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Private GIT Repository
lecture ch 1 à 3 27nov
[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
39
40 %% Retain all contribution notices and credits.
41 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
42 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
43 %%
44 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
45 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
46 %%*************************************************************************
47
48 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
49 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
50 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
51 % *** not appear when using other class files.                            ***
52 % The testflow support page is at:
53 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
54
55
56
57 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
58 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
59 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
60 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
61 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
62 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
63 %
64 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
65 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
66 % draft mode.
67 %
68 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
69 % Add the compsocconf option for Computer Society conferences.
70 %
71 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
72 % manually specify the path to it like:
73 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
74
75
76 %  \usepackage[latin1]{inputenc}
77 %  \usepackage[cyr]{aeguill}
78 %  \usepackage[francais]{babel}
79
80
81 % Some very useful LaTeX packages include:
82 % (uncomment the ones you want to load)
83
84
85 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
86 %
87 %\usepackage{ifpdf}
88 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
89 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
90 % usage:
91 % \ifpdf
92 %   % pdf code
93 % \else
94 %   % dvi code
95 % \fi
96 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
97 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
98 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
99 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
100 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
101 % have to be run twice to clear warning/error messages.
102
103
104
105
106
107
108 % *** CITATION PACKAGES ***
109 %
110 \usepackage{cite}
111 % cite.sty was written by Donald Arseneau
112 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
113 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
114 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
115 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
116 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
117 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
118 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
119 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
120 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
121 % not currently provide for hyperlinked citations.
122 % The latest version can be obtained at:
123 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
124 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
125
126
127
128
129
130
131 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
132 %
133 \ifCLASSINFOpdf
134   \usepackage[pdftex]{graphicx,color}
135   % declare the path(s) where your graphic files are
136   \graphicspath{{img/}}
137   % and their extensions so you won't have to specify these with
138   % every instance of \includegraphics
139   \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
140 \else
141   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
142   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
143   % driver is specified.
144   % \usepackage[dvips]{graphicx}
145   % declare the path(s) where your graphic files are
146   % \graphicspath{{../eps/}}
147   % and their extensions so you won't have to specify these with
148   % every instance of \includegraphics
149   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
150 \fi
151 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
152 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
153 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
154 % be obtained at: 
155 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
156 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
157 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
158 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
159 %
160 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
161 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
162 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
163 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
164 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
165 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
166 % well as large increases in file sizes.
167 %
168 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
169 % http://www.tug.org/applications/pdftex
170
171
172
173
174
175 % *** MATH PACKAGES ***
176 %
177 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
178 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
179 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
180 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
181 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
182 % it is possible that some math symbols, particularly those within
183 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
184 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
185 %
186 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
187 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
188 %\interdisplaylinepenalty=2500
189 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
190 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
191 % version and documentation can be obtained at:
192 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
193
194
195
196
197
198 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
199 %
200 \usepackage[ruled,lined,linesnumbered]{algorithm2e}
201 %\usepackage{algorithmic}
202 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
203 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
204 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
205 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
206 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
207 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
208 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
209 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
210 % algorithmic.sty can be obtained at:
211 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
212 % There is also a support site at:
213 % http://algorithms.berlios.de/index.html
214 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
215 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
216 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
217
218
219
220
221 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
222 %
223 \usepackage{array}
224 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
225 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
226 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
227 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
228 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
229 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
230 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
231 % latest version and documentation can be obtained at:
232 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
233
234
235 \usepackage{mdwmath}
236 \usepackage{mdwtab}
237 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
238 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
239 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
240 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
241 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
242
243
244 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
245 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
246 % quality.
247
248
249 %\usepackage{eqparbox}
250 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
251 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
252 % Available at:
253 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
254
255
256
257
258
259 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
260 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
261 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
262 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
263 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
264 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
265 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
266 % be obtained at:
267 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
268 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
269
270
271
272 %\usepackage[caption=false]{caption}
273 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
274 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
275 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
276 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
277 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
278 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
279 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
280 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
281 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
282 % the caption=false option directly:
283 \usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
284 %
285 % The latest version and documentation can be obtained at:
286 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
287 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
288 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
289
290
291
292
293 % *** FLOAT PACKAGES ***
294 %
295 \usepackage{fixltx2e}
296 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
297 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
298 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
299 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
300 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
301 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
302 % figure. The latest version and documentation can be found at:
303 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
304
305
306
307 %\usepackage{stfloats}
308 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
309 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
310 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
311 % LaTeX2e). It also provides a command:
312 %\fnbelowfloat
313 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
314 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
315 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
316 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
317 % version and documentation can be obtained at:
318 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
319 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
320 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
321 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
322 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
323 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
324 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
325 % not format its papers in such ways.
