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EnergyAware Time Change Detec4on Using Synthe4c Aperture Radar On HighPerformance Heterogeneous Architectures: A DDDAS Approach Sanjay Ranka (PI) Sartaj Sahni (CoPI) Mark Schmalz (CoPI) University of Florida Department of CISE Gainesville, FL 326116120 DDDAS Program PI Mee>ng 27 Jan 2016

Sanjay+Ranka+(PI)+ SartajSahni(CoPI) ++MarkSchmalz+(Co’PI)+€¦ · Technical+Approach+(cont’d)+ DDDAS"PIMee>ng"2"27"Jan"2016" Energy2Aware""Time"Change"Detec>on"in"SAR""2"" Ranka"(PI)"

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Energy-­‐Aware  Time  Change  Detec4on  Using  Synthe4c  Aperture  Radar  On  High-­‐Performance  Heterogeneous  

Architectures:  A  DDDAS  Approach    

Sanjay  Ranka  (PI)  Sartaj  Sahni  (Co-­‐PI)      •      Mark  Schmalz  (Co-­‐PI)  

 University  of  Florida    •    Department  of  CISE  

Gainesville,  FL    32611-­‐6120    

DDDAS  Program      •      PI  Mee>ng      •      27  Jan  2016  

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Overview  of  Presenta4on  

1.   Research  Team  2.   Technical  Objec4ves  3.   Programma4c  Informa4on  4.   Technical  Approach  &  Results  

•  Simula>on  

•  Reconstruc>on  •  Coherent  Change  Detec>on  •  Complexity  and  Error  Analysis  

•  Energy  and  Power  Reduc>on  

5.   Ongoing  and  Future  Work  6.   Discussion  

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   2  

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Research  Team  

q     Principal  Inves>gator    Sanjay  Ranka,  Ph.D.  •  Research  Interests:      High-­‐Performance  Compu>ng  

 Energy-­‐Aware  Compu>ng    Big  Data  Analy>cs  

q     Co-­‐PI      Sartaj  Sahni,  Ph.D.  •  Research  Interests:      High-­‐Performance  Compu>ng  

 Data  Structures  and  Algorithms    Signal  &  Image  Processing  

q     Co-­‐PI        Mark  Schmalz,  Ph.D,  O.D.  •  Research  Interests:      High-­‐Performance  Compu>ng  

 Signal  &  Image  Processing    Simula>on,  Error  Analysis  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   3  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Objec4ves  

q     Develop  Energy-­‐Efficient  Algorithms  for  Change  Detec4on  in      Video  Synthe4c  Aperture  Radar  (SAR)  Imagery    q     Topics  of  Inves4ga4on  •  Parallel  Architectures  (CPUs,  GPUs,  HMPs)  •  Adap4ve  Algorithms  for  Image  Tiling  •  Adap4ve  Segmenta4on  of  SAR  Pulse  Dataset(s)  •  Efficient  SAR  Image  Reconstruc4on  

o STEEP  Constraints:    Space,  Time,  Error,  Energy  Profile,  and  Power  Consump4on  •  Change  Detec4on  –  Coherent  or  Incoherent?  

o Effects  of  Noise  and  Clu`er  o Incomplete  Data  o Support  for  Object  Detec4on,  Segmenta4on  and  Recogni4on  o Complexity,  Efficiency  (Time,  Space,  and  Energy  or  Power  Consump4on)  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   4  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   5  

Change   detec4on   accepts   two  input   images   as   well   as   a  window   size,   then   generates   a  difference  map.  

DDDAS   Approach:   Output   of  change   detector   is   input   to  algorithm   that   assigns   spa>al  resolu>on  to  image  >les.  

q     Overview  of  Concept  

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   6  

Backprojec4on  is  decomposed  along  (a)  the  output  image  dimension,  where  each   processing   device   renders   a   >le   using   all   the   pulse   data,   or   (b)  where  each  processing  device  renders  an  en>re  image  using  a  subset  of  the  pulses.  

Tiling   is   crucial   to  efficient   algorithm  performance   –   the  selec>on   of   op>mal  >le   size   is   done   em-­‐pirically.    Pulse   Data   Selec4on    is   likewise   key   to   re-­‐construc>on   algor-­‐ithm   efficiency.     We  prefetch   pulses   that  contribute   to   each  output  (>led)  pixel.  

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   7  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

DDDAS  Resolu4on  and  Scheduling  1.   Master   decomposes   the  

problem   into   atoms   (set  of   pulses   to   be   rendered  onto   one   >le   of   the  output  image).  

2.   Resolu4on   Controller  d e t e rm i n e s   s p a > a l  resolu>on   for   render-­‐ing  each  image  >le.    

3.   Master   sends   each   atom  to   Mul4level   Scheduler  that   balances   load   for  hetero-­‐geneous   devices  and   maintains   locality   of  access  for  efficiency.    

q     DDDAS  Approach  –  Mul4-­‐Resolu4on  

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Technical  Approach  (cont’d)  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   8  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

q     DDDAS  Approach  –  Intelligent  Pulse  Selec4on  

Four   sta4c   schemes   for  distribu4ng   100   iden4cal-­‐resolu4on   atoms,   each   with  an   equivalent   pulse   set,   to   4  homogeneous   processing  devices.  

