基于FPGA卷积神经网络的宿舍人脸检测

概述

本项目旨在利用FPGA实现基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）的宿舍人脸检测系统。该系统能够实时地检测宿舍内的人脸，并将检测到的结果通过视频输出。

技术介绍

卷积神经网络是一种深度学习模型，它能够对图像、语音等数据进行分类、识别、检测等任务。与传统的神经网络相比，卷积神经网络更加适合处理图像数据，因为它能够保留图像的局部特征。

在本项目中，使用了一个经典的CNN模型：YOLO（You Only Look Once）。YOLO模型采用了一种先验框（Prior Boxes）的方法，这种方法能够快速地检测出图像中的目标对象。与传统的目标检测算法相比，YOLO模型的速度更快，但是准确率略低。

为了实现该系统，我们需要先将YOLO模型转换为FPGA可实现的电路。这里使用了高级综合工具（High-Level Synthesis，HLS）来完成。HLS能够将高级编程语言（如C++）转换为硬件描述语言（如Verilog或VHDL），从而将高层次的算法转换为可执行的电路。

系统架构

该系统的总体架构如下图所示：


宿舍内的监控摄像头会不断采集视频流，并将视频流作为输入传入FPGA板子。FPGA板子中的HLS模块会将采集到的视频流按照固定的大小进行裁剪，并将裁剪后的图像作为输入传入CNN模型。CNN模型会对输入的图像进行处理，并输出检测结果。最后，FPGA板子中的视频输出模块会将检测结果映射到输出视频流中，输出到显示设备上。

开发流程

1. 安装Vivado开发环境

Vivado是一款Xilinx公司开发的FPGA设计软件，包含了电路设计、模拟、综合、布局、实现等功能，能够帮助开发者快速地完成FPGA系统的设计与实现。在开发本项目前，需要下载并安装Vivado。

2. 编写YOLO模型

在开始使用HLS转换模型之前，需要先编写CNN模型。YOLO是一种非常经典的CNN模型，其结构如下图所示：


YOLO模型包含了24个卷积层、2个全连接层和1个检测层。其中卷积层采用的是3x3大小的卷积核，辅以ReLU激活函数。全连接层使用的是Dropout技术来防止过拟合。检测层则通过从先验框中选择最佳匹配来确定检测结果。

该模型基于Darknet实现，可以从GitHub上下载源代码：https://github.com/AlexeyAB/darknet

3. 使用HLS转换模型

有了模型之后，接下来需要使用HLS将其转换为可行的硬件描述语言。这里我们使用Xilinx公司的Vivado HLS来进行转换。具体来说，需要进行以下步骤：

1. 使用Vivado HLS创建一个新项目，并将YOLO的C++实现加入到项目中。
2. 通过HLS自带的C-synthesis工具生成一个可综合的RTL文件（可执行的硬件描述语言代码）。
3. 通过Vivado工具将此RTL文件与其他必要的模块组成顶层模块，形成可综合的FPGA逻辑。

在将模型转换成可综合的硬件描述语言代码之后，需要对部分代码进行优化，以适应FPGA的特性。优化的内容包括：

- 定点化：将模型中的浮点数转换为定点数，以减少资源消耗和延迟。
- 流水线化：将模型中的各层处理分为多个阶段，以增加吞吐量和降低延迟。
- 数据重用：对一些数据进行缓存，提高数据重用率，减少数据访问延迟。

4. 实现视频输入和输出模块

除了模型之外，还需要设计并实现视频输入和输出模块。在本项目中，视频输入模块需要实现以下功能：

- 控制采集视频流的帧率和分辨率。
- 对采集到的视频流进行裁剪，以便传入CNN模型进行处理。

视频输出模块需要实现以下功能：

- 在送入FPGA的数据流中插入输出图像的信号。
- 根据CNN输出的结果将监测框添加到输出图像中。

5. 在FPGA板子上实现系统

最后一步是将设计好的系统部署到FPGA板子上。这里需要将生成的二进制文件烧录到FPGA板子中，并连接相关硬件设备，如摄像头和显示器。

总结

本项目实现了基于FPGA的卷积神经网络宿舍人脸检测系统，能够实时地检测宿舍内的人脸，并将检测结果通过视频输出。该系统利用了高级综合工具将YOLO模型转化为可综合的硬件描述语言代码，使得模型能够在FPGA上实现加速。同时，该项目还涉及到视频输入、输出模块的设计与实现，这为FPGA系统的开发提供了新的思路与方向。