326
327
328
329 % correct bad hyphenation here
330 % \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
331
332
333 \begin{document}
334 %
335 % paper title
336 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
337 \title{GPU implementation of a region based algorithm \\ for large images segmentation}
338
339
340 % author names and affiliations
341 % use a multiple column layout for up to two different
342 % affiliations
343
344 \author{
345 \IEEEauthorblockN{Gilles Perrot, St\'{e}phane Domas, Rapha\"{e}l Couturier}
346 \IEEEauthorblockA{Distributed Numerical Algorithmics team (AND), Laboratoire d'Informatique de Franche-comt\'{e}\\
347 Rue Engel Gros, 90000 Belfort, France\\
348 forename.name@univ-fcomte.fr}
349 }
350
351
352
353 % use for special paper notices
354 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
355
356
357
358
359 % make the title area
360 \maketitle
361
362 \begin{abstract}
363 Image segmentation is one of the most challenging issues in image computing.
364 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
365 applications. Some algorithmic optimizations provide significant speedups, but even so, execution times are still non-neglectable  
366 with the continuing increase of image sizes. Moreover, these algorithms are not well suited for running on multi-core CPU's.
367 At the same time, recent developments of Graphical Processing Units (GPU) suggest that higher speedups could be obtained 
368 by use of their specific design. We have managed to adapt a specially efficient snake algorithm that fits recent Nvidia GPU architecture 
369 and takes advantage of its massive multithreaded execution capabilities. The speedup obtained is most often around 7.
370 \end{abstract}
371
372 \begin{IEEEkeywords}
373  GPU; segmentation; snake;
374 \end{IEEEkeywords}
375
376 \section{Introduction}
377 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.
378 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. 
379
380 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 
381 more accurate segmentation of non convex shapes \cite{Ruch01} \cite{XuP98}. 
382
383 The information that drives a snake model comes either from the contour itself or from the characteristics of the regions it defines. 
384 For noisy images, the second option is often more suitable as it takes into account the statistical fluctuations of the pixels. 
385 One approach \cite{ChesnaudRB99,AllainBG08} proposes a geometric (polygonal) region-based snake driven by the minimization of the stochastic complexity. One significant
386 advantage is that it runs without any free parameter which can be helpful when dealing with image sequences or slices (3D).
387
388 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, 
389 although quite impressive, has not been able to fulfill the combined needs of growing resolution and real-time computation.
390 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 
391 (General Purpose Graphic Processing Units) currently benefit by a massively parallel architecture for general purpose programming, especially when dealing with large matrices 
392 or vectors. On the other hand, their specific design obviously imposes a number of limitations and constraints. 
393 Some implementations of parametric snakes have already been tested,  such as \cite{Brunett}. However, a similar solution (computation per small tile)
394 is not suited for the algorithm we have implemented.
395
396 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 
397 to the Nvidia$^{\textcopyright}$ Tesla GPU architecture.
398 The remainder of this paper presents the principles of the algorithm and notations in section \ref{secCPUalgooutlines}. In section \ref{secCPUalgodetails}, the details of
399 the sequential CPU implementation are explained. Section \ref{GPUgeneralites} summarizes Nvidia's GPU 
400 important characteristics and how to deal with them efficiently. Then sections \ref{GPUimplementation} and \ref{secSpeedups} detail our GPU implementation and timing results. 
401 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.
402  
403
404
405 \section{\label{secCPUalgooutlines}Sequential algorithm : outlines} 
406 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
407 $B$. The size of $I$ is L x H pixels of coordinates $(i,j)$ and gray level $z(i,j)$.
408 We assume that the gray levels of $T$ and $B$ are independent random vectors, each with a distribution $p^{\Omega}$ of its components $(\Omega \in \{T ; B\})$. 
409 The present implementation uses a Gaussian distribution, but another one can easily be used as Gamma, Poisson,...(Cf. \cite{ChesnaudRB99})\dots 
410
411 The \textit{active contour} $S$, which represents the shape of $T$ is chosen as polygonal.
412 The purpose of the segmentation is then to determine the shape that optimizes a pseudo log-likelihood-based criterion (PLH).
413 This is done by a very simple iterative process which is initialized with an arbitrary shape, then at each step :
414 \begin{enumerate}
415   \item it modifies the shape
416   \item it estimates the parameters of the Gaussian functions for the two regions and evaluates the criterion.
