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Private GIT Repository
7 avril pour jury
[these_gilles.git] / DOCS / paper_snake_gpu / snake_gpu.tex~
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
67 % Add the compsocconf option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73
74 %  \usepackage[latin1]{inputenc}
75 %  \usepackage[cyr]{aeguill}
76 %  \usepackage[francais]{babel}
77
78
79 % Some very useful LaTeX packages include:
80 % (uncomment the ones you want to load)
81
82
83 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
84 %
85 %\usepackage{ifpdf}
86 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
87 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
88 % usage:
89 % \ifpdf
90 %   % pdf code
91 % \else
92 %   % dvi code
93 % \fi
94 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
95 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
96 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
97 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
98 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
99 % have to be run twice to clear warning/error messages.
100
101
102
103
104
105
106 % *** CITATION PACKAGES ***
107 %
108 \usepackage{cite}
109 % cite.sty was written by Donald Arseneau
110 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
111 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
112 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
113 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
114 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
115 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
116 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
117 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
118 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
119 % not currently provide for hyperlinked citations.
120 % The latest version can be obtained at:
121 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
122 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
123
124
125
126
127
128
129 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
130 %
131 \ifCLASSINFOpdf
132   \usepackage[pdftex]{graphicx,color}
133   % declare the path(s) where your graphic files are
134   \graphicspath{{img/}}
135   % and their extensions so you won't have to specify these with
136   % every instance of \includegraphics
137   \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
138 \else
139   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
140   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
141   % driver is specified.
142   % \usepackage[dvips]{graphicx}
143   % declare the path(s) where your graphic files are
144   % \graphicspath{{../eps/}}
145   % and their extensions so you won't have to specify these with
146   % every instance of \includegraphics
147   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
148 \fi
149 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
150 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
151 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
152 % be obtained at: 
153 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
154 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
155 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
156 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
157 %
158 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
159 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
160 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
161 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
162 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
163 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
164 % well as large increases in file sizes.
165 %
166 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
167 % http://www.tug.org/applications/pdftex
168
169
170
171
172
173 % *** MATH PACKAGES ***
174 %
175 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
176 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
177 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
178 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
179 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
180 % it is possible that some math symbols, particularly those within
181 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
182 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
183 %
184 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
185 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
186 %\interdisplaylinepenalty=2500
187 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
188 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
189 % version and documentation can be obtained at:
190 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
191
192
193
194
195
196 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
197 %
198 \usepackage[ruled,lined,linesnumbered]{algorithm2e}
199 %\usepackage{algorithmic}
200 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
201 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
202 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
203 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
204 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
205 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
206 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
207 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
208 % algorithmic.sty can be obtained at:
209 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
210 % There is also a support site at:
211 % http://algorithms.berlios.de/index.html
212 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
213 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
214 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
215
216
217
218
219 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
220 %
221 \usepackage{array}
222 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
223 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
224 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
225 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
226 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
227 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
228 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
229 % latest version and documentation can be obtained at:
230 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
231
232
233 \usepackage{mdwmath}
234 \usepackage{mdwtab}
235 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
236 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
237 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
238 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
239 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
240
241
242 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
243 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
244 % quality.
245
246
247 %\usepackage{eqparbox}
248 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
249 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
250 % Available at:
251 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
252
253
254
255
256
257 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
258 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
259 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
260 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
261 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
262 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
263 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
264 % be obtained at:
265 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
266 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
267
268
269
270 %\usepackage[caption=false]{caption}
271 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
272 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
273 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
274 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
275 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
276 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
277 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
278 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
279 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
280 % the caption=false option directly:
281 \usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
282 %
283 % The latest version and documentation can be obtained at:
284 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
285 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
286 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
287
288
289
290
291 % *** FLOAT PACKAGES ***
292 %
293 \usepackage{fixltx2e}
294 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
295 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
296 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
297 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
298 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
299 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
300 % figure. The latest version and documentation can be found at:
301 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
302
303
304
305 %\usepackage{stfloats}
306 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
307 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
308 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
309 % LaTeX2e). It also provides a command:
310 %\fnbelowfloat
311 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
312 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
313 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
314 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
315 % version and documentation can be obtained at:
316 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
317 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
318 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
319 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
320 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
321 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
322 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
323 % not format its papers in such ways.
324
325
326
327 % correct bad hyphenation here
328 % \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
329
330
331 \begin{document}
332 %
333 % paper title
334 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
335 \title{GPU implementation of a region based algorithm \\ for large images segmentation}
336
337
338 % author names and affiliations
339 % use a multiple column layout for up to two different
340 % affiliations
341
342 \author{
343 \IEEEauthorblockN{Gilles Perrot, St\'{e}phane Domas, Rapha\"{e}l Couturier}
344 \IEEEauthorblockA{Distributed Numerical Algorithmics team (AND), Laboratoire d'Informatique de Franche-comt\'{e}\\
345 Rue Engel Gros, 90000 Belfort, France\\
346 forename.name@univ-fcomte.fr}
347 }
348
349
350
351 % use for special paper notices
352 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
353
354
355
356
357 % make the title area
358 \maketitle
359
360 \begin{abstract}
361 Image segmentation is one of the most challenging issues in image computing.
362 In this work, we focus on region-based active contour techniques (snakes) as they seem to achieve a high level of robustness and fit with a large range of
363 applications. Some algorithmic optimizations provide significant speedups, but even so, execution times are still non-neglectable  
364 with the continuing increase of image sizes. Moreover, these algorithms are not well suited for running on multi-core CPU's.
