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14 juin 2007Unité Electronique InformatiqueConseil de la Recherche

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PEA CALADIOMPEA CALADIOM

« Capteur intelligent À Longue Autonomie pour la « Capteur intelligent À Longue Autonomie pour la Détection et l’Identification d’Objets Mobiles »Détection et l’Identification d’Objets Mobiles »

Présentation – Conseil de la RecherchePrésentation – Conseil de la Recherche

Thierry Bernard & Antoine Manzanera


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CALADIOMCALADIOMle contexte du PEAle contexte du PEA

Origine : 98/99 : DGA/DCE/CTA et Aérospatiale Missiles élaboration poursuivie à l’ENSTA en 01/02

Objectifs : Réaliser un prototype de système de vision à très faible consommation d’énergie, répondant à un besoin optronique de Défense en détection/identification, grâce au développement d’une nouvelle génération de rétine programmable.

Avancement du projet : Tranche 1 terminée (2005) : Prototype visible (rétine ENSTA CMOS standard) Tranche 2 en cours : Prototype infrarouge (rétine mixte ENSTA-CEA)

Client : DGA/DSA/SPART

Maître d’œuvre : Bertin Technologies

Partenaires : CEA Leti (conception détecteurs IR) – ULIS (production rétines IR)

Prix CHANSON (2007) : récompense succès tranche visible + faisabilité prototype IR.


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CALADIOMCALADIOMdescription du systèmedescription du système

Balise de renseignement : système de vidéo surveillance abandonné capable de fonctionner en autonomie pendant plusieurs semaines.

Solution retenue :

• Dispositif de réveil intégrant une rétine artificielle fonctionnant en permanence et chargé de détecter les menaces potentielles.

• Unité principale comportant une caméra HR fonctionnant par intermittence et chargée d'identifier ces menaces.

© BertinTechnologies


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CALADIOMCALADIOMles enjeux scientifiques et technologiquesles enjeux scientifiques et technologiques

Micro-électronique : concevoir une nouvelle génération de rétine programmable répondant aux contraintes optroniques (sensibilité, résolution, rapport signal sur bruit) et fonctionnelles (analyse du mouvement).

Algorithmique : concevoir une détection d'objets mobiles robuste (fonctionnement continu tout temps) et adaptée aux contraintes de calcul (parallélisme massif cellulaire).

Infra-Rouge : adapter le circuit de traitement numérique au circuit d'acquisition thermique dans une technologie hybridée.

Système : réaliser le packaging électronique, mécanique et optique respectant des contraintes sévères en consommation et encombrement.



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CALADIOMCALADIOMpourquoi des rétines dans CALADIOM ?pourquoi des rétines dans CALADIOM ?

• Fort bénéfice énergétique système– Sobriété énergétique rétinienne

• Rapprochement mémoire-traitement énergie de transport ≈ énergie de calcul

• Parallélisme spatial massif de type SIMD énergie de contrôle ≈ énergie de calcul

• même si Valim=3,3V

– Contribution prépondérante à la tâche de vision réalisée• Adéquation algorithme-architecture• Programmabilité et ressources mémoire• Fréquence de fonctionnement• Calcul collectif par sommateur global Sobriété énergétique du cortex

• Tout en demeurant un capteur– Contraintes de résolution et dimension

=> intégration extrême– Compatibilité processeur pixellique / qualité de capture

microproc.

rétine

< 0,5W

< 1W

> 15-20 bits

(> 1 MHz)

200x200 pixels< 40x40µm2

0,5%

Objectifs


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CALADIOMCALADIOMSystème de vision traditionnel Système de vision traditionnel vsvs traitement en plan focal traitement en plan focal

(x,y)

(20-02)2+4112

p(B/Ai)p(Ai)

∑jp(B/Aj)p(Aj)

xk/k = xk/k-1 + Kkyk^ ^ ~

···

···

···

···

(x,y)

(20-02)2+4112

p(B/Ai)p(Ai)

∑jp(B/Aj)p(Aj)

xk/k = xk/k-1 + Kkyk^ ^ ~

···

···

···

···

Imageur Calculateur

Rétine « Cortex »

···

Agitation de données consommation d’énergie

Approche classique


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Bio-inspiration ?

Polyvalence programmabilité Un processeur programmable dans le pixel, plutôt numérique, pour réaliser une large

classe de traitements rétinotopiques en plan focal.

