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[국내논문] 대용량 위성영상의 무감독 분류를 위한 K-means 군집화 알고리즘의 병렬처리
Parallel Processing of K-means Clustering Algorithm for Unsupervised Classification of Large Satellite Imagery 원문보기

한국측량학회지 = Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography, v.35 no.3, 2017년, pp.187 - 194  

한수희 (Dept. of Geoinformatics Engineering, Kyungil University)

초록
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본 연구는 대용량 위성영상의 신속한 무감독 분류를 위해 k-means 군집화 알고리즘을 병렬처리하는 방법을 소개한다. K-means 군집화 알고리즘은 대표적인 무감독분류 알고리즘으로서 주로 감독분류전처리 단계로 활용되지만 연산 집약적이고 사용자의 개입이 적어 병렬처리의 효과를 분명하게 나타낼 수 있다. 병렬처리 코드는 OpenMP 기반의 멀티쓰레딩을 이용하여 구현하였다. 실험은 1대의 PC에서 시행하였으며 이 PC의 CPU에는 8개의 멀티코어가 집적되어 있다. 실험 영상으로는 7개 밴드로 구성한 30m 해상도의 LANDSAT 8 OLI 영상과 8개 밴드로 구성한 10m 해상도의 Sentinel-2A 영상을 사용하였다. 각각 10개 군집을 사용하여 순차처리 및 병렬처리를 수행한 결과 병렬처리가 순차처리에 비해 6배 내외의 속도를 나타내었다. 순차처리와 병렬처리 결과의 일치성 평가를 위해 각 군집의 중심값과 분류된 화소의 수를 비교하고 분류 결과 영상간 차분을 수행하였고 결과로 모든 정보가 일치하였다. 본 연구는 병렬처리를 통해 대용량 위성영상의 처리 속도를 상당히 향상시킬 수 있음을 입증하고 있다는 점에서 의미가 있다고 판단된다. 아울러 OpenMP 기반의 멀티쓰레드를 이용하면 비교적 쉽게 병렬처리를 구현할 수 있지만 false sharing의 발생을 억제하도록 코드를 설계하는데 주의를 기울여야 함도 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present study introduces a method to parallelize k-means clustering algorithm for fast unsupervised classification of large satellite imagery. Known as a representative algorithm for unsupervised classification, k-means clustering is usually applied to a preprocessing step before supervised clas...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 대용량 위성영상의 신속한 처리를 위해 병렬처리 활용의 중요성을 역설함에 목표가 있으며, 그 예로서 k-means 군집화 알고리즘을 병렬처리하는 방법을 제시한다. 대표적인 무감독분류 방식인 k-means 군집화 알고리즘은 비교적 코드 구현이 쉽지만 높은 분류 정확도를 기대하기 어려워 주로 감독분류의 전처리 단계로 활용한다.
  • 본 연구에서는 대용량 위성영상의 무감독 분류를 위해 OpenMP를 기반으로 k-means 군집화 알고리즘의 병렬처리 코드를 개발하고 8 멀티코어 CPU가 장착된 PC에서 다중분광 위성영상에 대한 병렬처리를 수행하였다. 그 결과 순차처리에 비해 6배 내외의 속도 향상 효과를 거둘 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
병렬처리란 무엇인가? 최근 공학, 수학, 과학 등 다양한 분야에서 대용량 자료 처리 및 고연산의 난제를 해결하기 위해 병렬처리를 사용하고 있다. 병렬처리란 크고 복잡한 문제를 작게 나누어 여러 컴퓨터에서 동시에 처리하는 컴퓨팅 기술을 말한다(Wikipedia, 2017c). 공간정보 분야의 자료 역시 방대한 크기를 가지고 있으며 처리 방법 또는 알고리즘의 복잡도가 크게 상승하고 있어 지리정보시스템, 원격탐사, 레이저측량 분야를 필두로 병렬처리의 활용 가능성을 꾸준히 제기하였다(Healey et al.
K-means 군집화 알고리즘의 병렬화는 어떤 구조를 가지는가? 1의 두 번째 for loop를 CPU의 멀티코어가 그 수대로 분할하여 각자 처리함으 로서 구현한다. 즉 n개의 코어가 각각 1/n 크기의 영상을 동시에 분류하는 구조를 가진다. 이는 OpenMP(OpenMP ARB, 2016) 기반의 멀티쓰레딩 프로그래밍을 이용하며 실현할 수있으며, 두 번째 for loop 앞에 #pragma omp parallel for 구분을 넣어 구현한다(Fig.
k-means 군집화 알고리즘의 특징은 무엇인가? 본 연구는 대용량 위성영상의 신속한 처리를 위해 병렬처리 활용의 중요성을 역설함에 목표가 있으며, 그 예로서 k-means 군집화 알고리즘을 병렬처리하는 방법을 제시한다. 대표적인 무감독분류 방식인 k-means 군집화 알고리즘은 비교적 코드 구현이 쉽지만 높은 분류 정확도를 기대하기 어려워 주로 감독분류의 전처리 단계로 활용한다. 그럼에도 k-means 군집화 알고리즘을 선택한 이유는 k-means 군집화 알고리즘이 연산 집약적이고 사용자의 개입이 적어 병렬처리의 효과를 분명하고 객관적으로 나타낼 수 있기 때문이다.
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참고문헌 (14)

  1. Clematis, A., Mineter, M., and Marciano, R. (2003), High performance computing with geographical data, Parallel Computing, Vol. 29, Issue 10, pp. 1275-1279. 

  2. Han, S.H., Heo, J., Sohn, H.G., and Yu, K. (2009), Parallel processing method for airborne laser scanning data using a PC cluster and a virtual grid, Sensors, Vol. 9, Issue 4, pp. 2555-2573. 

  3. Healey, R., Dowers, S., Gittings, B., and Mineter, M.J. (1997), Parallel Processing Algorithms for GIS, CRC Press, UK. 

  4. Koo, I.H. (2012), High-speed Processing of Satellite Image Using GPU, Master's thesis, Chungnam National University, Daejeon, Korea, pp. 28-42. (in Korean with English abstract) 

  5. Lee, K., Jo, M., and Lee, W. (2016), Parallel processing of satellite images using CUDA library: focused on NDVI calculation, Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 19, No. 3, pp. 29-42. (in Korean with English abstract) 

  6. MacQueen, J. (1967), Some methods for classification and analysis of multivariate observations, Proceedings of the Fifth Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, Volume 1: Statistics, University of California Press, Berkeley, California, USA, 21 June-18 July, pp. 281-297. 

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  14. Yang, C. and Hung, C. (2000), Parallel computing in remote sensing data processing, Proceedings of the 21st Asian Conference on Remote Sensing, ACRS, 4-8 December, Taipei, Taiwan, unpaginated CD-ROM. 

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