365 At the same time, recent developments of Graphical Processing Units (GPU) suggest that higher speedups could be obtained 
366 by use of their specific design. We have managed to adapt a specially efficient snake algorithm that fits recent Nvidia GPU architecture 
367 and takes advantage of its massive multithreaded execution capabilities. The speedup obtained is most often around 7.
368 \end{abstract}
369
370 \begin{IEEEkeywords}
371  GPU; segmentation; snake;
372 \end{IEEEkeywords}
373
374 \section{Introduction}
375 Segmentation and shape detection are still key issues in image computing. These techniques are used in numerous fields ranging from medical imaging to video tracking, shape recognition or localization.
376 Since 1988, the active contours (snakes) introduced by and  Kass et al. \cite{KassWT88}, have proved to be efficient and robust, especially against noise, for a wide range of image types. 
377
378 The main shortcoming of these algorithms is often their high dependence on the initial shape, though several contributions have lowered this dependency and also brought 
379 more accurate segmentation of non convex shapes \cite{Ruch01} \cite{XuP98}. 
380
381 The information that drives a snake model comes either from the contour itself or from the characteristics of the regions it defines. 
382 For noisy images, the second option is often more suitable as it takes into account the statistical fluctuations of the pixels. 
383 One approach \cite{ChesnaudRB99,AllainBG08} proposes a geometric (polygonal) region-based snake driven by the minimization of the stochastic complexity. One significant
384 advantage is that it runs without any free parameter which can be helpful when dealing with image sequences or slices (3D).
385
386 An important issue of image processing, especially segmentation, has always been the computation time of most algorithms. Over the years, the increase of CPU computing capabilities, 
387 although quite impressive, has not been able to fulfill the combined needs of growing resolution and real-time computation.
388 Since having been introduced in the early 1980's, the capabilities and speed of graphics accelerators have always been increasing. So much so that the recent GPGPU 
389 (General Purpose Graphic Processing Units) currently benefit by a massively parallel architecture for general purpose programming, especially when dealing with large matrices 
390 or vectors. On the other hand, their specific design obviously imposes a number of limitations and constraints. 
391 Some implementations of parametric snakes have already been tested,  such as \cite{Brunett}. However, a similar solution (computation per small tile)
392 is not suited for the algorithm we have implemented.
393
394 Our goal, in collaboration with the PhyTI team\footnote{Physics and Image Processing Group, Fresnel Institute, Ecole Centrale de Marseille (France)}, was to propose a way to fit their algorithm 
395 to the Nvidia$^{\textcopyright}$ Tesla GPU architecture.
396 The remainder of this paper presents the principles of the algorithm and notations in section \ref{secCPUalgooutlines}. In section \ref{secCPUalgodetails}, the details of
397 the sequential CPU implementation are explained. Section \ref{GPUgeneralites} summarizes Nvidia's GPU 
398 important characteristics and how to deal with them efficiently. Then sections \ref{GPUimplementation} and \ref{secSpeedups} detail our GPU implementation and timing results. 
399 Finally, the conclusion of section \ref{secConclusion} evaluates the pros and cons of this implementation and then gives a few direction to be followed in future works.
400  
401
402
403 \section{\label{secCPUalgooutlines}Sequential algorithm : outlines} 
404 The goal of the active contour segmentation (snake) method we studied \cite{Ruch01} is to distinguish, inside an image $I$, a target region $T$ from the background region
405 $B$. The size of $I$ is L x H pixels of coordinates $(i,j)$ and gray level $z(i,j)$.
406 We assume that the gray levels of $T$ and $B$ are independent random vectors, each with a distribution $p^{\Omega}$ of its components $(\Omega \in \{T ; B\})$. 
407 The present implementation uses a Gaussian distribution, but another one can easily be used as Gamma, Poisson,...(Cf. \cite{ChesnaudRB99})\dots 
408
409 The \textit{active contour} $S$, which represents the shape of $T$ is chosen as polygonal.
410 The purpose of the segmentation is then to determine the shape that optimizes a pseudo log-likelihood-based criterion (PLH).
411 This is done by a very simple iterative process which is initialized with an arbitrary shape, then at each step :
412 \begin{enumerate}
413   \item it modifies the shape
414   \item it estimates the parameters of the Gaussian functions for the two regions and evaluates the criterion.
415   \item it validates the new shape if the criterion has a better value.
416 \end{enumerate}
417 A simplified description of it is given in \emph{Algorithm \ref{cpualgosimple}} which features two nested loops : the main one, on iteration level, is 
418 responsible for tuning the number of nodes ; the inner one, on step level, takes care of finding the best shape for a given number of nodes.
419 \emph{Figure \ref{images_algo}} shows intermediate results at iteration level. Sub-figure \emph{\ref{fig:labelinit}} shows the initial rectangular shape, \emph{\ref{fig:labelit1}}
420  shows the best four-node shape that ends
421 the first iteration. Sub-figures \emph{\ref{fig:labelit2}} and \emph{\ref{fig:labelit4}} show the best shape for an eight-node snake (resp. 29-node) 
422 which occurs at the end of the second  iteration (resp. fourth). 
