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Soutenance de thèse : Yuhui Bai

Titre de la thèse

Compression temps réel de séquences d'images médicales sur des systèmes embarqués.

Real time medical image compression in embedded System.

Date et lieu de soutenance

Mardi 18 novembre 2014, 10h.

Université Pierre-et-Marie-Curie, 4 Place Jussieu, 75005, Paris - Salle 105, Tour 25/26.

Résumé

Dans le domaine des soins de santé, l'imagerie médicale a rapidement progressé et est aujourd'hui largement utilisés pour le diagnostic médical et le traitement du patient. La santé mobile devient une tendance émergente qui fournit des soins de santé et de diagnostic à distance. De plus, à l'aide des télécommunications, les données médicale incluant l'imagerie médicale et les informations du patient peuvent être facilement et rapidement partagées entre les hôpitaux et les services de soins de santé. En raison de la grande capacité de stockage et de la bande passante de transmission limitée, une technique de compression efficace est nécessaire. En tant que technique de compression d'image certifiée médicale, WAAVES fournit des taux de compression élevé, tout en assurant une qualité d'image exceptionnelle pour le diagnostic médical. Le défi consiste à transmettre à distance l'image médicale de l'appareil mobile au centre de soins de santé via un réseau à faible bande passante. Nos objectifs sont de proposer une solution de compression d'image intégrée à une vitesse de compression de 10 Mo/s, tout en maintenant la qualité de compression.

Nous examinons d'abord l'algorithme WAAVES et évaluons sa complexité logicielle, basée sur un profilage précis du logiciel qui indique un complexité de l'algorithme WAAVES très élevée et très difficile à optimiser de contraintes très sévères en terme de surface, de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. L'un des principaux défis est que les modules Adaptative Scanning et Hierarchical Enumerative Coding de WAAVES prennent plus de 90% du temps d'exécution. Par conséquent, nous avons exploité plusieurs possibilités d'optimisation de l'algorithme WAAVES pour simplifier sa mise en œuvre matérielle. Nous avons proposé des méthodologies de mise en œuvre possible de WAAVES, en premier lieu une mise en œuvre logiciel sur plateforme DSP. En suite, nous avons réalisé notre implémentation matérielle de WAAVES. Comme les FPGAs sont largement utilisés pour le prototypage ou la mise en œuvre de systèmes sur puce pour les applications de traitement du signal, leur capacités de parallélisme massif et la mémoire sur puce abondante permet une mise en œuvre efficace qui est souvent supérieure aux CPUs et DSPs.

Nous avons conçu WAAVES Encoder SoC basé sur un FPGA de Stratix IV de chez Altera, les deux grands blocs coûteux en temps : Adaptative Scanning et Hierarchical Enumerative Coding sont implementés comme des accélérateurs matériels. Nous avons réalisé ces accélérateurs avec deux niveaux d'optimisations différents et les avons intégrés dans notre Encodeur SoC. La mise en œuvre du matériel fonctionnant à 100 MHz fournit des accélérations significatives par rapport aux implémentations logicielles, y compris les implémentations sur ARM Cortex A9, DSP et CPU et peut atteindre une vitesse de codage de 10 Mo/s, ce qui répond bien aux objectifs de notre thèse.

Mots-clefs

WAAVES, Imagerie médicale, Systèmes embarqués, Compression d'image, FPGA, Accélération matérielle.

Abstract

In the field of healthcare, developments in medical imaging are progressing very fast. New technologies have been widely used for the support of patient medical diagnosis and treatment. The mobile healthcare becomes an emerging trend, which provides remote healthcare and diagnostics. By using telecommunication networks and information technology, the medical records including medical imaging and patient's information can be easily and rapidly shared between hospitals and healthcare services. Due to the large storage size and limited transmission bandwidth, an efficient compression technique is necessary. As a medical certificate image compression technique, WAAVES provides high compression ratio while ensuring outstanding image quality for medical diagnosis. The challenge is to remotely transmit the medical image through the mobile device to the healthcare center over a low bandwidth network. Our goal is to propose a high-speed embedded image compression solution, which can provide a compression speed of 10 MB/s while maintaining the equivalent compression quality as its software version.

We first analyzed the WAAVES encoding algorithm and evaluated its software complexity, based on a precise software profiling, we revealed that the complex algorithm in WAAVES makes it difficult to be optimized for certain implementations under very hard constrains, including area, timing and power consumption. One of the key challenges is that the Adaptive Scanning block and Hierarchical Enumerative Coding block in WAAVES take more than 90% of the total execution time. Therefore, we exploited several potentialities of optimizations of the WAAVES algorithm to simplify the hardware implementation. We proposed the methodologies of the possible implementations of WAAVES, which started from the evaluation of software implementation on DSP platforms, following this evaluation we carried out our hardware implementation of WAAVES. Since FPGAs are widely used as prototyping or actual SoC implementation for signal processing applications, their massive parallelism and abundant on-chip memory allow efficient implementation that often rivals CPUs and DSPs.

We designed our WAAVES Encoder SoC based on an Altera's Stratix IV FPGA, the two major time consuming blocks: Adaptive Scanning and Hierarchical Enumerative Coding are designed as IP accelerators. We realized the IPs with two different optimization levels and integrated them into our Encoder SoC. The Hardware implementation running at 100 MHz provides significant speedup compared to the other software implementation including ARM Cortex A9, DSP and CPU and can achieve a coding speed of 10 MB/s that fulfills the goals of our thesis.

Keywords

WAAVES, Medical imaging, embedded System, Image compression, FPGA, Hardware acceleration.

Composition du jury

  • Bertrand GRANADO, professeur des universités, Université Pierre et Marie Curie, Directeur de thèse
  • Olivier ROMAIN, professeur des universités, Université Cergy Pontoise, Examinateur
  • Jean-François NEZAN, professeur des universités, INSA, Rapporteur
  • Roberto SARMIENTO, professeur des universités, University of Las Palmas de Gran Canaria, Rapporteur
  • Sylvain HOCHBERG, Industriel, Société CIRA, Examinateur

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