Dynamic   range   dimension  par44oning   redistributes  pulse   data   to   minimize   com-­‐munica>on   cost   as   the  sensor's   viewing   axis   moves  around  the  scene.  

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Technical  Approach  (cont’d)  

1.     Simula4on  •  Construct  Experimental  Pulse  Datasets  from  Digital  Eleva>on  Maps  •  Precisely  Controlled  Test  Data  •  Controllable  Parameters  to  Facilitate  Performance  &  Error  Analysis  

2.      Reconstruc4on  •  Mul>resolu>on  Superposi>on  Algorithm  Developed  at  UF  •  Pulse  Dataset  Segmenta>on  and  Output  Image  Tiling  for  Efficiency  

3.      Change  Detec4on  (CD)  •  CD  Algorithm  Developed  at  UF  Highlights  Regions  of  Interest    •  Isola>on  of  Regions  Containing  Moving  Vegeta>on  (high  frequency  ST  variance)  •  Construc>on  of  Mul>resolu>on  (Pyramidal)  Scene  Representa>on  •  Iden>fica>on  of  Future  Target  Movement  Regions  (by  variance  &  context)    •  Sta>s>cal  ID  and  Tracking  of  Targets  by  Spa>otemporal  (ST)  Variance  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   9  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

4.      Complexity  and  Error  Analysis        (sta%c  :  compile-­‐>me      and      dynamic  :  run-­‐>me)  

   

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   10  

HIDEF Processing Algorithm HIDEF Algorithm Data Structures Functional Analysis Data Structure Layout Computational Analysis Memory Analysis Error Propagation Analysis I/O Channel Analysis

Architectural Constraints

Time-Space-Error Cost Analysis

Array indexing - row-major - column-major - custom scan

Partitioning/Connectivity Interleaving/Caching Bandwidth/Error rate

Packet size & overhead Bandwidth / Connectivity Error characteristics

Algorithm structure Procedure calls Operation mix

Execution trace Complexity Work estimate

Forward analysis Backward analysis Uncertainty quantifi-cation

VSAR   VSAR  

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

5.      Energy  and  Power  Consump4on  Reduc4on      •  Basis:  (1)  Algorithmic  Model      +    (2)  Energy/Power  Measurements  

• Mul4resolu4on  Structure  Facilitates  Region  Segmenta4on  

   !  Non-­‐Target  Regions  Reconstructed  at  Low  Resolu4on  o Example:  Foliage  and  cover  regions    o  Increased  computa>onal  efficiency  o Decreased  power  consump>on  

   !  Probable  Target  Regions  Reconstructed  at  Higher  Resolu4on  o Detail  preserved  to  facilitate  target  recogni>on  and  tracking  o  Increases  success  of  change  detec>on  algorithm  applica>on  o Target  predic>on  model  (speed,  direc>on)  predicts  range  of  posi>ons  in  next  frame  o Energy  and  power  consump>on  models  constrain  processing  strategy  for  next  frame  o Result:    Data-­‐  and  processing-­‐directed  reduc>on  of  power  consump>on  

 DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   11  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Simula4on  •  Construct  Experimental  Pulse  Datasets  from  Digital  Eleva4on  Maps  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   12  

x

y

z Pulse    Emi`er            Receiver  

ζsr S

T

Given:  Bidirec>onal  Reflec>vity  Distribu>on  Func>on  (BRDF)  Emiher  Intensity    I Received  Intensity  Ir  =  I • BRDF(θi) Emiher  Track  S = (s1, s2, …, sP) S = T ⇒ monostatic SAR Receiver  Track  T = (t1, t2, …, tP) S ≠ T ⇒ bistatic SAR Number  of  Pulses  P  Pulse  Data  Resolu>on  (per  pulse)  NB  bins  Resolu>on  NxN  pixels  of  Reconstructed  Image  defined  on  X Frame  Rate  F

Objec@ve:    Construct  pulse  dataset  D  having  NP                                                pulses  of  NB  bins  each  →  F⋅ P ⋅ NB elements  

Simulated  Ground  Plane  X

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Simula4on  &  Reconstruc4on  Example  1.  Construct  Digital  Eleva>on  Map  2.  Construct  Experimental  Pulse  Datasets  from  Digital  Eleva>on  Maps  3.  Compute  DEM  from  Pulse  Dataset  using  SAR  Reconstruc>on  Algorithm  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   13  

                                 Image  of  DEM                          Monosta4c  SAR  Reconstruc4on                                        with  Flare  Ar4facts  

Early  Simula4on    Results  (Reconstruc4on)  ► ζsr  =  45  degrees  ► Emiher  alt  =  7,071m    ► Receiver  alt  =  106m    ► Lateral   separa>on   of   central  receiver   from   transmiher   =  9,850m  ► 600x600  pixel  image  

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q   Results:    Preliminary  Reconstruc4on  Timing  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   14  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Preliminary  Reconstruc4on  Timing    (May  2015,  cont’d)  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   15  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