423
424 \begin{algorithm}[h]
425 \label{cpualgosimple}
426 \caption{Sequential algorithm : outlines}
427 \SetNlSty{textbf}{}{:}
428
429   %compute\_cumulated\_images()\;
430   begin with a rectangular 4 nodes snake\;
431   \Repeat(\tcc*[f]{iteration level}){no more node can be added}{
432       \Repeat(\tcc*[f]{step level}){no more node can be moved}{
433           Test some other positions for each node, near its current position\;
434           Find the best PLH and adjust the node's position\;
435       }
436   Add a node in the middle of each \emph{long enough} segment\;
437   }
438 \end{algorithm}
439
440
441 \begin{figure}[h]
442  \centering
443 \subfloat[Initial snake ]{\label{fig:labelinit} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_init.jpg}}\qquad
444 \subfloat[End of first iteration (4 nodes) ]{\label{fig:labelit1} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_it1.jpg}}\\
445 \subfloat[End of second iteration (8 nodes)]{\label{fig:labelit2} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_it2.jpg}}\qquad
446 \subfloat[End of fourth iteration (29 nodes)]{\label{fig:labelit4} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_it4.jpg}}
447 %\subfloat[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_b_entier.jpg}
448  % cochon_b_entier.jpg: 3960x2970 pixel, 72dpi, 139.70x104.78 cm, bb=0 0 3960 2970
449  \caption{segmentation of a noisy image}
450   \label{images_algo}
451 \end{figure}
452
453
454
455 \section{\label{secCPUalgodetails}Sequential algorithm : details}
456 \subsection{Criterion}
457 For $p^{\Omega}$ a Gaussian function, $\Theta_{\Omega}$ ($\Omega \in \{T ; B\}$) has two components, the average value $\mu$ and the deviation $\sigma$ which are estimated by 
458 $$
459 \widehat{\Theta_{\Omega}} \left(
460 \begin{array}{l}
461 \widehat{\mu} = \frac{1}{N_{\Omega}} \displaystyle\sum_{(i,j)\in \Omega} z(i,j) \\
462 \widehat{\sigma^2} = \frac{1}{N_{\Omega}} \displaystyle\sum_{(i,j)\in \Omega} z^2(i,j) - \mu^2 \\
463   \end{array}
464 \right.
465 $$
466 The likelihood of a region is given by
467 $$ P[I|S_{n,l}, \Theta_T, \Theta_B] = P(\chi_T | \Theta_T)P(\chi_B | \Theta_B)$$ 
468 where
469 $$P(\chi_{\Omega} | \Theta_{\Omega}) = \prod_{(i,j)\in \Omega} p^{\Omega}[z(i,j)] ~~~~(\Omega \in \{T ; B\})$$ 
470 And then the log-likelihood by 
471 $$-N_{\Omega}\log\left(\sqrt{2\pi}\right) -N_{\Omega}.log\left(\sigma\right) - \frac{1}{2\sigma^2}\sum_{(i,j)\in \Omega} \left( z(i,j)-\mu \right)^2 $$
472 Considering the two regions, the criterion to be optimized is then :
473 $$C = \frac{1}{2}\left( N_B\log\left(\widehat{\sigma_B}^2\right) + N_T\log\left(\widehat{\sigma_T}^2\right)\right)$$ 
474
475 \subsection{CPU implementation}
476 Let $S_{n,l}$ be the snake state at step $l$ of iteration $n$, and $S_{n,l}^i$ the node $i$ of $S_{n,l}$ ($i \in [0;N_n]$).
477 Each segment of $S_{n,l}$ is considered as an oriented list of discrete points.
478 Chesnaud \& Refregier \cite{ChesnaudRB99} have shown how to replace the 2 dimensions sums needed to estimate $\Theta_{\Omega}$ by 1 dimension sums along $S_{n,l}$.
479 However, this approach involves weighing coefficients for every single point of $S_{n,l}$ which leads to compute a pair of transformed images, at the very 
480 beginning of the process. Such images are called cumulated images and will be used as lookup tables.
481 Therefore, beyond this point, we will talk about the \emph{contribution} of each point to the 1D sums. By extension, we also talk about the \emph{contribution} of each segment to the 1D sums.
482
483 A more detailed description of the sequential algorithm is given by \emph{Algorithm \ref{cpualgo}}. 
484 The process starts with the computation of cumulated images ; an initialization stage  takes place from line \ref{debinit} to line \ref{fininit}. 
485 Then we recognize the two nested loops (line \ref{loopnewnodes} and line \ref{loopmovenodes}) and finally the heart of the algorithm stands on line \ref{kernelPLH} which represents
486 the main part of the calculations to be done :
487 \begin{enumerate}
488  \item compute the various sums without the contributions of both segments connected to current node  $S_{n,l}^i$.
489   \item \label{CPUcontrib_segments} compute the contributions of both segments, which requires :
490   \begin{itemize}
491    \item \label{CPUbresenham} To determine the coordinates of every discrete pixel of both segments connected to $S_{n,l}^{i,w}$.
492     \item \label{CPUcontrib_pixels} To compute every pixel contribution.
493     \item To sum pixel contributions to obtain segment contributions.
494   \end{itemize}
495    \item compute the PLH given the contribution of each segment of the tested snake.
496 \end{enumerate}
497
498 \begin{algorithm}[h]
499 \SetNlSty{textbf}{}{:}
500 \caption{Sequential simplified algorithm} 
501 \label{cpualgo}
502    read image from HDD\;
503    compute\_cumulated\_images()\label{cumuls}\;
504    iteration $n \leftarrow 0$\label{debinit}\;
505    $N_0 \leftarrow 4$\;
506    $S_{n,l} \leftarrow S_{0,0}$\;
507    step $d \leftarrow d_{max} = 2^q$\;
508    current node $S_{0,0}^i \leftarrow S_{0,0}^0$\;
509    $l \leftarrow 0$\;
510    compute $PLH_{ref}$, the PLH of $S_{n,0}$\label{fininit}\;
511   \Repeat(\tcc*[f]{iteration level}){no new node added}{\label{loopnewnodes}
512     \Repeat(\tcc*[f]{step level}){no node move occured}{\label{loopmovenodes}
513       \For{$i=0$ to $N_n$}{
514         $S_{n,l}^{i,w}$ ($w \in [0;7]$) are the neighbors of $S_{n,l}^i$ by distance $d$\;
515         \For{$w=0$ to $7$}{
516           compute $PLH_w$ for $S_{n,l}$ when $S_{n,l}^{i,w}$ replaces $S_{n,l}^i$ \label{kernelPLH}\;
517           \lIf{$PLH_w$ is better than $PLH_{ref}$}{
518             $PLH_{ref} \leftarrow PLH_w$\;
519             move node $S_{n,l}^i \leftarrow S_{n,l}^{i,w}$\;
520           }
521         }
522       }
523      $l \leftarrow l+1$\;
524    }
525     add new nodes, $N_n \leftarrow N_n + N_{newnodes}$\;
526    \lIf{$d > 1$}{ $d \leftarrow d/2$ } \lElse{ $d=1$ }\;
527     $n \leftarrow n+1$\;
528     compute $PLH_{ref}$, the PLH of $S_{n,0}$ \;
529   }
530 \end{algorithm}
531
532
533
534 The profiling results of the CPU implementation shown in \emph{Figure \ref{CPUprofile}} display the relative costs of the most time-consumming functions.
535 It appears that more than 80\% of the total execution time is always spent by only three functions~:
536 \begin{itemize}
537  \item \texttt{compute\_segment\_contribution()} which is responsible for point \ref{CPUcontrib_segments} above,
538   \item \texttt{compute\_cumulated\_images()} which computes the 3 lookup tables at the very beginning,
539   \item \texttt{compute\_pixels\_coordinate()} which is called by \texttt{compute\_segment\_contribution()}.
540 \end{itemize}
541
542 \begin{figure}[h]
543  \centering
544  \includegraphics[width=0.9\linewidth, height=0.5\linewidth]{./img/data_profile_cpu.png}
545  \caption{\label{CPUprofile}the three most-consumming functions for various image sizes}
546 \end{figure}
547
548 Measurements have been performed for several image sizes from 15~MPixels (about 3900 x 3900) 
549 to 144 MPixels (about 12000 x 12000). On the one hand, we can notice that function \texttt{compute\_segment\_contribution()} always lasts more than 45\% of the total running time, and even 
550 more when the image gets larger. 
551 On the other hand, the function \texttt{compute\_cumulated\_images()} costs more than 23\%, decreasing with image size, while function \texttt{compute\_pixels\_coordinate()} always takes around 6\%.
552 It confirms that the need for parallelization resides in line \ref{kernelPLH} and line \ref{cumuls} of Algorithm \ref{cpualgo} as they contain every call to those three functions.
553
554 The following sections detail how we managed to implement these time-consumming functions in parallel, but
555 a brief reminder on GPU's recent architecture is presented first. 
556  
557
558
559 \section{\label{GPUgeneralites}NVidia's GPU architecture}
560 GPUs are multi-core, multi-threaded processors, optimized for highly parallel computation. Their design focuses on SIMT model by devoting
561 more transistors to data processing rather than data-caching and flow control \cite{CUDAPG}.
562  
563 For example, Figure \ref{GPUC1060} shows a Tesla C1060  with its 4GB of global memory and 30 SM processors, each including  :
564 \begin{itemize}
565  \item 8 Scalar Processors (SP)
566   \item a Floating Point Unit (FPU)
567   \item a parallel execution unit (SIMT) that runs threads by warps of 32. 
568  \item 16KB of shared memory, organized in 16 banks of 32 bits words
569 \end{itemize}
570 Nvidia uses a parameter called the \emph{compute capability} of each GPU model. Its value is composed of a major number and a minor number ; for example the C1060 is a sm13 GPU (major=1 minor=3) 
571 and C2050 is a sm20 GPU.
572
573 \begin{figure*}[htbp]
574  \centering
575  \includegraphics[width=0.7\linewidth]{./img/GPU_block.png} 
576  \caption{\label{GPUC1060}schematic diagram of GPU's internal architecture}
577 \end{figure*}
578
579 The recent Fermi cards (eg. C2050,) have improved performances by supplying more shared memory in a 32 banks array, a second execution 
580 unit and several managing 
581 capabilities on both the shared memory and level 1 cache memory ( \cite{CUDAPG}, \cite{CUDAFT}, \cite{CUDAFC}. 