417   \item it validates the new shape if the criterion has a better value.
418 \end{enumerate}
419 A simplified description of it is given in \emph{Algorithm \ref{cpualgosimple}} which features two nested loops : the main one, on iteration level, is 
420 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.
421 \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}}
422  shows the best four-node shape that ends
423 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) 
424 which occurs at the end of the second  iteration (resp. fourth). 
425
426 \begin{algorithm}[h]
427 \label{cpualgosimple}
428 \caption{Sequential algorithm : outlines}
429 \SetNlSty{textbf}{}{:}
430
431   %compute\_cumulated\_images()\;
432   begin with a rectangular 4 nodes snake\;
433   \Repeat(\tcc*[f]{iteration level}){no more node can be added}{
434       \Repeat(\tcc*[f]{step level}){no more node can be moved}{
435           Test some other positions for each node, near its current position\;
436           Find the best PLH and adjust the node's position\;
437       }
438   Add a node in the middle of each \emph{long enough} segment\;
439   }
440 \end{algorithm}
441
442
443 \begin{figure}[h]
444  \centering
445 \subfloat[Initial snake ]{\label{fig:labelinit} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_init.jpg}}\qquad
446 \subfloat[End of first iteration (4 nodes) ]{\label{fig:labelit1} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_it1.jpg}}\\
447 \subfloat[End of second iteration (8 nodes)]{\label{fig:labelit2} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_it2.jpg}}\qquad
448 \subfloat[End of fourth iteration (29 nodes)]{\label{fig:labelit4} \includegraphics[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_petit_it4.jpg}}
449 %\subfloat[width=0.4\linewidth]{./img/cochon_b_entier.jpg}
450  % cochon_b_entier.jpg: 3960x2970 pixel, 72dpi, 139.70x104.78 cm, bb=0 0 3960 2970
451  \caption{segmentation of a noisy image}
452   \label{images_algo}
453 \end{figure}
454
455
456
457 \section{\label{secCPUalgodetails}Sequential algorithm : details}
458 \subsection{Criterion}
459 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 
460 $$
461 \widehat{\Theta_{\Omega}} \left(
462 \begin{array}{l}
463 \widehat{\mu} = \frac{1}{N_{\Omega}} \displaystyle\sum_{(i,j)\in \Omega} z(i,j) \\
464 \widehat{\sigma^2} = \frac{1}{N_{\Omega}} \displaystyle\sum_{(i,j)\in \Omega} z^2(i,j) - \mu^2 \\
465   \end{array}
466 \right.
467 $$
468 The likelihood of a region is given by
469 $$ P[I|S_{n,l}, \Theta_T, \Theta_B] = P(\chi_T | \Theta_T)P(\chi_B | \Theta_B)$$ 
470 where
471 $$P(\chi_{\Omega} | \Theta_{\Omega}) = \prod_{(i,j)\in \Omega} p^{\Omega}[z(i,j)] ~~~~(\Omega \in \{T ; B\})$$ 
472 And then the log-likelihood by 
473 $$-N_{\Omega}\log\left(\sqrt{2\pi}\right) -N_{\Omega}.log\left(\sigma\right) - \frac{1}{2\sigma^2}\sum_{(i,j)\in \Omega} \left( z(i,j)-\mu \right)^2 $$
474 Considering the two regions, the criterion to be optimized is then :
475 $$C = \frac{1}{2}\left( N_B\log\left(\widehat{\sigma_B}^2\right) + N_T\log\left(\widehat{\sigma_T}^2\right)\right)$$ 
476
477 \subsection{CPU implementation}
478 Let $S_{n,l}$ be the snake state at step $l$ of iteration $n$, and $S_{n,l}^i$ the node $i$ of $S_{n,l}$ ($i \in [0;N_n]$).
479 Each segment of $S_{n,l}$ is considered as an oriented list of discrete points.
480 Chesnaud \& Refregier \cite{ChesnaudRB99} have shown how to replace the 2 dimensions sums needed to estimate $\Theta_{\Omega}$ by 1 dimension sums along $S_{n,l}$.
481 However, this approach involves weighting coefficients for every single point of $S_{n,l}$ which leads to compute a pair of transformed images, at the very 
482 beginning of the process. Such images are called cumulated images and will be used as lookup tables.
483 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.