28.4  sec  /  frame  (40962  pixels)  GPU  exe  4me  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Current  Algorithm  Testbed  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   16  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

Master  Processor:    •  CPU:  Intel  Xeon  clocked  at  2.0  GHz.    •  Opera>ng  system  :  Ubuntu  12.04.4  LTS  SMP    

Co-­‐Processor:  •  GPU:  Nvidia  Tesla  C2050,  1  GPU  processor  with  448  CUDA  cores,  

clocked  at  1.147  GHz  •  GPU  Memory  6GB  RAM  clocked  at  1.5  GHz    

Current  Reconstruc4on  Timing  Results  (Jan  2016):      •  Single  GPU  latency  of  2.72  sec  /  frame  [40962  pixels]  •  Speedup  (versus  May  2015)  =  28.4  sec  /  2.72  sec  =  10.4X  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Reconstruc4on  Timing,  One  Nvidia  FermiTM  GPU      •  Measure  Algorithm  Performance  with  &  without  External  Overhead  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   17  

TileSz  =      4    TileSz  =      8  TileSz  =  16  TileSz  =  32  

Execu4

on  +  I/O  Tim

e,  se

c  

512                                           1024                                            2048                                                4096                                            8192  Image  Dimension,  pixels  

512                                           1024                                            2048                                                4096                                            8192  Image  Dimension,  pixels  

Execu4

on  +  I/O  Tim

e,  se

c  

TileSz  =      4    TileSz  =      8  TileSz  =  16  TileSz  =  32  

Result:    Op4mal  Tile  Size  =  16  pixels  

Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

2.72  sec  /  frm  (40962  pixels)  GPU  exe  4me  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Reconstruc4on  Timing,  Four  Nvidia  FermiTM  GPUs  •  Measure  Algorithm  Performance  with  &  without  Charm++  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   18  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

Charm++  Slower:  Why?  -­‐-­‐  100ms  setup  >me  -­‐-­‐  Lacks  automa>c            data  par>>oning            that  we  have  -­‐-­‐  Our  approach  op>m-­‐          ized  for  SAR  -­‐-­‐  Charm  performance            improves  with  data  size  

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Preliminary  Change  Detec4on  Algorithm  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   19  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

   1:      250m  x  170m  road  scene  (SAR)                  2:      Car  traverses  road  from  right  to  lep  

3:      Mean  of  25  previous  frames                            4:      Standard  devia>on  of  25  previous  frames    

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Technical  Approach  (cont’d)  

q     Results:    Preliminary  Change  Detec4on  Algorithm    (cont’d)  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   20  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

   5:      Compute  z-­‐score  per  pixel                                    6:      Apply  15x15-­‐pixel  window  filter  

7:      Threshold  by  mean  and  st-­‐dev                        8:      Apply  algorithm  framewise,  per  >le    

False  Posi4ve  due  to  tree  blowing  in  the  wind.  

Increase  Efficiency  by  focusing  on  hi-­‐resolu>on  areas  (probable  target)  and  contextual  cues  (e.g.,  car  on  road)  

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Preliminary  Conclusions  &  Future  Work  

q     Accomplishments    ü  Improved  Reconstruc4on  Algorithm  >  10X  Faster  than  Previous  ü  Preliminary  Change  Detec4on  Algorithm  Developed  &  Tested  ü  SAR  Simulator  Developed  for  Precise  Control  in  Test  &  Analysis  ü  Publica4ons  (prepared  in  conjunc>on  with  this  project):  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   21  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

John Wiley & Sons, Inc.

"    Monograph:                    preliminary                      version  sub-­‐              mihed  to  John                Wiley  &  Sons  

Journal  Paper  !    Mul4sta4c    SAR        submihed  to    IEEE    Tr.  AES    (in  revision)  

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Preliminary  Conclusions  &  Future  Work  

q  Future  Work    (next  12  months)  

Ø  Performance  Op4miza4on:    Reconstruc>on  &  Change  Detec>on  (RCD)  Algorithms  

Ø  Improve  CD  Algorithm  Performance:    á  Detec>on  Probability,    â  False  Alarms  

Ø  Enhancement  of  Mul4resolu4on  Structures  to  Focus  Processing  for  Efficiency  o  More  Accurately  Determine  Probable  Target  Regions    (High  Resolu>on)  o  Increase  False  Alarm  Rejec>on  via  Temporal  Spectral  Filtering    (Low  Resolu>on)  

Ø  Measure  &  Improve:    RCD  Algorithms’  Energy  Profiles  and  Power  Consump>on  

Ø  Enhance  SAR/VSAR  Simulator  with  Flare,  Interference,  &  Diffrac>on  Effects  

Ø  Simula4on/Test/Analysis  of  RCD  Algorithms  for  Distributed  Networked  Embedded  Apps  

DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   22  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)  

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DDDAS  PI  Mee>ng  -­‐  27  Jan  2016   23  Energy-­‐Aware    Time  Change  Detec>on  in  SAR      -­‐    Ranka  (PI)