Репортаж из лаборатории MGLAB.Xilinx: от теории к практике

рынок
16
Репортаж из лаборатории
MGLAB.Xilinx:
от теории к практике
Алексей Комов
M
GLAB.Xilinx была создана в сентябре 2010 г. по инициативе профессора СПбГУ Андрея Терехова и председателя совета директоров компании Макро
Групп Дмитрия Велеславова, поставивших
перед собой задачу обеспечить подготовку
профессиональных кадров для российской
электротехнической отрасли, нуждающейся в квалифицированных специалистах. Не
на последнем месте стояло и желание помочь
коммерциализации перспективных студен-
Спустя всего полгода с момента открытия лаборатории MGLAB.Xilinx
на базе математико-механического факультета Санкт-Петербургского
государственного университета (СПбГУ) ее лаборанты инициировали сразу несколько перспективных студенческих проектов в области обработки видеоизображений. Все эти разработки имеют рыночную подоплеку
и в дальнейшем могут перерасти в коммерческие проекты.
ческих разработок. В лаборатории учащиеся
имеют возможность научиться проектировать и программировать различные средства
обработки информации, которые используются в медицинской и телекоммуникационной отрасли, видеоиндустрии, а также в любом высокоточном оборудовании, осуществляющем скоростную обработку большого
потока информации.
Оснащение лаборатории отладочными
платами с флагманскими интегральными
микросхемами программируемой логики
(ПЛИС) компании Xilinx полностью выполнено на средства Макро Групп. Сама поставка оборудования была осуществлена в сентябре 2010 г., некоторое время потребовалось
для настройки оборудования и интеграции
лаборатории в учебный процесс. Однако уже
к марту 2011 г. MGLAB.Xilinx вышла на интенсивный ритм работы в двух режимах:
преподавание еженедельных курсов студентам университета и реализация студенческих
проектов, работа над которыми ведется в отдельные, специально отведенные для этого
дни. Возможность принять участие в студенческих проектах есть у любых универсантов математико-механического факультета
СПбГУ. По словам руководителя MGLAB.
Xilinx Бориса Кривошеина, никаких строгих
ограничений на доступ к ней не существует,
от студентов требуется лишь интерес, активность, усидчивость и готовность доводить
начатое дело до результата. Проекты предлагают научные руководители, а студенты выбирают и инициируют те из них, которые им
наиболее интересны. Несмотря на то, что работа лаборатории носит сезонный характер,
поскольку пик нагрузки на нее приходится
в периоды активного обучения студентов,
а в промежутках между сессиями и курсами
она практически пустует, за полгода существования уже инициировано несколько перспективных идей.
Умная видеокамера
Участники первых проектов лаборатории MGLAB.Xilinx (на фото слева направо):
руководитель направления «Цифровая электроника» компании Макро Групп Вячеслав Кравчук;
руководитель проекта по созданию цифровой видеокамеры нового поколения Александр Астапкович;
участник проекта разработки нейроконтроллера Евгений Тодорук;
руководитель лаборатории Борис Кривошеин
и руководитель проекта разработки цифрового фильтра Владимир Викулин
Одним из таких проектов является разработка цифровой видеокамеры нового поколения. Средства видеонаблюдения уже давно
перешли из разряда экзотики в неотъемлемую составляющую систем превентивной
безопасности, однако их интеллектуальный
функционал до сих пор весьма ограничен.
«Существующие на рынке системы видеона-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2011
рынок
блюдения в лучшем случае способны определять повреждение или попытку отключения
камеры, но при этом они не имеют никаких
защитных механизмов для отражения атак
путем подмены видеоряда», — поясняет
Александр Астапкович, руководитель проекта. По его словам, такую защиту может
обеспечить частичный перенос интеллекта
системы видеонаблюдения на нижний уровень, из центра управления на оконечные
устройства.
Для этого в рамках проекта разрабатывается демонстрационный образец видеокамеры, способной в режиме потоковой обработки видеоряда встраивать и распознавать специальный защитный цифровой
знак. При этом алгоритмы его встраивания
и распознавания реализуются с использованием FPGA Xilinx Virtex-6. В рамках проекта студенты изучают современные методы защиты видеоизображений и фильтрации видеопотоков с применением FPGA,
а также программно-инструментальную
среду Xilinx Platform Studio для создания
устройств на базе Xilinx Virtex-6. В качестве
фундамента для создания цифровой видеокамеры нового поколения предполагается
использовать нейроконтроллер, разрабатываемый в MGLAB.Xilinx в рамках другого
студенческого проекта.
Детектор границ
По словам участника проекта разработки нейроконтроллера Евгения Тодорука, цель
работ заключается в экспериментальном изучении методов распознавания границ изображений на базе FPGA Xilinx Virtex-6 и создания на его основе демонстрационного образца помехоустойчивого детектора границ.
