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隨著攝像頭和其他設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在快速增長，促使人們運用機器學(xué)習(xí)從汽車、安防和其他應(yīng)用產(chǎn)生的影像中提取更多有用的信息。專用器件有望在嵌入式視覺應(yīng)用中實現(xiàn)高性能機器學(xué)習(xí) (ML) 推理。但是此類器件大都處于早期開發(fā)階段，因為設(shè)計人員正在努力尋找最有效的算法，甚至人工智能 (AI) 研究人員也在迅速推演新方法。
目前，開發(fā)人員一般使用針對 ML 的可用 FPGA 平臺來構(gòu)建嵌入式視覺系統(tǒng)，以期滿足更高的性能要求。與此同時，他們可以保持所需的靈活性，以跟上機器學(xué)習(xí)發(fā)展的步伐。
本文將介紹 ML 處理的要求，以及為何 FPGA 能解決許多性能問題。然后，將介紹一個合適的基于 FPGA 的 ML 平臺及其使用方法。
在 ML 算法中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 已成為圖像分類的首選解決方案。其圖像識別的準確率非常高，因而得以廣泛應(yīng)用于多種應(yīng)用，跨越不同的平臺，例如智能手機、安防系統(tǒng)和汽車駕駛員輔助系統(tǒng)。作為一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (DNN)，CNN 使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由專用層構(gòu)成。在對標注圖像進行訓(xùn)練期間，它會從圖像中提取特征，并使用這些特征給圖像分類（參見“利用現(xiàn)成的軟硬件啟動機器學(xué)習(xí)”）。
CNN 開發(fā)人員通常在高性能系統(tǒng)或云平臺上進行訓(xùn)練，使用圖形處理單元 (GPU) 加速在標注圖像數(shù)據(jù)集（通常數(shù)以百萬計）上訓(xùn)練模型所需的巨量矩陣計算。訓(xùn)練完成之后，訓(xùn)練好的模型用在推理應(yīng)用中，對視頻流中的新圖像或幀進行分類。推理部署完成后，訓(xùn)練好的模型仍然需要執(zhí)行同樣的矩陣計算，但由于輸入量要少很多，開發(fā)人員可以將 CNN 用于在通用硬件上運行的普通機器學(xué)習(xí)應(yīng)用（參見“利用 Raspberry Pi 構(gòu)建機器學(xué)習(xí)應(yīng)用”）。
然而，對于許多應(yīng)用而言，通用平臺缺乏在 CNN 推理中同時實現(xiàn)高準確率和高性能所需的性能。優(yōu)化技術(shù)和替代 CNN 架構(gòu)（如 MobileNet 或 SqueezeNet）有助于降低平臺要求，但通常會犧牲準確率并增加推理延時，而這可能與應(yīng)用要求相沖突。
與此同時，快速發(fā)展的算法使得機器學(xué)習(xí) IC 的設(shè)計工作變得復(fù)雜，因為需要機器學(xué)習(xí) IC 既要足夠?qū)ｉT化以加速推理，又要足夠通用化以支持新算法。FPGA 多年來一直扮演著這一特定角色，提供加速關(guān)鍵算法所需的性能和靈活性，解決了通用處理器性能不足或沒有專用器件可用的問題。
對于機器學(xué)習(xí)而言，GPU 仍然是標桿——這是早期的 FPGA 根本無法企及的。最近出現(xiàn)的一些器件，如 Intel Arria 10 GX FPGA 和 Lattice Semiconductor ECP5 FPGA，大大縮小了先進 FPGA 和 GPU 之間的差距。對于某些使用緊湊的整數(shù)數(shù)據(jù)類型的 DNN 架構(gòu)來說，此類 FPGA 的性能/功耗比甚至高于主流 GPU。
高級 FPGA 組合了嵌入式存儲器和數(shù)字信號處理 (DSP) 資源，對于一般矩陣乘法 (GEMM) 運算能夠?qū)崿F(xiàn)很高的性能。其嵌入式存儲器靠近計算引擎，從而緩解了 CPU 存儲器瓶頸，而這種瓶頸通常會限制通用處理器上機器學(xué)習(xí)算法的性能。反之，相比于典型 DSP 器件（圖 1），F(xiàn)PGA 上的嵌入式 DSP 計算引擎提供了更多的并行乘法器資源。FPGA 廠商在交付專門用于機器學(xué)習(xí)的 FPGA 開發(fā)平臺時充分利用了這些特性。
圖 1：Lattice Semiconductor ECP5 之類的高級 FPGA 提供了實現(xiàn)高性能推理所需的并行處理資源和嵌入式存儲器。（圖片來源：Lattice Semiconductor）
例如，Intel 最近推出的支持 FPGA 的 OPENVINO™ 擴展了該平臺將推理模型部署到不同類型設(shè)備（包括 GPU、CPU 和 FPGA）的能力。在該平臺上，開發(fā)人員可使用 Intel 的深度學(xué)習(xí)推理引擎工作流程，其中整合了 Intel 深度學(xué)習(xí)部署工具包和在 Intel OPENVINO 工具包中提供的 Intel 計算機視覺軟件開發(fā)套件 (SDK)。開發(fā)人員使用 SDK 的應(yīng)用編程接口 (API) 構(gòu)建模型，并且可利用 Intel 的運行模型優(yōu)化器針對不同硬件平臺進行優(yōu)化。
深度學(xué)習(xí)部署工具包旨在與 Intel DK-DEV-10AX115S-A Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件配合使用，讓開發(fā)人員能從領(lǐng)先的 ML 框架（包括 Caffe 和 TensorFlow）導(dǎo)入訓(xùn)練好的模型（圖 2）。在諸如 Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件之類目標平臺或使用 Arria 10 GX FPGA 器件的定制設(shè)計上，工具包中的模型優(yōu)化器和推理引擎分別處理模型轉(zhuǎn)換和部署。
圖 2：支持 FPGA 的 Intel OPENVINO 工具包提供了一套必需的完整工具鏈，可將在 Caffe、TensorFlow 和其他框架上訓(xùn)練的模型部署到 Arria 10 GX FPGA 開發(fā)套件或圍繞 Arria 10 GX FPGA 構(gòu)建的定制設(shè)計上。（圖片來源：Intel）
為了遷移預(yù)訓(xùn)練模型，開發(fā)人員使用基于 Python 的模型優(yōu)化器生成了一個中間表示 (IR)，該表示包含在一個提供網(wǎng)絡(luò)拓撲的 xml 文件和一個以二進制值提供模型參數(shù)的 bin 文件中。除了生成 IR 之外，模型優(yōu)化器還會執(zhí)行一項關(guān)鍵功能——移除模型中用于訓(xùn)練但對推理毫無作用的層。此外，該工具會在可能的情況下將每個提供獨立數(shù)學(xué)運算的層合并到一個組合層中。
通過這種網(wǎng)絡(luò)修剪和合并，模型變得更緊湊，進而加快推理時間并減少對目標平臺的存儲器需求。
Intel 推理引擎是一個 C++ 庫，其中包含一組 C++ 類。這些類對于受支持的目標硬件平臺來說是通用的，因此可以在各個平臺上實現(xiàn)推理。對于推理應(yīng)用而言，開發(fā)人員使用像 CNNNetReader 這樣的類來讀取 xml 文件 (ReadNetwork) 中包含的 CNN 拓撲以及 bin 文件 (ReadWeights) 中包含的模型參數(shù)。模型加載完成后，調(diào)用類方法 Infer() 執(zhí)行阻塞推理，同時調(diào)用類方法 StartAsync() 執(zhí)行異步推理，當推理完成時使用等待或完成例程處理結(jié)果。
Intel 在 OPENVINO 環(huán)境提供的多個示例應(yīng)用程序中演示了完整的工作流程和詳細的推理引擎 API 調(diào)用。例如，安全屏障攝像機示例應(yīng)用程序展示了使用推理模型流水線，以首先確定車輛邊界框（圖 3）。流水線中的下一個模型檢查了邊界框中的內(nèi)容，識別車輛類別、顏色和車牌位置等車輛屬性。
圖 3：Intel 安全屏障攝像機示例應(yīng)用程序演示了使用推理流水線，先識別車輛（綠色邊界框），再識別顏色、類型和車牌位置（紅色框）等車輛屬性，最后識別車牌字符（紅色文本）。（圖片來源：Intel Corp.）
流水線中的最后一個模型使用這些車輛屬性從車牌中提取字符。為了使用該模型進行推理，示例代碼顯示了利用推理模型 C++ 庫創(chuàng)建對象 (LPR)，而該對象則是名為 LPRDetection 的結(jié)構(gòu)的一個實例。此結(jié)構(gòu)使用推理引擎 API 類對象來讀取 (CNNNetReader) 并驗證模型輸入和輸出（列表 1）。
副本 CNNNetwork read() override {
std::cout << "[ INFO ] Loading network files for Licence Plate Recognition (LPR)" << std::endl;
CNNNetReader netReader;
/** Read network model **/
netReader.ReadNetwork(FLAGS_m_lpr);
std::cout << "[ INFO ] Batch size is forced to 1 for LPR Network" << std::endl;
netReader.getNetwork().setBatchSize(1);
/** Extract model name and load it's weights **/
std::string binFileName = fileNameNoExt(FLAGS_m_lpr) + ".bin";
netReader.ReadWeights(binFileName);
/** LPR network should have 2 inputs (and second is just a stub) and one output **/
// ---------------------------Check inputs
std::cout << "[ INFO ] Checking LPR Network inputs" << std::endl;
InputsDataMap inputInfo(netReader.getNetwork().getInputsInfo());
if (inputInfo.size() != 2) {
throw std::logic_error("LPR should have 2 inputs");
}
InputInfo::Ptr& inputInfoFirst = inputInfo.begin()->second;
inputInfoFirst->setInputPrecision(Precision::U8);
inputInfoFirst->getInputData()->setLayout(Layout::NCHW);
inputImageName = inputInfo.begin()->first;
auto sequenceInput = (++inputInfo.begin());
inputSeqName = sequenceInput->first;
if (sequenceInput->second->getTensorDesc().getDims()[0] != maxSequenceSizePerPlate) {
throw std::logic_error("LPR post-processing assumes certain maximum sequences");
}
// ---------------------------Check outputs
std::cout << "[ INFO ] Checking LPR Network outputs" << std::endl;
OutputsDataMap outputInfo(netReader.getNetwork().getOutputsInfo());
if (outputInfo.size() != 1) {
throw std::logic_error("LPR should have 1 output");
}
outputName = outputInfo.begin()->first;
std::cout << "[ INFO ] Loading LPR model to the "<< FLAGS_d_lpr << " plugin" << std::endl;
_enabled = true;
return netReader.getNetwork();
}
列表 1：此代碼片段來自 Intel OPENVINO 工具包中的安全屏障攝像機示例應(yīng)用程序，演示了使用 Intel 推理引擎 C++ 庫 API 將模型及其參數(shù)讀入推理引擎的設(shè)計模式。（代碼來源：Intel）
為了執(zhí)行推理，該代碼加載數(shù)據(jù)并調(diào)用 submitRequest 方法，該方法啟動推理周期并等待結(jié)果，然后顯示識別的車牌字符（列表 2）。
副本 if (LPR.enabled()) { // licence plate
// expanding a bounding box a bit, better for the license plate recognition
result.location.x -= 5;
result.location.y -= 5;
result.location.width += 10;
result.location.height += 10;
auto clippedRect = result.location & cv::Rect(0, 0, width, height);
cv::Mat Plate = frame(clippedRect);
// ----------------------------Run License Plate Recognition
LPR.enqueue(Plate);
t0 = std::chrono::high_resolution_clock::now();
LPR.submitRequest();
LPR.wait();
t1 = std::chrono::high_resolution_clock::now();
LPRNetworktime += std::chrono::duration_cast(t1 - t0);
LPRInferred++;
// ----------------------------Process outputs
cv::putText(frame,
LPR.GetLicencePlateText(),
cv::Point2f(result.location.x, result.location.y + result.location.height + 15),
cv::FONT_HERSHEY_COMPLEX_SMALL,
0.8,
cv::Scalar(0, 0, 255));
if (FLAGS_r) {
std::cout << "License Plate Recognition results:" << LPR.GetLicencePlateText() << std::endl;
}
}
cv::rectangle(frame, result.location, cv::Scalar(0, 0, 255), 2);
}
列表 2：此代碼片段來自 Intel OPENVINO 工具包中的安全屏障攝像機示例應(yīng)用程序，展示了加載模型、執(zhí)行推理和生成結(jié)果的設(shè)計模式。（代碼來源：Intel）
Intel 的 OPENVINO 方法強調(diào)平臺重定向，而 Lattice 的 SensAI 平臺完全聚焦于 FPGA 推理。SensAI 平臺的特性之一是為 DNN 架構(gòu)（包括 CNN 和一個稱為二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (BNN) 的緊湊架構(gòu)）提供 FPGA IP。針對嵌入式視覺，SensAI CNN IP 為完整的推理引擎提供框架，將控制子系統(tǒng)、存儲器、輸入和輸出的接口與實現(xiàn)不同類型模型層（包括卷積、BatchNorm 歸一化、ReLu 激活、池化和其他）的資源結(jié)合在一起（圖 4）。
圖 4：Lattice Semiconductor CNN IP 實現(xiàn)了一個完整的推理系統(tǒng)框架，將專用引擎和用于控制、存儲器、輸入、輸出的接口結(jié)合在一起。（圖片來源：Lattice Semiconductor）
為了實現(xiàn) CNN 模型，開發(fā)人員首先要在針對 ECP5 FPGA 的 Lattice Diamond 設(shè)計環(huán)境中或針對其他 Lattice FPGA 系列的 Radiant 設(shè)計環(huán)境中，利用 Lattice Clarity 配置工具配置 CNN。這里，開發(fā)人員可以指定模型類型（CNN 或 BNN）、卷積引擎數(shù)（最多 8 個）及每層的內(nèi)部存儲大?。ㄗ疃?16 Kb）或二進制大對象 (blob)。配置 CNN 之后，開發(fā)人員使用設(shè)計環(huán)境生成核心，作為 FPGA 比特流。
開發(fā)人員單獨將通過 Caffe 或 TensorFlow 開發(fā)并訓(xùn)練好的模型導(dǎo)入 SensAI 平臺。這里，Lattice 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器將訓(xùn)練好的 Caffe 或 TensorFlow 模型轉(zhuǎn)換為一組包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)和執(zhí)行命令序列的文件。SensAI 平臺將來自設(shè)計環(huán)境和編譯器的單獨輸出一起并入 FPGA，以提供最終的推理模型（圖 5）。