CALADIOMCALADIOMRétines bio-inspirées Rétines bio-inspirées vsvs rétines programmables rétines programmables

VoutVcas

Vb

Rémanence du mouvement

Détection de changement temporel [Delbrück 94]

5 MOS

Flot optique 1-D 40 MOS

[Özalevli 06]

• analogique• ingénieux• très faible conso.• précision limitée• figé, cloisonné

photo-capteur

conversion analogique numérique

processeur numérique

Rétine


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Rétine : grille SIMD cellulaire de processeurs produit des descripteurs d’image

Cortex opérations non rétinotopiques pilotage de la rétine

Des-crip-teurs

Code

Rétine Cortex

ASIC COTS, IP

datapath image / UC

• parallélisme spatial massif• sans transfert d’image• déplacements surtout locaux• mémoire numérique réduite• processeur pixellique simple booléen, sans décodeur• calculs bit-série• fréquence modérée (10MHz)

CALADIOMCALADIOMSystème de vision à base de rétine programmableSystème de vision à base de rétine programmable

Conséquences sur l'algorithmique et le logiciel :


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Pvlsar34 : 200x200 pixels CMOS 0,35µm pitch 37,5µm 45 bits/pixel basse consommation capture/CAN de qualité

64k32k16k8k4k

5

10

20

40

80

nombre de pixels

Positionnement par rapport à la concurrence

Pvlsar34Pvlsar34-IR

SévilleACE16k

Tokyo Vision Chip

ArcueilPvlsar2.2

nombre de bits/pixel

30µm2/bit

CALADIOMCALADIOMLa nouvelle génération de rétine : La nouvelle génération de rétine : Pvlsar 34Pvlsar 34

Innovations : mémorisation, calcul, communication exotiques éclectisme « design for yield » (DFY)


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CALADIOMCALADIOMAlgorithmique plan focal : détection d’objets mobilesAlgorithmique plan focal : détection d’objets mobiles


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1

11

tt

moyt M

t

t+I

t=M

expexp

11

tMα+αI=M tt

)M,(Iδ+M=M ttttt 11

But : détecter les pixels dont les valeurs se distinguent significativement de la distribution temporelle du fond statique. Concision algorithmique : cette distribution temporelle doit être représentée par un petit nombre de descripteurs de petite taille.

Moyenne temporelle récursive naïve :

Moyenne récursive exponentielle :

Représentation incrémentale :

fonction affine :

pas calculable !

1,0 t1

expt


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Idéalement, t doit dépendre de la probabilité d'occurence de I

t :

Ex : Estimation gaussienne :

)M,(Iδ+M=M ttttt 11

1

1

max

)(

)(

tt

tt

ttt MI

Mf

If

)(2

)(exp 1

1

21

maxGttG

t

GttG

t MIV

MI

Concision algorithmique : ft doit être

représentable par quelques paramètres :• 1 mode• 1 mesure de dispersion


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)(

)()(),(

x

xxH

Distribution unimodale à décroissance hyperbolique (loi de Zipf-Mandelbrot) :

Dans ce cas, la fonction d'incrément t est proche d'une fonction échelon (Heaviside)...

Pour lequel l'estimation de la moyenne s'assimile à la modulation .

s

s

sk kx

ksxZ

)(2

)1()(

1

),,(

mode

dispersion

sk max),( HZ

t


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La détection de changement temporel par estimation

• approche originale issue de la concision rétinotopique. • fondements et performances comparables à Estimation gaussienne• coût de calcul encore plus faible que la moyenne récursive

Jeu d'instruction :- incrément/décrément- comparaison- différence

Complexité déportée dans les structures de contrôle


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CALADIOMCALADIOMLe dispositif de réveil intégréLe dispositif de réveil intégré

RAPvisible

CarteSUPPORT RETINE

CarteINTERFACE RETINE

CarteCOM & ALIM

CarteCORTEX Carte

COM & ALIM

CarteCORTEX NG

CarteINTERFACE RETINE IR

En visible...

...et en Infrarouge




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CALADIOMCALADIOMLa rétine infrarougeLa rétine infrarouge

Prochaine étape : le CALADIOM jour/nuit

Technologie non refroidie : matrice de bolomètres :

Circuit numérique : mémorisation + calcul (ENSTA)

Circuit analogique : capture et numérisation (CEA)

Technologie hybridée

Circuits fabriquées et en phase de test au CEA

matrice de détecteurs bolométriques


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CALADIOMCALADIOMLe futur des rétines : vers le moyen niveauLe futur des rétines : vers le moyen niveau

Reconstruction géodésique Propagation asynchrone via

des connexions programmables bidirectionnelles

Pb du taux d’utilisation résolu pleine efficacité énergétique rapide car asynchrone

Calcul de statistiques régionales Primitive symétrique fondamentale : la somme Calcul sur un arbre couvrant orienté

connexions monodirectionnelles Racine = pixel représentant la région Calcul mixte par propagation asynchrone de jetons et

fusion dyadiques synchrones de paires de jetons.

Manipulation de régions, d’ensembles de pixels


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CALADIOMCALADIOMConclusionConclusion

PEA CALADIOM

Succès d'un projet de transfert industriel, du laboratoire au produit fini.

Innovations microélectronique et algorithmique éprouvées à échelle industrielle.

Première mondiale : système de vision complet à base de rétine numérique.

Cas exemplaire de l'investissement de l'ENSTA dans les projets DGA.

Bémols

Rédaction de rapports techniques de niveau industriel

Coût de la gestion de l'exploitation industrielle

Difficulté de la gestion des ressources affectées

Difficulté à valoriser le travail en recherche académique

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