Exploration architecturale pour la conception d`un système

Exploration architecturale pour la
conception d’un système sur puce
de vision robotique,
adéquation algorithme-architecture
d’un système embarqué temps-réel
Thomas Lefebvre
Laboratoire ETIS
Université de Cergy-Pontoise
Thèse présentée pour le titre de
Docteur de l’université de Cergy-Pontoise
Soutenue le Lundi 2 juillet 2012 devant la commission d’examen :
Michel Paindavoine : Rapporteur
Jocelyn Sérot : Rapporteur
Serge Weber : Examinateur
Lionel Lacassagne : Examinateur
Nicolas Cuperlier : Examinateur
Benoît Miramond : Encadrant de thèse
Lounis Kessal : Co-Directeur de thèse
François Verdier : Directeur de thèse

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Résumé
La problématique de cette thèse se tient à l’interface des domaines scientifiques de
l’adéquation algorithme architecture, des systèmes de vision bio-inspirée en robo-
tique mobile et du traitement d’images. Le but est de rendre un robot autonome
dans son processus de perception visuelle, en intégrant au sein du robot cette tâche
cognitive habituellement déportée sur un serveur de calcul distant. Pour atteindre
cet objectif, l’approche de conception employée suit un processus d’adéquation
algorithme architecture, où les différentes étapes de traitement d’images sont ana-
lysées minutieusement. Les traitements d’image sont modifiés et déployés sur une
architecture embarquée de façon à respecter des contraintes d’exécution temps-réel
imposées par le contexte robotique.
La robotique mobile est un sujet de recherche académique qui s’appuie notamment
sur des approches bio-mimétiques. La vision artificielle étudiée dans notre contexte
emploie une approche bio-inspirée multirésolution, basée sur l’extraction et la mise
en forme de zones caractéristiques de l’image.
Du fait de la complexité de ces traitements et des nombreuses contraintes liées
à l’autonomie du robot, le déploiement de ce système de vision nécessite une dé-
marche rigoureuse et complète d’exploration architecturale logicielle et matérielle.
Ce processus d’exploration de l’espace de conception est présenté dans cette thèse.
Les résultats de cette exploration ont mené à la conception d’une architecture prin-
cipalement composée d’accélérateurs matériels de traitements (IP) paramétrables
et modulaires, qui sera déployée sur un circuit reconfigurable de type FPGA. Ces IP
et le fonctionnement interne de chacun d’entre eux sont décrits dans le document.
L’impact des paramètres architecturaux sur l’utilisation des ressources matérielles
est étudié pour les traitements principaux. Le déploiement de la partie logicielle
restante est présenté pour plusieurs plate-formes FPGA potentielles.
Les performances obtenues pour cette solution architecturale sont enfin présentées.
Ces résultats nous permettent aujourd’hui de conclure que la solution proposée
permet d’embarquer le système de vision dans des robots mobiles en respectant les
contraintes temps-réel qui sont imposées.

This Ph.D Thesis stands at the crossroads of three scientific domains : algorithm-
architecture adequacy, bio-inspired vision systems in mobile robotics, and image
processing. The goal is to make a robot autonomous in its visual perception, by the
integration to the robot of this cognitive task, usually executed on remote proces-
sing servers. To achieve this goal, the design approach follows a path of algorithm
architecture adequacy, where the different image processing steps of the vision
system are minutely analysed. The image processing tasks are adapted and imple-
mented on an embedded architecture in order to respect the real-time constraints
imposed by the robotic context.
Mobile robotics as an academic research topic based on bio-mimetism. The artificial
vision system studied in our context uses a bio-inspired multiresolution approach,
based on the extraction and formatting of interest zones of the image.
Because of the complexity of these tasks and the many constraints due to the
autonomy of the robot, the implementation of this vision system requires a rigorous
and complete procedure for the software and hardware architectural exploration.
This processus of exploration of the design space is presented in this document.
The results of this exploration have led to the design of an architecture primarly
based on parametrable and scalable dedicated hardware processing units (IPs),
which will be implemented on an FPGA reconfigurable circuit. These IPs and the
inner workings of each of them are described in the document. The impact of their
architectural parameters on the FPGA resources is studied for the main processing
units. The implementation of the software part is presented for several potential
FPGA platforms.
The achieved performance for this architectural solution are finally presented.
These results allow us to conclude that the proposed solution allows the vision
system to be embedded in mobile robots within the imposed real-time constraints.

À ma mère, Sylvie Lefebvre.