האות בדיוק בזמן שהוא התקבל עם השהית אחזור מזערית.”
האלגוריתמים כולו מומש ב-OpenCL, כאשר יחידת המעבד המשובץ המואץ משמשת כמנהל מארח/כמתאם (coordinator) וכלוכד תמונות. כאשר מול עיניה עמדה המטרה ‘להגיע לעיבוד מהיר יותר מאשר בזמן אמת’, חברת CASS שיפרה את העיבוד המקבילי עבור פעולות מטריצות צפופות ומרובות, לרבות GEMM (כפל מטריצות), GEMV (הכפל ת מטריצה בווקטור) ו-GESV (היפוך מטריצה), והצליחה להגיע לביצועים ברמה של פי 130 מאלו שמושגים על ידי הפעלה של אותם בלוקי בנייה בסיסיים בעזרת BLAS (ספריה מואצת לחישובי אלגברה ליניארית בסיסית) של AMD. על מנת לאמת את היציבות המספרית, שחשיבותה רבה במיוחד בפעולות קריטיות למשימה לטווח הארוך, ערכנו השוואה של התוצאות האריתמטיות של יחידת APU ליע”מ x86 הפועל לפי תקן IEEE 754. חברת CASS מצאה התאמה ודיוק גבוהים, עובדה שמבטיחה שהמערכת מגיעה ליציבות מספרית עצומה.
התוצאות
תוך חודשיים, חברת CASS השלימה את פיתוח האב-טיפוס, לרבות ביצוע אופטימיזציה של התוכנה. הפתרון פותח לתמיכה ב-Linux, Windows ובגרסאות משובצות שלהן. מנוע עיבוד האלגוריתמים שולב גם הוא ב- OpenGL, וסיפק בכך תצוגה “מצב חי” של התוצאות המעובדות. “יחידת המעבד המשובץ המואץ – G-T56N – של AMD נתנה תוצאות טובות מאוד עבור היישום הנבחר והסביבה המוגדרת,” המשיך בוטראשוילי להסביר, “הפתרון מספק ביצועים שאין כמותם, כאשר לוקחים בחשבון את הדרישות של צריכת הספק וגודל”.
הביצועים שהושגו היו מרשימים, והציגו עיבוד שיא של 150 תמונות בשנייה (150 FPS) ברזולוציית HD של עם 16 סיביות לפיקסל, שנמדדו מכניסה ליציאה של תמונות מתוקנות. באמצעות יחידת המעבד המשובץ המואץ מסדרת G של AMD, הצליחה חברת CASS להשיג את התכונות הבאות:
• ביצועים בזמן אמת
• עיבוד רציף של 120 תמונות בשנייה
• חיישן ברזולוציית HD בתקן 720p
()
• ביצועים טובים פי 20 עד 30 מאשר ביצועי האלגוריתם כולו בעזרת יע”מ (CPU) מסורתי
תהליך עיבוד האלגוריתם כולו היה מורכב, והיה צורך במסננים נוספים לשיפור וחידוד התמונה, אי לכך ההאצה בזמן פעולה צומצמה פי 20 עד 30.
הצעד הבא, חברת CASS פועלת על תמיכה במערכות הפעלה לזמן אמת בחומרה, מסחור החומרה ותכנון הלוח, על מנת להתאים למגבלות הממדים של החיישנים, ולתמיכה ביחידות APU של הדור הבא עבור תוצאות גבוהות אפילו עוד יותר של ביצועים ורזולוציות.
יתר על כן, מאחר שהעבודה לא נחשבה קניינית לחברה שעוסקת בתחום הביטחוני, חברת CASS מחפשת יישומים נוספים עבור טכנולוגיית רישום התמונות החדשה שלה, המבוססת על יחידת APU. מעצם היותו רכיב עיקרי חשוב במערכות עיבוד תמונות רבות, יש לפיתרון רלוונטיות ליישומים נוספים בתחום הביטחוני, בדימות רפואי ובראיית מכונה.
רישום תמונה (Image Registration)
רישום תמונות (image registration) הוא תהליך של המרת קבוצה של תמונות סדרתיות (רצף וידיאו המתקבל מחיישן) למערכת קואורדינטות זהה ליצירה של רצף חזותי חלק. בתנאים אמיתיים, התנאים הפיסיים או התנועה הרגילה משפיעים על התמונות הנאספות על ידי החיישן, והם עלולים לגרום לרעידות.
מערך רציף של תמונות, המתקבל מחיישן תמונה, נראה בדרך כלל כשהוא רועד או לא מאוזן, מפני שהחיישן לעיתים קרובות נייד או שאינו מיוצב. רישום התמונות מתקנת את הבעיה הזו על ידי החלקת רצף הווידיאו במוצא. היישומים המשמשים רישום תמונות קיימים בתחום הביטחוני, בתחום הרפואי ועוד.
שלבי העיבוד בתהליך הרישום אופייני כוללים: זיהוי של ווקטורי תנועה בין שתי תמונות מיוחסות, ביצוע יישור ביניהן, והפעלה של מסנני תיקון ושיפור נוספים לצורך שיפור איכות התמונות והרצף.
בתחום הביטחוני, מערכות מבוססות חיישנים משתמשות ברישום ממערכות קרקעיות עד מערכות מוטסות ועם יישומים שונים. בנוסף למורכבות שלהם, ליישומים ביטחוניים נדרשים פעולות מחשוב בביצועים גבוהים (רזולוציה גבוהה וקצבי מסגרות גבוהים) ויש להם מרחב מוגבל עבור החומרה, עובדה שמכתיבה להם גודל קטן של המערכת.