Помимо достижения научно-исследовательских целей, такой детектор может решать конкретные практические задачи.
В частности, он пригоден для маркировки
изображения на основании идентификации
его границ. Благодаря этому изображение
может быть интегрировано в любой видеоряд, а впоследствии идентифицировано
и восстановлено. При помощи такой маркировки можно защищать любые изображения от подделки (как купюры посредством
водяных знаков), препятствуя нарушению
авторских прав. Кроме того, встраиваемый
графический идентификатор может использоваться в камерах наблюдения для защиты
от искусственной подмены видеоряда — когда по существующей коммуникационной
сети вместо реального изображения с камеры
оператор получает подставную «картинку»
или видеопоток.
Александр Астапкович рассказал, что
в рамках возглавляемого им проекта проводится также изучение прикладных аспектов
применения нейронных сетей, освоение методологии «Обучение через показ» применительно к нейронным сетям прямого рас-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2011
пространения, а также освоение технологии
синтеза контроллеров и фильтрации видеопотоков с применением FPGA Xilinx Virtex-6.
«В течение семестра над проектом работали
два человека, но при этом им удалось продвинуться в его реализации достаточно далеко, поскольку синтезированный ими нейрофильтр уже работает намного эффективнее,
чем, к примеру, весьма популярный в сфере
обработки изображений фильтр Лапласа», —
подчеркнул руководитель лаборатории
Борис Кривошеин. Кроме того, он отметил,
что в ходе проекта уже удалось разработать
программные инструменты для интеграции
цифрового знака в любые изображения и, соответственно, его извлечения оттуда. «Пока
что для этого используется программный
микропроцессор MicroBlaze, поэтому все
вычисления, производимые в ходе работы
программ, осуществляются не так быстро,
как хотелось бы. Однако следующим шагом
будет реализация проекта непосредственно
на логических ресурсах и встроенных аппаратных блоках FPGA, после чего обработка
изображений ускорится в сотни раз», — сообщил участник проекта Евгений Тодорук.
Цифровая фильтрация
Вслед за разработкой «умной» видеокамеры и нейроконтроллера лаборанты
MGLAB.Xilinx инициировали проект тестирования цифрового фильтра на платформе Xilinx Virtex-6. Цифровая фильтрация — неотъемлемая часть технологий цифровой обработки сигналов. Фильтр может
быть как одномерным, типа эквалайзера для
обработки звукового сигнала, так и двумерным — для повышения четкости изображения или коррекции эффекта размытости кар-
17
тинки при движении камеры. Руководитель
проекта Владимир Викулин отметил, что цель
проекта — разработка цифрового фильтра,
его реализация на FPGA Xilinx Virtex-6 и верификация средствами аппаратно-программной ко-симуляции. В ходе работ студенты
изучают средства проектирования Xilinx ISE,
System Generator, а также средства совместной
аппаратно-программной верификации и возможности пакета моделирования MATLAB
и Simulink. Подобная методика проектирования была подробно рассмотрена инженерами Xilinx на прошедшем в июне 2010 г. семинаре, организованном Макро Групп при
участии Silica-An Avnet Company.
Владимир Викулин подчеркнул, что этот
проект в большей степени носит научный
характер, то есть его цель прежде всего заключается в освоении весьма сложной технологии и маршрута проектирования. Вначале
студенты в рамках проекта выполнят все лабораторные работы, которые компания Xilinx
настоятельно рекомендует для освоения данной технологии, а затем они могут быть подключены со своими наработками к проектам
создания цифровой камеры нового поколения и нейроконтроллера.
В технологическом авангарде
ПЛИС Virtex-6, выполненная по 40‑нм
технологии, предназначена для создания
различных устройств цифровой обработки сигнала, применяемых в автомобильной
и бытовой электронике, проводной и беспроводной связи, а также в медицинской,
авиационной, космической и оборонной
технике. Одними из ключевых отличий семейства Virtex-6 от платформ Xilinx предыдущего поколения являются низкое энерго-
Рис. 1. Лаборатория MGLAB.Xilinx оборудована так,
что на ее базе может одновременно разрабатываться несколько проектов
www.kite.ru
18
рынок
расли, то считаем, что обучаться им необходимо на самых прогрессивных технологических решениях», — отметил Борис Кривошеин.
И по оценке руководителя направления «Цифровая электроника»
компании Макро Групп Вячеслава Кравчука, жизненный цикл таких
технологий на рынке составляет 6–10 лет, поэтому еще как минимум
в течение трех-четырех лет они будут эффективны для обучения студентов. В этот период все проекты, созданные на базе данных технологий, будут попадать в инновационный технологический авангард.
Коммерческая подоплека
Рис. 2. Отладочная лабораторная демо-плата с FPGA Xilinx Virtex-6
потребление (почти на 65% ниже по сравнению с более ранними
ПЛИС) и гораздо более высокая производительность поддерживаемых стандартов ввода/вывода (прием/передача данных со скоростью
до 1,4 Гбит/с по каждой дифференциальной паре контактов и со скоростью до 11,18 Гбит/с для последовательных приемопередатчиков).
Помимо Xilinx Virtex-6, лаборатория MGLAB.Xilinx (рис. 1) оснащена также и демо-платами Xilinx Spartan-6 (рис. 2), предназначенными для использования в более экономичных решениях. «У нас
есть задумки, которые очень чувствительны к стоимости платформ,
а основное достоинство Spartan-6 в том, что при схожих возможностях она намного дешевле Virtex-6, поэтому когда разработчику
нужно создать массовый продукт, например, как в нашем случае,
цифровую камеру, то выбор падает именно на Spartan-6», — сообщил руководитель лаборатории Борис Кривошеин. Он акцентировал
внимание на том факте, что компания Xilinx — безусловный лидер
рынка интегральных микросхем программируемой логики (ее доля
составляет около 51% в мировых масштабах), поэтому при оснащении лаборатории выбор естественным образом пал именно на ее
продукцию. «При этом из всей продуктовой линейки Xilinx мы взяли
те решения, которые оптимально подходят нам по областям применения: это, прежде всего, телекоммуникации и обработка видео», —
подчеркнул Борис Кривошеин.
И Virtex-6, и Spartan-6 — передовые платформы Xilinx, фактически появившиеся на рынке только в 2010 г. Параллельно компания Xilinx объявила о снятии с производства старых продуктовых
семейств, включая Virtex-E, Virtex-EM и Spartan-IIE. «Поскольку мы
готовим высококлассных специалистов для электротехнической от-
Рис. 3. Рабочее место лаборанта MGLAB.Xilinx
Лаборатория MGLAB.Xilinx делает ставку на синергетический эффект от параллельной реализации нескольких взаимосвязанных проектов, которые представляют не только научно-исследовательский,
но и реальный коммерческий интерес. «Мы стараемся реализовывать
студенческие проекты так, чтобы их результаты становились базой
для последующих коммерческих заказов», — сообщил руководитель
лаборатории Борис Кривошеин. Он подчеркнул, что именно поэтому
все проекты решают сугубо практические, актуальные для различных
рынков задачи.
Макро Групп, одна из организаторов лаборатории MGLAB.
Xilinx, также заинтересована в коммерциализации студенческих работ. «Не секрет, что проекты, реализованные в стенах университета, в лучшем случае выходят на рынок через компании, созданные
сотрудниками вуза, а в худшем — пропадают в никуда, несмотря
на их научную и практическую ценность. Поэтому мы стремимся
с помощью лаборатории привлечь внимание коммерческих структур к студенческим проектам», — отметил Вячеслав Кравчук. Кроме
того, посредством лаборатории на базе университета Макро Групп
популяризирует технологии Xilinx в коммерческой и научной среде. Предполагается, что в дальнейшем любые клиенты и партнеры
компании смогут размещать в MGLAB.Xilinx заказы на разработку
индивидуальных инжиниринговых проектов.
Организаторы планируют использовать научно-технические
мощности лаборатории для обучения и повышения квалификации
инженеров‑разработчиков различных предприятий электронной
отрасли.
Пока что в штатном режиме в лаборатории одновременно ведется
не более двух-трех проектов. Однако, по словам руководителя одного
из проектов MGLAB.Xilinx Владимира Викулина, на первом этапе
разработку студенты могут осуществлять и на персональных компьютерах, так как она в основном носит математический характер,
а затем уже в лаборатории производить аппаратную отладку, что позволяет увеличить количество одновременно реализуемых проектов
и повысить продуктивность использования лабораторного оборудования. Поэтому потенциальная проектная мощность MGLAB.Xilinx
довольно велика.
В настоящий момент уже стало очевидным, что лаборанты могут
не только получить реальный практический опыт разработки проектов, защитить курсовую или диплом, но и устроить свою карьеру.
«Всего за полгода работы над проектами в лаборатории студенты
превращаются в востребованных на рынке специалистов», — подчеркнул один из ее основателей профессор СПбГУ Андрей Терехов.
«Этого срока вполне достаточно для того, чтобы студент освоил
какую-либо технологию в объеме, необходимом для его вхождения в коммерческие проекты», — уточняет Борис Кривошеин. При
этом, по его словам, проекты на базе лаборатории можно реализовывать в интересах не только российских, но и зарубежных компаний, поскольку она оснащена самыми передовыми технологиями.
«Благодаря MGLAB.Xilinx в России эти технологии стали применяться при разработке одновременно со всеми технологически развитыми странами, то есть прошедшие через лабораторию специалисты ни в чем не будут уступать зарубежным по уровню знаний
и опыта», — убежден Борис Кривошеин.
В заключение добавим, что в планах Макро Групп открытие подобn
ных лабораторий и в других ведущих вузах страны.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2011