484
485 A more detailed description of the sequential algorithm is given by \emph{Algorithm \ref{cpualgo}}. 
486 The process starts with the computation of cumulated images ; an initialization stage  takes place from line \ref{debinit} to line \ref{fininit}. 
487 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
488 the main part of the calculations to be done :
489 \begin{enumerate}
490  \item compute the various sums without the contributions of both segments connected to current node  $S_{n,l}^i$.
491   \item \label{CPUcontrib_segments} compute the contributions of both segments, which requires :
492   \begin{itemize}
493    \item \label{CPUbresenham} To determine the coordinates of every discrete pixel of both segments connected to $S_{n,l}^{i,w}$.
494     \item \label{CPUcontrib_pixels} To compute every pixel contribution.
495     \item To sum pixel contributions to obtain segment contributions.
496   \end{itemize}
497    \item compute the PLH given the contribution of each segment of the tested snake.
498 \end{enumerate}
499
500 \begin{algorithm}[h]
501 \SetNlSty{textbf}{}{:}
502 \caption{Sequential simplified algorithm} 
503 \label{cpualgo}
504    read image from HDD\;
505    compute\_cumulated\_images()\label{cumuls}\;
506    iteration $n \leftarrow 0$\label{debinit}\;
507    $N_0 \leftarrow 4$\;
508    $S_{n,l} \leftarrow S_{0,0}$\;
509    step $d \leftarrow d_{max} = 2^q$\;
510    current node $S_{0,0}^i \leftarrow S_{0,0}^0$\;
511    $l \leftarrow 0$\;
512    compute $PLH_{ref}$, the PLH of $S_{n,0}$\label{fininit}\;
513   \Repeat(\tcc*[f]{iteration level}){no new node added}{\label{loopnewnodes}
514     \Repeat(\tcc*[f]{step level}){no node move occured}{\label{loopmovenodes}
515       \For{$i=0$ to $N_n$}{
516         $S_{n,l}^{i,w}$ ($w \in [0;7]$) are the neighbors of $S_{n,l}^i$ by distance $d$\;
517         \For{$w=0$ to $7$}{
518           compute $PLH_w$ for $S_{n,l}$ when $S_{n,l}^{i,w}$ replaces $S_{n,l}^i$ \label{kernelPLH}\;
519           \lIf{$PLH_w$ is better than $PLH_{ref}$}{
520             $PLH_{ref} \leftarrow PLH_w$\;
521             move node $S_{n,l}^i \leftarrow S_{n,l}^{i,w}$\;
522           }
523         }
524       }
525      $l \leftarrow l+1$\;
526    }
527     add new nodes, $N_n \leftarrow N_n + N_{newnodes}$\;
528    \lIf{$d > 1$}{ $d \leftarrow d/2$ } \lElse{ $d=1$ }\;
529     $n \leftarrow n+1$\;
530     compute $PLH_{ref}$, the PLH of $S_{n,0}$ \;
531   }
532 \end{algorithm}
533
534
535
536 The profiling results of the CPU implementation shown in \emph{Figure \ref{CPUprofile}} display the relative costs of the most time-consumming functions.
537 It appears that more than 80\% of the total execution time is always spent by only three functions~:
538 \begin{itemize}
539  \item \texttt{compute\_segment\_contribution()} which is responsible for point \ref{CPUcontrib_segments} above,
540   \item \texttt{compute\_cumulated\_images()} which computes the 3 lookup tables at the very beginning,
541   \item \texttt{compute\_pixels\_coordinate()} which is called by \texttt{compute\_segment\_contribution()}.
542 \end{itemize}
543
544 \begin{figure}[h]
545  \centering
546  \includegraphics[width=0.9\linewidth, height=0.5\linewidth]{./img/data_profile_cpu.png}
547  \caption{\label{CPUprofile}the three most-consumming functions for various image sizes}
548 \end{figure}
549
550 Measurements have been performed for several image sizes from 15~MPixels (about 3900 x 3900) 
551 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 
552 more when the image gets larger. 
553 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\%.
554 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.
555
556 The following sections detail how we managed to implement these time-consumming functions in parallel, but
557 a brief reminder on GPU's recent architecture is presented first. 
558  
559
560
561 \section{\label{GPUgeneralites}NVidia's GPU architecture}
562 GPUs are multi-core, multi-threaded processors, optimized for highly parallel computation. Their design focuses on SIMT model by devoting
563 more transistors to data processing rather than data-caching and flow control \cite{CUDAPG}.
