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[국내논문] 모바일 초음파 영상신호의 빔포밍 알고리즘을 위한 멀티코어 프로세서 구현
Implementation of Multi-Core Processor for Beamforming Algorithm of Mobile Ultrasound Image Signals 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part A. Part A, v.18A no.2, 2011년, pp.45 - 52  

최병국 (울산대학교 컴퓨터정보통신공학부) ,  김종면 (울산대학교 컴퓨터정보통신공학부)

초록
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과거에는 환자가 초음파 영상진단장치가 설치되어 있는 방에 가서 진단을 받았지만, 현재는 의사가 초음파 영상 진단장치를 가지고 이동하면서 환자를 진단(모바일 초음파, handheld ultrasound)할 수 있는 시대가 왔다. 그러나 초음파 영상진단장치로서의 기본적인 기능만을 구현하였으며, 초음파 영상의 질을 결정하는 초음파 빔의 포커싱 알고리즘에서 요구되는 고성능을 만족하지 못하는 실정이다. 또한 모바일 기기의 경우 저전력의 요구조건도 만족하여야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 모바일 초음파 영상신호의 포커싱을 위한 방법 중 대표적인 빔포밍 알고리즘(Beamforming Algorithm)을 고성능, 저전력으로 처리 가능한 단일 명령어 다중 데이터(Single Instruction Multiple Data, SIMD)기반의 멀티코어 프로세서를 제안한다. 제안한 SIMD기반 멀티코어 프로세서는 16개의 프로세싱 엘리먼트(Processing Element, PE)로 구성되어 있으며, 초음파의 에코 영상데이터에 내재한 무수한 데이터 레벨 병렬성을 활용하여 빔포밍 알고리즘에서 요구되는 고성능을 만족시킨다. 모의실험 결과, 제안한 멀티코어 프로세서는 현재 상용 고성능 프로세서인 TI DSP C6416보다 평균 15.8배의 성능, 6.9배의 에너지 효율 및 10배의 시스템 면적 효율을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the past, a patient went to the room where an ultrasound image diagnosis device was set, and then he or she was examined by a doctor. However, currently a doctor can go and examine the patient with a handheld ultrasound device who stays in a room. However, it was implemented with only fundamental...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 기존의 고성능 프로세서인 TI C6416, ARM926EJ-S, ARM1020E와의 성능 비교를 통해 제안하는 SIMD기반 멀티코어 프로세서의 잠재 가능성을 보여주고자 한다. 따라서 공정한 성능 평가를 위해 제안한 멀티코어 프로세서와 고성능 프로세서들을 동일한 130nm 테크놀로지와 720MHz 클록주파수로 실험하였다.
  • 본 논문에서는 모바일 초음파 영상신호의 빔포밍 알고리즘을 고성능, 저전력으로 처리를 위하여 SIMD기반 멀티코어 프로세서를 제안하였다. 제안한 멀티코어 프로세서는 16개의 프로세싱 엘리먼트로 구성되어 있으며, 각 프로세싱 엘리먼트는 메쉬 배열 구조에서 동작한다.
  • 본 논문에서는 반사된 초음파 영상신호의 빔포밍 기법 중 하나인 PSDF(Pipelined Sampling Delay Focusing)[12] 기법을 실시간으로 처리하기 위해 SIMD기반 멀티코어 프로세서를 제안한다. 제안한 SIMD기반 멀티코어 프로세서는 16개의 프로세싱 엘리먼트로 구성되어 있으며, 각각의 프로세싱 엘리먼트는 자신에게 균등하게 할당된 초음파 데이터를 동시에 처리함으로써 고성능을 추구한다.
  • 제안한 SIMD기반 멀티코어 프로세서는 16개의 프로세싱 엘리먼트로 구성되어 있으며, 각각의 프로세싱 엘리먼트는 자신에게 균등하게 할당된 초음파 데이터를 동시에 처리함으로써 고성능을 추구한다. 본 논문에서는 현재 Sonosite사의 M-Turbo 휴대용 초음파 기기에 사용되고 있는 고성능 프로세서인 TI DSP C6416[13], ARM926EJS[14], ARM1020E[15]와의 성능을 비교하여 잠재가능성을 보이고자 한다. 모의실험 결과, 제안한 멀티코어 프로세서는 TI DSP C6416과 비교하여 평균 15.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
포커싱을 위한 빔포밍 기법은 무엇을 요구하나? 따라서 반사된 신호는 포커싱 과정을 통해 정렬할 필요성이 있는데 이러한 정렬 과정을 빔포밍(Beamforming)이라 한다[1]. 하지만 포커싱을 위한 빔포밍 기법은 상당한 양의 연산과 입출력 처리를 요구한다. 또한 모바일 초음파의 경우, 고성능 뿐만 아니라 저전력에 대한 수요도 증가하고 있다.
프로세싱 엘리먼트는 어떤 특징을 가지나? • 32비트 폭의 4096개 워드로 구성된 로컬 메모리 • 32비트 폭의 16개 3포트 범용 레지스터 • 기본적인 산술/논리 연산을 수행하는 ALU • 64비트 곱셈 및 누산기(Multiply Accumulator) • 멀티 비트 산술/논리 시프트 연산을 수행하는 배럴 시프트(Barrel Shifter • 지역 정보를 이용해 각 PE들을 활성 및 비활성 시키는 Sleep 유닛 • 이웃하는 PE들과 데이터 통신을 위한 NEWS(NorthEast-West-South) 네트워크 및 serial I/O유닛
측 방향 해상도는 무엇에 의해 결정되나? 특히, 초음파 영상의 질을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나인 측방향 해상도를 향상시키는 연구가 많이 진행되었다. 측 방향 해상도는 초음파 빔의 포커싱(Focusing)에 의해 결정되기 때문에 많은 포커싱 방법들이 등장하였다[2-5]. 초음파 신호는 서로 다른 매질의 경계면에 반사되어 되돌아오는 과정에서 지연시간이 발생해 동일 시점의 신호들이 서로 다른 시간에 도달한다.
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참고문헌 (29)