582 However, writing efficient code for such architectures is not obvious, as re-serialization must be avoided as much as possible. Thus, when designing, one must 
583 keep a few key points in mind :
584 \begin{itemize}
585  \item CUDA model organizes threads by a) threads blocks in which synchronization is possible, b) a grid of blocks with no possible synchronization
586       between blocks.
587   \item there is no way to know in what order the blocks are to be scheduled during one single kernel execution.
588   \item data must be kept in GPU memory, to reduce the overhead due to copying between CPU and GPU memories.
589   \item the total amount of threads running the same computation must be maximized.
590   \item the number of execution branches inside a block should be reduced as much as possible.
591   \item global memory accesses should be coalescent, \emph{ie}. memory accesses done by physically parallel threads (16 at a time) must be consecutive and contained in a 128 Bytes range.
592   \item shared memory is organized by 16 x 32 bits wide banks. To avoid bank conflicts, each parallel thread (16 at a time) must access a different bank.
593 \end{itemize}
594
595 All the above charasteristics make it always a quite constrained problem to solve when designing a GPU code. 
596 %detailler
597 Moreover, a non suited code would probably run even slower on GPU than on CPU due to the automatic serialization which would be done at run time.
598 %%
599 \section{\label{GPUimplementation}GPU implementation}
600 In the implementation described below, pre-computations and proper segmentation are discussed separately.
601 To keep data in GPU memory, the whole computation is assigned to the GPU. CPU still hosts :
602 \begin{itemize}
603  \item data reading from HDD
604   \item data writing on HDD if needed
605   \item main loops control (corresponding to lines \ref{loopnewnodes} and \ref{loopmovenodes} of Algorithm \ref{cpualgo})
606 \end{itemize}
607
608 It must be noticed that controlling these loops is achieved with only a very small amount of data being transferred between host (CPU) and device (GPU),
609 which does not produce high overhead. \\
610 Morever, the structures described below need 20 Bytes per pixel of the image to process (plus an offset of about 50~MByte). 
611 It defines the maximum image size we can accept : approximately 150 M Pixels.
612
613 \subsection{Pre-computations}
614 To replace 2D sums by 1D sums, Chesnaud \textit{et al.} \cite{ChesnaudRB99}  have shown that the three matrices below should be computed :
615 $$C_1(i,j) = \sum_{k=0}^{k=j} (1+k)$$
616 $$C_z(i,j) = \sum_{k=0}^{k=j} z(i,k)$$ and
617 $$C_{z^2}(i,j) = \sum_{k=0}^{k=j} z^2(i,k)$$
618 Where $z(i,k)$ is the gray level of pixel of coordinate $(i,j)$, so that $C_1$, $C_z$ and $C_{z^2}$ are the same size as image $I$.
619
620 \begin{figure*}[htbp]
621   \centering
622  \resizebox{0.8\linewidth}{0.3\linewidth}{\input{./img/GPUcumuls.pdf_t}}
623   \caption{\label{GPUcumuls}\texttt{compute\_blocks\_prefixes()} details.}
624 \end{figure*}
625
626 \medskip 
627 First, we chose not to generate $C_1(i,j)$, which requires that values should be computed when needed, but saves global memory and does not lead to any overhead.
628 The computation of $C_{z}$ and $C_{z^2}$ easily decomposes into series of  \emph{inclusive prefixsums} \cite{Harris07}.
629 However, by keeping the \emph{1 thread per pixel} rule, as the total number of threads that can be run in a grid cannot exceed $2^{25}$ (Cf. \cite{CUDAPG}),
630 slicing is necessary for images exceeding a size threshold which can vary according to the GPU model (e.g. 33 MPix for sm13 GPU, eg. C1060).
631 It's quite easy to do, but it leads to a small overhead as the process requires multiple calls to one kernel.
632 Slicing can be done in two ways :
633 \begin{itemize}
634  \item all slices are of the same size (balanced)
635   \item slices fit the maximum size allowed by the GPU, leaving one smaller slice at the end of the process (full-sized).
636 \end{itemize}
637 The balanced slice option has proved to run faster.\\
638 For example : if a given image has 9000 lines and the GPU can process up to 4000 lines at a time, it's faster to run 3 times with 3000 lines rather than twice with 
639 4000 and once with 1000. 
640
641 As the sums in $C_z$ and $C_{z^2}$ are row-wide, it is easy to see that every block-wide sum will be needed before being able to use it in the global sum.
642 But as mentioned earlier, the scheduling of blocks must be considered as random.
643 So, in order to ensure synchronizations, each row of the original image is then treated by three different kernels : 
644 \begin{itemize}
645  \item \texttt{compute\_blocks\_prefixes()}.
646   \item \texttt{scan\_blocksums()}.
647   \item \texttt{add\_sums2prefixes()}.   
648 \end{itemize}
649 Figures \ref{GPUcumuls}, \ref{GPUscansomblocs} and \ref{GPUaddsoms2cumuls} show relevant data structures for a given row $i$ of $I$. 