564  
565 For example, Figure \ref{GPUC1060} shows a Tesla C1060  with its 4GB of global memory and 30 SM processors, each including  :
566 \begin{itemize}
567  \item 8 Scalar Processors (SP)
568   \item a Floating Point Unit (FPU)
569   \item a parallel execution unit (SIMT) that runs threads by warps of 32. 
570  \item 16KB of shared memory, organized in 16 banks of 32 bits words
571 \end{itemize}
572 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) 
573 and C2050 is a sm20 GPU.
574
575 \begin{figure*}[htbp]
576  \centering
577  \includegraphics[width=0.7\linewidth]{./img/GPU_block.png} 
578  \caption{\label{GPUC1060}schematic diagram of GPU's internal architecture}
579 \end{figure*}
580
581 The recent Fermi cards (eg. C2050,) have improved performances by supplying more shared memory in a 32 banks array, a second execution 
582 unit and several managing 
583 capabilities on both the shared memory and level 1 cache memory ( \cite{CUDAPG}, \cite{CUDAFT}, \cite{CUDAFC}. 
584 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 
585 keep a few key points in mind :
586 \begin{itemize}
587  \item CUDA model organizes threads by a) threads blocks in which synchronization is possible, b) a grid of blocks with no possible synchronization
588       between blocks.
589   \item there is no way to know in what order the blocks are to be scheduled during one single kernel execution.
590   \item data must be kept in GPU memory, to reduce the overhead due to copying between CPU and GPU memories.
591   \item the total amount of threads running the same computation must be maximized.
592   \item the number of execution branches inside a block should be reduced as much as possible.
593   \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.
594   \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.
595 \end{itemize}
596
597 All the above charasteristics make it always a quite constrained problem to solve when designing a GPU code. 
598 %detailler
599 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.
600 %%
601 \section{\label{GPUimplementation}GPU implementation}
602 In the implementation described below, pre-computations and proper segmentation are discussed separately.
603 To keep data in GPU memory, the whole computation is assigned to the GPU. CPU still hosts :
604 \begin{itemize}
605  \item data reading from HDD
606   \item data writing on HDD if needed
607   \item main loops control (corresponding to lines \ref{loopnewnodes} and \ref{loopmovenodes} of Algorithm \ref{cpualgo})
608 \end{itemize}
609
610 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),
611 which does not produce high overhead. \\
612 Morever, the structures described below need 20 Bytes per pixel of the image to process (plus an offset of about 50~MByte). 
613 It defines the maximum image size we can accept : approximately 150 M Pixels.
614
615 \subsection{Pre-computations}
616 To replace 2D sums by 1D sums, Chesnaud \textit{et al.} \cite{ChesnaudRB99}  have shown that the three matrices below should be computed :
617 $$C_1(i,j) = \sum_{k=0}^{k=j} (1+k)$$
618 $$C_z(i,j) = \sum_{k=0}^{k=j} z(i,k)$$ and
619 $$C_{z^2}(i,j) = \sum_{k=0}^{k=j} z^2(i,k)$$
620 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 $I$.
621
622 \begin{figure*}[htbp]
623   \centering
624  \resizebox{0.8\linewidth}{0.3\linewidth}{\input{./img/GPUcumuls.pdf_t}}
625   \caption{\label{GPUcumuls}\texttt{compute\_blocks\_prefixes()} details.}
626 \end{figure*}
627
628 \medskip 
629 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.
630 The computation of $C_{z}$ and $C_{z^2}$ easily decomposes into series of  \emph{inclusive prefixsums} \cite{Harris07}.
631 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}),
632 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).
633 It's quite easy to do, but it leads to a small overhead as the process requires multiple calls to one kernel.
634 Slicing can be done in two ways :
635 \begin{itemize}
636  \item all slices are of the same size (balanced)
637   \item slices fit the maximum size allowed by the GPU, leaving one smaller slice at the end of the process (full-sized).
638 \end{itemize}
639 The balanced slice option has proved to run faster.\\
640 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 
641 4000 and once with 1000. 
642
643 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.
644 But as mentioned earlier, the scheduling of blocks must be considered as random.
645 So, in order to ensure synchronizations, each row of the original image is then treated by three different kernels : 
646 \begin{itemize}
647  \item \texttt{compute\_blocks\_prefixes()}.
648   \item \texttt{scan\_blocksums()}.
649   \item \texttt{add\_sums2prefixes()}.   
650 \end{itemize}
651 Figures \ref{GPUcumuls}, \ref{GPUscansomblocs} and \ref{GPUaddsoms2cumuls} show relevant data structures for a given row $i$ of $I$. 
