طراحي و پياده سازي شتاب‌دهنده سخت‌افزاري مبتني بر مدل YOLOv3-tiny براي تشخيص اشيا به صورت بلادرنگ

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

با گسترش كاربردهاي بينايي ماشين در سامانه‌هاي بلادرنگ و مبتني بر لبه، نياز به پياده‌سازي كارآمد الگوريتم‌هاي تشخيص اشياء با مصرف توان كم و تأخير پايين، بيش از پيش احساس مي‌شود. شبكه‌هاي عميق تشخيص اشياء، علي‌رغم دقت بالا، به دليل پيچيدگي محاسباتي و نياز به منابع پردازشي سنگين، اجراي مستقيم بر روي پردازنده‌هاي عمومي را براي بسياري از كاربردهاي بلادرنگ با محدوديت مواجه مي‌كنند. در اين راستا، استفاده از شتاب‌دهنده‌هاي سخت‌افزاري مبتني بر FPGA به ‌عنوان راهكاري انعطاف‌پذير و كم‌مصرف مورد توجه قرار گرفته است. در اين پايان‌نامه، يك سامانه‌ي تشخيص بلادرنگ اشياء مبتني بر شبكه‌ي YOLOv3-tiny به صورت سخت افزاري طراحي شده و بر روي FPGA پياده‌سازي شده است. ابتدا ساختار شبكه YOLOv3-tiny به‌صورت دقيق تحليل شد و به صورت كاملا نرم افزاري پياده‌سازي گرديد. با شبيه‌سازي مدل نرم‌افزاري، گلوگاه‌هاي محاسباتي شبكه شناسايي شد. براي بهبود كارايي شبكه ايده‌هايي نظير كوانتيزاسيون داده‌ها و وزن‌ها، موازي‌سازي عمليات كانولوشن، طراحي ماژولار و بهينه‌سازي دسترسي به حافظه ارائه شد و اثربخشي آن¬ها با استفاده از مدل نرم‌افزاري پياده‌سازي شده مورد ارزيابي قرار گرفت. پس از حصول طرح مناسب بر اساس شبيه‌سازي‌هاي نرم افزاري، يك معماري سخت‌افزاري سفارشي براي شتاب‌دهي شبكه طراحي شد. در اين مرحله نيز راهكارهايي براي غلبه بر محدوديت منابع در دسترس ارائه گرديد. شتاب‌دهنده سخت افزاري بر روي برد Xilinx Kria KV260 پياده‌سازي شد و عملكرد اجزاي مختلف آن شامل واحدهاي ورودي داده، فيلتر، پردازش و خروجي به‌صورت كامل مورد ارزيابي قرار گرفت. اعتبارسنجي عملكرد شتاب‌دهنده انجام شد و معيارهايي نظير دقت تشخيص، نرخ فريم، مصرف منابع سخت‌افزاري و توان مصرفي مورد بررسي قرار گرفتند. نتايج حاصل نشان داد كه معماري پيشنهادي با دستيابي به سرعت پردازش 66 فريم بر ثانيه و توان مصرفي حدود 3٫4 وات، ضمن حفظ دقت مناسب، عملكرد بهتري نسبت به پژوهش¬هاي مشابه ارائه مي‌دهد. همچنين ساختار ماژولار و انعطاف‌پذير معماري پيشنهادي، امكان توسعه و به‌كارگيري آن را براي ساير شبكه‌هاي مبتني بر كانولوشن و كاربردهاي بلادرنگ لبه‌محور فراهم مي‌سازد.

237121

مدار مجتمع الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان