$2 마이크로컨트롤러에서 SIMD로 컴퓨터 비전 가속하기
원제 SIMD-accelerated computer vision on a $2 microcontroller
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Key Point
$2 저가 마이크로컨트롤러의 숨겨진 SIMD 명령어를 활용해 컴퓨터 비전 성능을 2배 향상시킨 방법과, 하드웨어 제약을 창의적으로 극복한 어셈블리 최적화 기법을 배울 수 있다.
핵심 요약
- ESP32-S3 마이크로컨트롤러의 128비트 SIMD 명령어를 활용한 FAST 코너 감지기를 구현했으며, 기존 구현 대비 약 2배 빠른 성능으로 QVGA(320x240) 프레임을 약 6ms에 처리한다.
- ESP32-S3는 240MHz 듀얼코어 CPU, WiFi, BLE 라디오를 탑재한 저가 칩이지만 SIMD 명령어 지원에 대한 정보가 거의 알려져 있지 않아 직접 실험과 최적화를 진행했다.
- SIMD 구현 과정에서 미정렬 읽기 불지원 문제를 두 개의 인접한 레지스터를 읽은 후 슬라이스 추출 명령어로 극복했다.
- 부호 있는 8비트 정수만 비교 가능한 한계를 극복하기 위해 부호 없는 8비트 값을 부호 있는 범위 [-128, 127]로 변환해야 했다.
- 포화 연산으로 인한 언더플로우 문제를 해결하기 위해 x - 128 == x ^ 0x80 성질을 이용해 최상위 비트를 XOR로 뒤집는 방식으로 뺄셈을 회피했다.
- 최종적으로 FAST 특징 감지기의 처리량을 5.1MP/s에서 11.2MP/s로 220% 향상시켰으며, ESP32-S3가 30fps VGA 스트림을 실시간으로 처리할 수 있게 되었다.