652 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.
653
654 Figure \ref{GPUcumuls} shows the details of the process for row $i$ of the original image $I$, already stored in GPU global memory.
655 Operands are first copied into GPU shared memory for efficiency reasons.
656 An inclusive prefixsum is then performed inside each independant thread block. 
657 At this point, only the first shared memory block contains the final values. Its last element contains the sum of all
658 elements in the corresponding block of $I$.
659 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. 
660 This offset value is the sum of all element values in every corresponding previous block of row $i$.
661
662 As the scheduling of blocks is fully unpredictable, the necessary intermediate results have to be stored in GPU global memory before exiting from kernel.
663 Each element of the prefixsums in GPU shared memory has been stored in its corresponding position in $C_z$ (GPU global mem),
664 along with the vector of block sums which will be passed later to the next kernel \texttt{scan\_blocksums()}.
665
666 The kernel \texttt{scan\_blocksums()} (Figure \ref{GPUscansomblocs}) only makes an exclusive prefixsum on the vector of block sums described above.
667 The result is a vector containing, at index $x$, the value to be added to every element of block $x$ in each line of $C_z$.
668
669 This summing is done in shared memory by kernel \texttt{add\_sums2prefixes()} as described by Figure \ref{GPUaddsoms2cumuls}.
670
671 The values of $C_{z^2}$ are obtained together with those of $C_{z}$ and in exactly the same way.
672 For publishing reasons, figures do not show the $C_{z^2}$ part of structures. 
673
674
675
676 \begin{figure*}[htbp]
677   \centering
678  \resizebox{0.6\linewidth}{0.2\linewidth}{\input{./img/GPUscansomblocs.pdf_t}}
679   \caption{\label{GPUscansomblocs}\texttt{scan\_blocksums()} details.}
680 \end{figure*}
681
682 \begin{figure*}[htbp]
683   \centering
684  \resizebox{0.7\linewidth}{0.4\linewidth}{\input{./img/GPUaddsoms2cumuls.pdf_t}}
685   \caption{\label{GPUaddsoms2cumuls}\texttt{add\_sums2prefixes()} details.}
686 \end{figure*}
687
688 With this implementation, speedups are quite significant (Table \ref{tabresults}). Moreover, the larger the image, 
689 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.
690 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 
691 inactive threads in the grid, and thus improves efficiency.
692 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.
693
694
695 \subsection{Segment contributions}
696 The choice made for this implementation has been to keep the \emph{1 thread per pixel} rule for the main kernels.
697 Of course, some reduction stages need to override this principle and will be pointed out.
698
699 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}}, 
700 there is $16 N_n$ segments whose contribution has to be estimated.
701 The best combination is then chosen to  obtain $S_{n,l+1}$ (Figure \ref{GPUtopo}).
702 Segment contributions are computed in parallel by kernel \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()}.
703
704 \begin{figure}[h]
705   \centering
706  \resizebox{0.9\linewidth}{0.81\linewidth}{\input{./img/topologie.pdf_t}}
707   \caption{\label{GPUtopo}topology around nodes}
708 \end{figure}
709
710 The grid parameters for this kernel are determined according to the size of the longest segment $npix_{max}$.
711 If $bs_{max}$ is the maximum theoritical blocksize that a GPU can accept,
712 \begin{itemize}
713  \item the block size $bs$ is taken as 
714   \begin{itemize}
715    \item $npix_{max}$'s next power of two if \\${npix_{max} \in [33 ; bs_{max} ] }$
716     \item 32 if ${npix_{max} < 32 }$
717     \item $bs_{max}$ if ${npix_{max} > 256 }$
718   \end{itemize}
719   \item the number of threads blocks assigned to each segment, $N_{TB} = \frac{npix_{max} + bs -1 }{bs}$ 
720 \end{itemize}
721 Our implementation makes intensive use of shared memory and does not allow the use of the maximum theoritical blocksizes 
722 (512 for sm13, 1024 for sm20, see \cite{CUDAFT} and \cite{CUDAPG}).
723 Instead we set $bs_{max}^{sm13} = 256$ and $bs_{max}^{sm20} = 512$. 
724 Anyway, testing has shown that most often, the best value is 256 for both \textit{sm13} and \textit{sm20} GPU's.
725
726 \begin{figure*}[htbp]
727   \centering
728  \resizebox{0.6\linewidth}{0.35\linewidth}{\input{./img/contribs_segments.pdf_t}}
729   \caption{\label{contribs_segments}structure for segments contributions computation. Gray symbols help to locate inactive threads as opposed to black 
730           ones that figure active threads.}
731 \end{figure*}
732
733 Then \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()} computes in parallel :
734 \begin{itemize}
735  \item each pixel coordinates for all $16 N_n$ segments. Since the snake is only read in one direction, we have been able 
736   to use a very simple parallel algorithm instead of Bresenham's.