  1. 장성호, "초음파 영상진단장치(의료특집)", 대한전기학회논문지, 제48권, 제8호, 11-21쪽, 1998년 8월. 

  2. 김성학, 이원석, 신은희, 배병국, 노용래, "64 채널 Phased array 초음파 트랜스듀서의 설계 및 제작", 한국음향학회논문지, 제29권, 제2호, 608-609쪽, 2010년. 

  3. 이순흠, 최관순, 김동식, "가상 3D 그래픽을 이용한 집속형 초음파 탐촉자 성능평가 방법", 한국정보처리학회논문지 B, 제14-B권, 제6호, 407-412쪽, 2007년. 

  4. 이후정, 이행세, 김영길, 이민화, "초음파 영상장치에서 측방향 해상도 향상에 관한 연구", 대한의사학회지, 제9권, 제1호, 87-92쪽, 1998년. 

  5. T. R. Gururaja, and R. K. Panda, "Current status and future trends in ultrasonic transducers for medical imaging applications," in Proc. of the 11th IEEE International Symposium on Application of Ferroelectrics, pp.223-228, 1998. 

  6. X.-G. Jiang, J.-Y. Zhou, J.-H. Shi, H.-H. Chen "FPGA implementation of image rotation using modified compensated CORDIC," in Proc. of the 6th International Conference on ASIC, Vol.2, pp.752-756, 2005. 

  7. E. B. Bourennane, S. Bouchoux, J. Miteran, M. Paindavoine, S. Bouillant, "Cost comparison of image rotation implementations on static and dynamic reconfigurable FPGAs," in Proc. of IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP '02), Vol.3, pp.III-3176-3179, 2002. 

  8. 이시현, " $Nios^{(R)}II$ 임베디드 프로세서를 사용한 병렬처리 시스템의 설계 및 구현", 한국컴퓨터정보학회논문지, 제14권, 제11호, 97-103쪽, 2009년 11월. 