650 We assume that each thread block runs $bs$ threads in parallel and each row of $C_z$ needs $n$ blocks to cover its $L$ pixels.
651
652 Figure \ref{GPUcumuls} shows the details of the process for row $i$ of the original image $I$, already stored in GPU global memory.
653 Operands are first copied into GPU shared memory for efficiency reasons.
654 An inclusive prefixsum is then performed inside each independant thread block. 
655 At this point, only the first shared memory block contains the final values. Its last element contains the sum of all
656 elements in the corresponding block of $I$.
657 In order to obtain the right values for the row $i$ of $C_z$, every element value in the other blocks must then be summed with an offset value. 
658 This offset value is the sum of all element values in every corresponding previous block of row $i$.
659
660 As the scheduling of blocks is fully unpredictable, the necessary intermediate results have to be stored in GPU global memory before exiting from kernel.
661 Each element of the prefixsums in GPU shared memory has been stored in its corresponding position in $C_z$ (GPU global mem),
662 along with the vector of block sums which will be passed later to the next kernel \texttt{scan\_blocksums()}.
663
664 The kernel \texttt{scan\_blocksums()} (Figure \ref{GPUscansomblocs}) only makes an exclusive prefixsum on the vector of block sums described above.
665 The result is a vector containing, at index $x$, the value to be added to every element of block $x$ in each line of $C_z$.
666
667 This summing is done in shared memory by kernel \texttt{add\_sums2prefixes()} as described by Figure \ref{GPUaddsoms2cumuls}.
668
669 The values of $C_{z^2}$ are obtained together with those of $C_{z}$ and in exactly the same way.
670 For publishing reasons, figures do not show the $C_{z^2}$ part of structures. 
671
672
673
674 \begin{figure*}[htbp]
675   \centering
676  \resizebox{0.6\linewidth}{0.2\linewidth}{\input{./img/GPUscansomblocs.pdf_t}}
677   \caption{\label{GPUscansomblocs}\texttt{scan\_blocksums()} details.}
678 \end{figure*}
679
680 \begin{figure*}[htbp]
681   \centering
682  \resizebox{0.7\linewidth}{0.4\linewidth}{\input{./img/GPUaddsoms2cumuls.pdf_t}}
683   \caption{\label{GPUaddsoms2cumuls}\texttt{add\_sums2prefixes()} details.}
684 \end{figure*}
685
686 With this implementation, speedups are quite significant (Table \ref{tabresults}). Moreover, the larger the image, 
687 the higher the speedup is, as the step-complexity of the sequential algorithm is of $O(N^2)$ and  $O(N\log(N))$ for the parallel version.
688 Even higher speedups are achieved by adapting the code to specific-size images, especially when the number of columns is a power of 2. This avoids 
689 inactive threads in the grid, and thus improves efficiency.
690 However, on sm13 GPUs, these computations are made with a 2-way bank conflict as sums are based on 64-bit words, thus creating overhead.
691
692
693 \subsection{Segment contributions}
694 The choice made for this implementation has been to keep the \emph{1 thread per pixel} rule for the main kernels.
695 Of course, some reduction stages need to override this principle and will be pointed out.
696
697 As each of the $N_n$ nodes of the snake $S_{n,l}$ may move to one of the eight neighbor positions as shown in \emph{Figure \ref{GPUtopo}}, 
698 there is $16 N_n$ segments whose contribution has to be estimated.
699 The best combination is then chosen to  obtain $S_{n,l+1}$ (Figure \ref{GPUtopo}).
700 Segment contributions are computed in parallel by kernel \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()}.
701
702 \begin{figure}[h]
703   \centering
704  \resizebox{0.9\linewidth}{0.81\linewidth}{\input{./img/topologie.pdf_t}}
705   \caption{\label{GPUtopo}topology around nodes}
706 \end{figure}
707
708 The grid parameters for this kernel are determined according to the size of the longest segment $npix_{max}$.
709 If $bs_{max}$ is the maximum theoritical blocksize that a GPU can accept,
710 \begin{itemize}
711  \item the block size $bs$ is taken as 
712   \begin{itemize}
713    \item $npix_{max}$'s next power of two if \\${npix_{max} \in [33 ; bs_{max} ] }$
714     \item 32 if ${npix_{max} < 32 }$
715     \item $bs_{max}$ if ${npix_{max} > 256 }$
716   \end{itemize}
717   \item the number of threads blocks assigned to each segment, $N_{TB} = \frac{npix_{max} + bs -1 }{bs}$ 
718 \end{itemize}
719 Our implementation makes intensive use of shared memory and does not allow the use of the maximum theoritical blocksizes 
720 (512 for sm13, 1024 for sm20, see \cite{CUDAFT} and \cite{CUDAPG}).
721 Instead we set $bs_{max}^{sm13} = 256$ and $bs_{max}^{sm20} = 512$. 
722 Anyway, testing has shown that most often, the best value is 256 for both \textit{sm13} and \textit{sm20} GPU's.
723
724 \begin{figure*}[htbp]
725   \centering
726  \resizebox{0.6\linewidth}{0.35\linewidth}{\input{./img/contribs_segments.pdf_t}}
727   \caption{\label{contribs_segments}structure for segments contributions computation. Gray symbols help to locate inactive threads as opposed to black 
728           ones that figure active threads.}
729 \end{figure*}
730
731 Then \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()} computes in parallel :
732 \begin{itemize}
733  \item every pixel coordinates for all $16 N_n$ segments. Since the snake is only read in one direction, we have been able 
734   to use a very simple parallel algorithm instead of Bresenham's.