737 It is based on the slope $k$ of each segment~: one pixel per row if $|k|>1$, one pixel per column otherwise.
738   \item each pixel contribution by reading the corresponding values in the lookup tables.
739   \item each thread-block sum of individual pixel contributions by running a \textit{reduction} stage for each block.
740 \end{itemize}
741 The top line of Figure \ref{contribs_segments} shows the base data structure in GPU shared memory which is relative to one segment.
742 We concatenate the single segment structure as much as necessary to create a large vector representing every pixel of every test segment.
743 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.
744 Two stages are processed separately : one for all even nodes and another one for odd nodes,
745 as shown in the two bottom lines of Figure \ref{contribs_segments}. 
746
747
748 The process is entirely done in shared memory ; only a small amount of data needs to be stored in global memory for each segment~:
749 \begin{itemize}
750  \item the coordinates of its middle point, in order to be able to add nodes easily if needed.
751   \item the coordinates of its first and last two points, to compute the slope at each end of the segment.
752 \end{itemize}
753 The five values above are part of the weighting coefficients determination for each segment and node.
754
755  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 
756 the $16 N_n$ segment contributions.
757
758 \subsection{Segments with a slope $k$ such as $|k|\leq1$}
759 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}.
760 In an image row, consecutive pixels which belong to the target define an interval which can only have one low and one high ends 
761 That's why, on each row, we choose to consider only the contributions of the innermost pixels.
762 This selection is also done inside \texttt{GPU\_compute\_segments\_contrib()} when reading the lookup tables for each pixel contribution. 
763 We simply set a null contribution for pixels that need to be ignored.
764 \begin{figure}[h]
765   \centering
766  \resizebox{0.75\linewidth}{0.35\linewidth}{\input{./img/tripix.pdf_t}}
767   \caption{\label{tripix}Zoom on part a of segment with $|k| < 1$,  at pixel level.}
768 \end{figure}
769
770
771 \subsection{Parameters estimation}
772 A \texttt{GPU\_compute\_PLH()} kernel computes in parallel :
773 \begin{itemize}
774  \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 
775   data for these operations are stored in global memory.
776   \item every associated pseudo likelihood value.
777   \item every node substitution when better PLH have been found and if it does not lead to segments crossing.
778 \end{itemize}
779
780 \subsection{End of segmentation}
781 Segmentation is considered achieved out when no other node can be added to the snake (Algorithm \ref{gpualgosimple}).
782 A very simple GPU kernel adds every possible node and returns the number it added.
783
784 \begin{algorithm}[h]
785 \label{gpualgosimple}
786 \caption{Parralel GPU algorithm : outlines. \texttt{<<<...>>>} indicates a GPU kernel parallel process.}
787 \SetNlSty{textbf}{}{:}
788   load images\;
789   transfer image from CPU to GPU\;
790   \texttt{<<<}compute the 2 cumulated images\texttt{>>>}\;
791   \texttt{<<<}initialize the snake\texttt{>>>}\;
792   \Repeat(\tcc*[f]{iteration level}){no more node can be added}{
793       \Repeat(\tcc*[f]{step level}){no more node can be moved}{
794           \texttt{<<<}find best neighbor snake\texttt{>>>}\;
795           \texttt{<<<}adjust node's positions\texttt{>>>}\;
796           transfer the number of moves achieved from GPU memory to CPU memory.
797       }
798   \texttt{<<<}Add nodes\texttt{>>>}\;
799   transfert the number of nodes added from GPU memory to CPU memory.
800   }
801 \end{algorithm}
802
803 \section{\label{secSpeedups}Speedups}
804 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. 
805 Results are given in Table \ref{tabresults}. 
806 CPU timings were measured on an Intel Xeon E5530-2.4GHz with 12Go RAM (LIFC cluster).
807 GPU timings were obtained on a C2050 GPU with 3GB RAM (adonis-11.grenoble.grid5000.fr).\\
808 Execution times reported are means on ten executions.
809 %Measurements on CPU may vary more than on GPU. So CPU results given in \ref{tabresults} are near the fastest values we observed.