圖 5：Lattice Semiconductor SensAI 平臺將其 CNN 和 BNN IP 與其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器結(jié)合在一起，使開發(fā)人員能夠轉(zhuǎn)換 Caffe 或 TensorFlow 模型，以在 Lattice FPGA 上作為推理引擎來運行。（圖片來源：Lattice Semiconductor）
針對嵌入式視覺應(yīng)用，Lattice LF-EVDK1-EVN 嵌入式視覺開發(fā)套件 (EVDK) 為運行 CNN 模型推理提供了理想的目標平臺。EVDK 提供了一個完整的 80 x 80 mm 三板堆疊式視頻平臺，包括 Lattice CrossLink 視頻輸入板、帶 ECP5 FPGA 的處理器板和 HDMI 輸出板。開發(fā)人員可以將 EVDK 用作 Lattice 提供的多個示例 CNN 應(yīng)用的目標平臺。例如，Lattice 速度標志檢測參考設(shè)計運用 EVDK 來展示 SensAI CNN IP 在典型汽車應(yīng)用中的應(yīng)用（圖 6）。
圖 6：Lattice Semiconductor 速度標志檢測參考設(shè)計利用 SensAI 平臺和 Lattice LF_EVDK1-EVN 嵌入式視覺開發(fā)套件提供一個完整的推理應(yīng)用，開發(fā)人員可以對其立即操作或詳細探索。（圖片來源：Lattice Semiconductor）
此示例應(yīng)用程序的項目文件包括全套文件，從 Caffe caffemodel 和 TensorFlow pb 格式的模型開始。因此，開發(fā)人員可以探索這些模型的細節(jié)。例如，使用 TensorFlow import_pb_to_tensorboard.py 實用程序，開發(fā)人員可以導(dǎo)入 Lattice 提供的 pb 模型，以查看此示例應(yīng)用程序中使用的 CNN 的細節(jié)（圖 7）。本例中，所提供的模型是由四個“Fire”模塊組成的序列，每個模塊包括：
Conv2D 層，執(zhí)行 3 x 3 卷積以從輸入流中提取特征
激活層，執(zhí)行 BatchNorm 歸一化，然后執(zhí)行修正線性單元 (ReLU) 激活
MaxPool 池化層，用于對前一層的輸出進行采樣
圖 7：Lattice 速度標志檢測示例應(yīng)用程序包括 TensorFlow pb 模型，開發(fā)人員可以將其導(dǎo)入 TensorBoard 進行詳細檢查。注意：數(shù)據(jù)向上流過此圖中的各層。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
開發(fā)人員可以使用 SensAI 平臺生成模型文件，完成前面描述的模型流程。或者，開發(fā)人員可以使用所提供的文件直接跳轉(zhuǎn)到部署階段。任一情況下，文件都是通過接有適配器的 microSD 卡加載到 EVDK 中。
在操作中，EVDK 上的攝像機向 ECP5 FPGA 提供視頻流，其中配置的 CNN 加速器 IP 執(zhí)行命令序列以執(zhí)行推理。同任何推理引擎一樣，每個輸出通道都會產(chǎn)生一個結(jié)果，指出與該輸出通道相關(guān)聯(lián)的標簽即為輸入圖像的校正標簽的概率。本例中，模型是用每小時 25、30、35、40、45、50、55、60 和 65 英里的限速標志的標注圖像進行訓(xùn)練的。因此，當模型在其輸入字段中的任何位置檢測到限速標志時，它會顯示檢測到的標志對應(yīng)于每小時 25、30、35、40、45、50、55、60 或 65 英里限速的概率（圖 8）。
圖 8：Lattice 速度標志檢測演示運行在 Lattice EVDK 上，對視頻輸入流執(zhí)行推理，生成輸出值，指示捕獲到的圖像對應(yīng)于與該特定輸出相關(guān)聯(lián)的標簽的可能性。本例中，它顯示限速標志最有可能是 25 mph。（圖片來源：Lattice Semiconductor）
為在嵌入式視覺應(yīng)用中運用機器學(xué)習(xí)，開發(fā)人員使用可用硬件平臺實現(xiàn)所需性能水平的能力受到了限制。然而，高性能 FPGA 的出現(xiàn)使得開發(fā)人員可以構(gòu)建性能接近 GPU 的推理引擎。采用專為嵌入式視覺設(shè)計的機器學(xué)習(xí) FPGA 平臺，開發(fā)人員可以專注于特定需求，使用標準機器學(xué)習(xí)框架訓(xùn)練模型，并依靠 FPGA 平臺實現(xiàn)高性能推理。