  9. A. D. Blas et. al, "The UCSC Kestrel Parallel Processor," IEEE Trans. on Parallel and Distributed Systems, Vol.16, No.1, pp.80-92, Jan., 2005. 

  10. A. Gentile and D. S. Wills, "Portable video supercomputing," IEEE Trans. on Computers, Vol.53, No.8, pp.960-973, Aug., 2004. 

  11. Luong V. Huynh, 김철홍, 김종면, "퍼지 백터 양자화를 위한 대규모 병렬 알고리즘", 한국정보처리학회논문지 A, 제16-A권, 제6호, 411-418쪽, 2009년 12월. 

  12. J. H. Kim, T. K. Song, and S. B. Park, "A pipelined sampled delay focusing in ultrasound imaging systems," Ultrasonic Imaging, Vol.9, pp.75-91, 1987. 

  13. TMS320C64x families, http://www.bdti.com/procsum/tic64xx.htm. 

  14. ARM 926EJ-S data sheet, http://www.arm.com/products/processors/classic/arm9/arm926.php. 

  15. ARM 1020E data sheet, http://www.hotchips.org/archives/hc13/2_Mon/02arm.pdf 

  16. P. Ranganathan, S. Adve, and N. P. Jouppi, "Performance of image and video processing with general-purpose processors and media ISA extensions," in Proc. of the 26th International Symposium on Computer Architecture, pp.124-135, May, 1999. 

  17. R. Bhargava, L. John, B. Evans, and R. Radhakrishnan, "Evaluating MMX technology using DSP and multimedia applications," in Proc. of IEEE/ACM Symposium on Microarchitecture, pp.37-46, 1998. 

  18. N. Slingerland and A. J. Smith, "Measuring the performance of multimedia instruction sets," IEEE Trans. on Computers, Vol.51, No.11, pp.1317-1332, Nov., 2002. 

  19. A. Krikelis, I. P. Jalowiecki, D. Bean, R. Bishop, M. Facey, D. Boughton, S. Murphy, and M. Whitaker, "A programmable processor with 4096 processing units for media applications," in Proc. of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol.2, pp.937-940, May, 2001. 

  20. L. W. Tucker and G. G. Robertson, "Architecture and applications of the connection machine," IEEE Computer, Vol.21, No.8, pp.26-38, 1988. 

  21. "Connection machine model CM-2 technical summary," Thinking Machines Corp., version 51, May, 1989. 

  22. MarPar (MP-2) System Data Sheet. MarPar Corporation, 1993. 

  23. M. J. Irwin and R. M. Owens, "A two-dimensional, distributed logic processor," IEEE Trans. on Computers, Vol.40, No.10, pp.1094-1101, 1991. 

  24. M. Bolotski, R. Armithrajah, W. Chen, "ABACUS: A high performance architecture for vision," in Proceedings of the International Conference on Pattern Recognition, 1994. 

  25. J. F. Havlice and J. C. Taenzer, "Medical ultrasonic imaging: An overview of principles and instrumentation," Proceedings of IEEE, Vol.67, No.4, pp.620-640, April, 1979. 

  26. M. E. Schafer and P. A. Lewin, "The influence of front-end hardware on digital ultrasonic imaging," IEEE Trans. Sonics Ultrasonics, Vol.SU-31, No.4, pp.295-306, July, 1984. 

  27. S. M. Chai, T. Taha, D. S. Wills, and J. D. Meindl, "Heterogeneous architecture models for interconnect-motivated system design," IEEE Trans. on VLSI Systems, Vol.8, No.6, pp.660-670, 2000. 

  28. V. Tiwari, S. Malik, and A. Wolfe, "Compilation techniques for low energy: An overview," in Proc. IEEE International Symposium on Low Power Electronics, pp.38-39, 1994. 

  29. Xilinx Vertex-4 FPGA XC4VLX60 data sheet, http://www.alldatasheet.net/datasheet-pdf/pdf/152986/XILINX/XC4VLX60.html. 

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