810 The image of figure \ref{fig:labelinit} (scaled down for printing reasons) is a 16-bit gray level photo from PhyTI team,
811 voluntarily noisy for testing reasons. The contrast has been enhanced for better viewing.
812
813 We separately give the timings of pre-computations as they are a very general purpose piece of code.
814 Segmentations have been performed with strictly the same parameters (initial shape, threshold length).
815 The neighborhood distance for the first iteration is 32 pixels. It has a slight influence on the 
816 time process, but it leads to similar speedups values of approximately 7 times faster than CPU.
817
818 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.\\
819 Several parameters prevent from achieving higher speedups~:
820 \begin{itemize}
821  \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 $C_{z^2}$. 
822    This is only the case for horizontal segments.
823   \item the use of 64-bit words for computations in shared memory often leads to 2-way bank conflicts.
824   \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 
825   run about 66 million of threads, but a snake in a 10000 x 10000 image would be less than 0.1 million pixel long.
826 \end{itemize}
827
828
829 % \begin{table}
830 %  \begin{center}
831 % \begin{tabular}{|l| r|r r r|}
832 % \hline
833 % && CPU & GPU & Speedup\\\cline{3-5}
834 % Image 15MP    & \bf total     & \bf0.51 s     &  \bf0.06 s & \bf x8.5 \\
835 %               & pre-comp.     & 0.21 s        &  0.02 s & x10\\
836 %               & segment.      & 0.34 s        &  0.04 s & x8.5\\\hline
837 % Image 100MP   & \bf total     & \bf 4.33 s    &  \bf 0.59 s & \bf x7.3\\
838 %               & pre-comp.     & 1.49 s        &  0.13 s & x11\\
839 %               & segment.      & 2.84 s        &  0.46 s & x6.1\\\hline
840 % Image 150Mp   & \bf total     & \bf 26.4 s    &  \bf 0.79 s & \bf x33\\
841 %               & pre-comp.     & 8.4 s         &  0.20 s & x42\\
842 %               & segment.      & 18.0 s        &  0.59 s & x30\\\hline
843 %  \end{tabular}
844 %  \end{center}
845
846 % \caption{\label{tabresults} GPU (C2050, sm20) vs CPU timings.}
847 % \end{table} 
848
849
850 \begin{table}
851  \begin{center}
852 \begin{tabular}{|l| r|r r r|}
853 \hline
854 && CPU & GPU & Speedup\\\cline{3-5}
855 Image 15MP      & \bf total     & \bf0.51 s     &  \bf0.06 s & \bf x8.5 \\
856                 & pre-comp.     & 0.13 s        &  0.02 s & x6.5\\
857                 & segment.      & 0.46 s        &  0.04 s & x11.5\\\hline
858 Image 100MP     & \bf total     & \bf 4.08 s    &  \bf 0.59 s & \bf x6.9\\
859                 & pre-comp.     & 0.91 s        &  0.13 s & x6.9\\
860                 & segment.      & 3.17 s        &  0.46 s & x6.9\\\hline
861 Image 150Mp     & \bf total     & \bf 5.7 s     &  \bf 0.79 s & \bf x7.2\\
862                 & pre-comp.     & 1.4 s         &  0.20 s & x7.0\\
863                 & segment.      & 4.3 s         &  0.59 s & x7.3\\\hline
864  \end{tabular}
865  \end{center}
866
867 \caption{\label{tabresults} GPU (C2050, sm20) vs CPU timings.}
868 \end{table} 
869
870 \IEEEpeerreviewmaketitle
871
872 \vspace{1cm}
873
874 \section{\label{secConclusion}Conclusion}
875 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.
876 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.
877  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:
878 \begin{itemize}
879   \item slicing the image and proceeding the parts in parallel. This is made possible since sm20 GPU provide multi kernel capabilities.
880   \item slicing the image and proceeding the parts on two different GPUs, hosted by the same CPU. 
881    \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 
882 is often the longest lasting one. 
883   \item designing an algorithm, in a GPU way of thinking, instead of adapting the existing CPU-designed algorithm to GPU constraints as we did.
884 \end{itemize}
885
886
887 %%RAPH
888 %%Est ce qu'on parle du fait qu'on va également réfléchir à repenser l'algo en gpu?
889
890
891 % trigger a \newpage just before the given reference
892 % number - used to balance the columns on the last page
893 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
894 % the document is modified later
895 %\IEEEtriggeratref{8}
896 % The "triggered" command can be changed if desired:
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905
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