735 It is based on the slope $k$ of each segment~: one pixel per row if $|k|>1$, one pixel per column otherwise.
736   \item every pixel contribution by reading the corresponding values in the lookup tables.
737   \item every thread blocks sums of individual pixel contributions by running a \textit{reduction} stage for each block.
738 \end{itemize}
739 The top line of Figure \ref{contribs_segments} shows the base data structure in GPU shared memory which is relative to one segment.
740 We concatenate the single segment structure as much as necessary to create a large vector representing every pixel of every test segment.
741 As each segment has a different size (most often different from any power of two), there is a non-neglectable number of inactive threads scattered in the whole structure.
742 Two stages are processed separately : one for all even nodes and another one for odd nodes,
743 as shown in the two bottom lines of Figure \ref{contribs_segments}. 
744
745
746 The process is entirely done in shared memory ; only a small amount of data needs to be stored in global memory for each segment~:
747 \begin{itemize}
748  \item the coordinates of its middle point, in order to be able to add nodes easily if needed.
749   \item the coordinates of its first and last two points, to compute the slope at each end of the segment.
750 \end{itemize}
751 The five values above are part of the weighing coefficients determination for each segment and node.
752
753  The \texttt{GPU\_sum\_contribs()} takes the blocks sums obtained by \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()} and computes a second stage parallel summing to provide 
754 the $16 N_n$ segment contributions.
755
756 \subsection{Segments with a slope $k$ such as $|k|\leq1$}
757 Such a segment is treated with 1 thread per column and consequently, it often has more than one pixel per row as shown by Figure \ref{tripix}.
758 In an image row, consecutive pixels which belong to the target define an interval which can only have one low and one high ends 
759 That's why, on each row, we choose to consider only the contributions of the innermost pixels.
760 This selection is also done inside \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()} when reading the lookup tables for each pixel contribution. 
761 We simply set a null contribution for pixels that need to be ignored.
762 \begin{figure}[h]
763   \centering
764  \resizebox{0.75\linewidth}{0.35\linewidth}{\input{./img/tripix.pdf_t}}
765   \caption{\label{tripix}Zoom on part a of segment with $|k| < 1$,  at pixel level.}
766 \end{figure}
767
768
769 \subsection{Parameters estimation}
770 A \texttt{GPU\_compute\_PLH()} kernel computes in parallel :
771 \begin{itemize}
772  \item every $8N_n$ vector of parameters values corresponding to each possible next state of the snake. Summing is done in shared memory but relevant 
773   data for these operations are stored in global memory.
774   \item every associated pseudo likelihood value.
775   \item node substitutions when better PLH have been found and if it does not lead to segments crossing.
776 \end{itemize}
777
778 \subsection{End of segmentation}
779 Segmentation is considered achieved out when no other node can be added to the snake (Algorithm \ref{gpualgosimple}).
780 A very simple GPU kernel adds every possible node and returns the number it added.
781
782 \begin{algorithm}[h]
783 \label{gpualgosimple}
784 \caption{Parralel GPU algorithm : outlines. \texttt{<<<...>>>} indicates a GPU kernel parallel process.}
785 \SetNlSty{textbf}{}{:}
786   load images\;
787   transfer image from CPU to GPU\;
788   \texttt{<<<}compute the 2 cumulated images\texttt{>>>}\;
789   \texttt{<<<}initialize the snake\texttt{>>>}\;
790   \Repeat(\tcc*[f]{iteration level}){no more node can be added}{
791       \Repeat(\tcc*[f]{step level}){no more node can be moved}{
792           \texttt{<<<}find best neighbor snake\texttt{>>>}\;
793           \texttt{<<<}adjust node's positions\texttt{>>>}\;
794           transfer the number of moves achieved from GPU memory to CPU memory.
795       }
796   \texttt{<<<}Add nodes\texttt{>>>}\;
797   transfert the number of nodes added from GPU memory to CPU memory.
798   }
799 \end{algorithm}
800
801 \section{\label{secSpeedups}Speedups}
802 The CPU (SSE) implementation by N. Bertaux from the PhyTI team, based on \cite{AllainBG08} has been our reference to ensure segmentation's quality and to estimate speedups. 
803 Results are given in Table \ref{tabresults}. 
804 CPU timings were measured on an Intel Xeon E5530-2.4GHz with 12Go RAM (LIFC cluster).
805 GPU timings were obtained on a C2050 GPU with 3GB RAM (adonis-11.grenoble.grid5000.fr).\\
806 Execution times reported are means on ten executions.
807 %Measurements on CPU may vary more than on GPU. So CPU results given in \ref{tabresults} are near the fastest values we observed.
808 The image of figure \ref{fig:labelinit} (scaled down for printing reasons) is a 16-bit gray level photo from PhyTI team,
809 voluntarily noisy for testing reasons. The contrast has been enhanced for better viewing.
