these-NSicard

D´epartement Architectures et Conception ´ Ecole doctorale d’Informatique d’Orsay
de Circuits Int´egr´es et de Syst`emes
ANET : un environnement de
programmation `a parall´elisme de
donn´ees pour l’analyse d’image
TH` ESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 12 juillet 2004
pour l’obtention du
Doctorat de l’universit´e Paris-Sud – Orsay
(sp´ecialit´e informatique)
par
Nicolas Sicard
Composition du jury
Institut d’Electronique Fondamentale — CNRS UMR 8622

Mis en page avec la classe thloria.

Sommaire
Introduction vii
1 Parallélisme et image 1
1.1 Architectures parallèles pour l’analyse d’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Traitementd’image................................. 1
1.1.2 Parallélisme..................................... 4
1.1.3 Data-parallélisme, irrégularité et asynchronisme . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Architectures parallèles pour l’analyse d’image . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 Bibliothèques de programmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.6 Conclusion ..................................... 12
1.2 LesRéseauxAssociatifs .................................. 12
1.2.1 Lemodèledecalcul ................................ 13
1.2.2 LaMailleAssociative ............................... 15
1.2.3 Apports respectifs du modèle et de la Maille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4 Refontedumodèle................................. 18
1.2.5 Résumé....................................... 20
1.3 Conclusion ......................................... 21
2 Programmation des Réseaux Associatifs 23
2.1 Représentationdesdonnées................................. 23
2.1.1 Graphedebase................................... 24
2.1.2 Variablesparallèles................................. 25
2.1.3 Graphesd’exécution ................................ 26
2.2 Opérationsgénériques ................................... 27
2.2.1 Les calculs élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Contextesd’exécution ............................... 29
2.2.3 Réductionsglobales ................................ 31
2.2.4 Associations élémentaires (opérations locales) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.5 Manipulations des graphes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
i

Sommaire
2.2.6 Associations .................................... 34
2.3 Programmation ....................................... 39
2.3.1 Typesdedonnées.................................. 39
2.3.2 Opérateurs ..................................... 39
2.3.3 Primitives...................................... 40
2.4 LesRéseauxVirtuels .................................... 40
2.4.1 Problématique ................................... 41
2.4.2 Définitions ..................................... 41
2.4.3 Extension du modèle de programmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.4 Réduction de pvar et diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.5 Graphe virtuel implicite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Fusiondecomposantes................................... 46
2.5.1 Problématique ................................... 46
2.5.2 Absorption ..................................... 47
2.5.3 Fusion........................................ 49
2.5.4 Programmation................................... 51
2.5.5 Bilanetperspectives ................................ 52
2.6 Conclusion ......................................... 52
3 L’environnement ANET 55
3.1 Environnement de programmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Environnement ou langage? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2 Vued’ensemble................................... 56
3.1.3 Architecture..................................... 57
3.1.4 Interface "bas-niveau" (anet et vnet)........................ 57
3.1.5 Interface "haut-niveau" (anet++ et vnet++).................... 58
3.1.6 Styledeprogrammation .............................. 58
3.1.7 Configuration de l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Interfacedeprogrammation................................. 62
3.2.1 Anet ......................................... 62
3.2.2 Pvar ......................................... 63
3.2.3 PvarBool ...................................... 67
3.2.4 Subnet ....................................... 67
3.2.5 Vnet ......................................... 69
3.2.6 VPvar ........................................ 70
3.2.7 VSubnet ...................................... 70
3.2.8 VPvarBool ..................................... 70
ii

3.3 Algorithmique et mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.1 Graphedebase................................... 71
3.3.2 Opérations element-wise et locales ......................... 72
3.3.3 Réductiondegraphe ................................ 73
3.3.4 Associationsdirectes................................ 76
3.3.5 Associations .................................... 76
3.3.6 Virtualisation de graphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4 Conclusion ......................................... 80
4 Parallélisation basée sur les régions 83
4.1 Problématique........................................ 83
4.1.1 Objectifs ...................................... 83
4.1.2 Hypothèses..................................... 84
4.1.3 Calculdistribué................................... 85
4.1.4 Architectures à mémoire partagée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Parallélisationdistribuée .................................. 91
4.2.1 ANET distribué................................... 91
4.2.2 Étudeexpérimentale ................................ 96
4.2.3 Conclusion .....................................100
4.3 Parallélisation en mémoire partagée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 Balayagesdesrégions ...............................102
4.3.2 Apport du tri préalable des sommets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.3 Apport de la propagation d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.4 Calcul de l’Assoc ..................................113
4.3.5 Bilan ........................................117
4.4 Conclusion .........................................118
5 Parallélisation par balayages réguliers 121
5.1 Balayagedegraphe.....................................122
5.1.1 Problématique ...................................122
5.1.2 Balayagesréguliers.................................123
5.1.3 Généralisation ...................................124
5.1.4 Conclusion .....................................129
5.2 Parallélisation........................................129
5.2.1 Supportd’exécution ................................129
5.2.2 Opérations element-wise ou locales et associations élémentaires . . . . . . . . . 130
5.2.3 Associations directes (DirectAssoc) ........................130
iii