810
811 We separately give the timings of pre-computations as they are a very general purpose piece of code.
812 Segmentations have been performed with strictly the same parameters (initial shape, threshold length).
813 The neighborhood distance for the first iteration is 32 pixels. It has a slight influence on the 
814 time process, but it leads to similar speedups values of approximately 7 times faster than CPU.
815
816 Though it does not appear in Table \ref{tabresults}, we observed that during segmentation stage, higher speedups are obtained in the very first iterations, when segments are made of a lot of pixels, leading to a higher parallelism ratio.\\
817 Several parameters prevent from achieving higher speedups~:
818 \begin{itemize}
819  \item accesses in the lookup tables in global memory cannot be coalescent. It would imply that the pixel contributions of a segment are stored in consecutive spaces in $C_z$ and $C_{z^2}$. 
820    This is only the case for horizontal segments.
821   \item the use of 64-bit words for computations in shared memory often leads to 2-way bank conflicts.
822   \item the level of parallelism is not so high, ie. the total number of pixel is not large enough to achieve impressive speedups. For example, on C2050 GPU, a grid can 
823   run about 66 million of threads, but a snake in a 10000 x 10000 image would be less than 0.1 million pixel long.
824 \end{itemize}
825
826
827 % \begin{table}
828 %  \begin{center}
829 % \begin{tabular}{|l| r|r r r|}
830 % \hline
831 % && CPU & GPU & Speedup\\\cline{3-5}
832 % Image 15MP    & \bf total     & \bf0.51 s     &  \bf0.06 s & \bf x8.5 \\
833 %               & pre-comp.     & 0.21 s        &  0.02 s & x10\\
834 %               & segment.      & 0.34 s        &  0.04 s & x8.5\\\hline
835 % Image 100MP   & \bf total     & \bf 4.33 s    &  \bf 0.59 s & \bf x7.3\\
836 %               & pre-comp.     & 1.49 s        &  0.13 s & x11\\
837 %               & segment.      & 2.84 s        &  0.46 s & x6.1\\\hline
838 % Image 150Mp   & \bf total     & \bf 26.4 s    &  \bf 0.79 s & \bf x33\\
839 %               & pre-comp.     & 8.4 s         &  0.20 s & x42\\
840 %               & segment.      & 18.0 s        &  0.59 s & x30\\\hline
841 %  \end{tabular}
842 %  \end{center}
843
844 % \caption{\label{tabresults} GPU (C2050, sm20) vs CPU timings.}
845 % \end{table} 
846
847
848 \begin{table}
849  \begin{center}
850 \begin{tabular}{|l| r|r r r|}
851 \hline
852 && CPU & GPU & Speedup\\\cline{3-5}
853 Image 15MP      & \bf total     & \bf0.51 s     &  \bf0.06 s & \bf x8.5 \\
854                 & pre-comp.     & 0.13 s        &  0.02 s & x6.5\\
855                 & segment.      & 0.46 s        &  0.04 s & x11.5\\\hline
856 Image 100MP     & \bf total     & \bf 4.08 s    &  \bf 0.59 s & \bf x6.9\\
857                 & pre-comp.     & 0.91 s        &  0.13 s & x6.9\\
858                 & segment.      & 3.17 s        &  0.46 s & x6.9\\\hline
859 Image 150Mp     & \bf total     & \bf 5.7 s     &  \bf 0.79 s & \bf x7.2\\
860                 & pre-comp.     & 1.4 s         &  0.20 s & x7.0\\
861                 & segment.      & 4.3 s         &  0.59 s & x7.3\\\hline
862  \end{tabular}
863  \end{center}
864
865 \caption{\label{tabresults} GPU (C2050, sm20) vs CPU timings.}
866 \end{table} 
867
868 \IEEEpeerreviewmaketitle
869
870 \vspace{1cm}
871
872 \section{\label{secConclusion}Conclusion}
873 The algorithm we have focused on is not easy to adapt for high speedups on GPGPU, though we managed to make it work faster than on CPU.
874 The main drawback is clearly its relative low level of parallelism. Nevertheless, we proposed different kernels that allowed us to take advantage of the computation power of  GPUs.
875  In future works, we plan  to try and manage to benefit from larger computing grids of thread blocks. Among the possible solutions, we plan to work on:
876 \begin{itemize}
877   \item slicing the image and proceeding the parts in parallel. This is made possible since sm20 GPU provide multi kernel capabilities.
878   \item slicing the image and proceeding the parts on two different GPUs, hosted by the same CPU. 
879    \item translating the parallelism from pixel level (\emph{1 thread per pixel}) to snake level (\emph{1 thread per snake}), at least during the first iteration, which 
880 is often the longest lasting one. 
881   \item designing an algorithm, in a GPU way of thinking, instead of adapting the existing CPU-designed algorithm to GPU constraints as we did.
882 \end{itemize}
883
884
885 %%RAPH
886 %%Est ce qu'on parle du fait qu'on va également réfléchir à repenser l'algo en gpu?
887
888
889 % trigger a \newpage just before the given reference
890 % number - used to balance the columns on the last page
891 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
892 % the document is modified later
893 %\IEEEtriggeratref{8}
894 % The "triggered" command can be changed if desired:
895 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
896
897 % references section
898
899
900 \bibliographystyle{IEEEtran}
901
902 \bibliography{IEEEabrv,biblio}
903
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