基于ZYNQ- 7000 算法平臺(tái)的行人檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李傳志

（吉林工業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，吉林 吉林132000）

隨著行人檢測技術(shù)水平的不斷提高，各行業(yè)均不斷引入行人檢測技術(shù)，尤其在戶外場景、汽車等移動(dòng)設(shè)備中得到了極為廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)行人檢測技術(shù)檢測算法復(fù)雜性高、靈活度低、便捷性差，進(jìn)而導(dǎo)致其應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制，所以本文將基于ZYNQ-7000 算法平臺(tái)構(gòu)建出一款高效行人檢測系統(tǒng)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 相關(guān)算法

1.1 HOG 特征

方向梯度直方圖（HOG）屬于一種特征描述子，能揭示行人輪廓信息，主要通過對局部方向梯度直方圖進(jìn)行合理應(yīng)用，來構(gòu)建特征集。HOG 算法的核心思想為滑動(dòng)窗口機(jī)制，可使圖像局部目標(biāo)的原有形狀轉(zhuǎn)化為梯度方向的密度分布[1]。HOG 特征提取過程中，圖像需被平均分成多個(gè)cell 單元，再根據(jù)cell 單元具體大小，計(jì)算每個(gè)像素梯度，并行梯度直方圖統(tǒng)計(jì)，最后將cell 單元以3×3 形式拼為相互重疊的block 塊，獲得圖像HOG特征[2]。

1.2 AdaBoost 級聯(lián)分類器

AdaBoost 算法屬一種迭代算法，利用若干弱分類器學(xué)習(xí)同一訓(xùn)練集，每個(gè)弱分類器可獲得0、1 兩種結(jié)果，再將所有弱分類器組成一個(gè)強(qiáng)分類器[3]。

2 算法優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

利用串行結(jié)構(gòu)提取特征是傳統(tǒng)HOG 算法常用方式，效率低，難滿足實(shí)時(shí)性要求。為加快HOG 特征提取速度，本文在傳統(tǒng)HOG 算法中融入現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的三級流水線結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)HOG 特征提取算法能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成梯度計(jì)算模塊、cell 和block 單元統(tǒng)計(jì)直方圖生成模塊等更多工作內(nèi)容，提高算法執(zhí)行效率。然而，本文為能進(jìn)一步提高算法效率，選用位移運(yùn)算代替相對復(fù)雜的除法運(yùn)算，這樣不僅能促進(jìn)歸一化速度有效提高，同時(shí)還能對硬件資源的消耗進(jìn)行有效控制。本文選用賽靈思公司開發(fā)的ZYNQ-7000 片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種算法，這種片上系統(tǒng)主要由PL 和PS 兩部分組成，其中PL端更加適合提取模塊等計(jì)算量較大和級聯(lián)分類器模塊等容易發(fā)生并行化的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)，而PS 端則更加適合圖片讀取模塊、顯示控制模塊等運(yùn)算量相對較小但流程控制較為復(fù)雜的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)[4]。

2.1 HOG 算法硬件設(shè)計(jì)

此部分設(shè)計(jì)主要包括梯度計(jì)算、梯度幅值和角度、生成cell統(tǒng)計(jì)直方圖和生成block 統(tǒng)計(jì)直方圖四方面內(nèi)容。

其一，梯度計(jì)算。梯度計(jì)算模塊設(shè)計(jì)選用流水線結(jié)構(gòu)，此模塊由處理區(qū)和緩存區(qū)兩部分組成，處其中處理區(qū)包含8 個(gè)8bit位移寄存器（包含REG_1_1～2，REG_2_1～3，REG_3_1～3），如圖1，時(shí)鐘上升沿驅(qū)動(dòng)后，8bit 亮度值L 首先進(jìn)入REG_3_1，此時(shí)其他寄存值會(huì)按順序進(jìn)入下一級。檢測80×60 像素圖片時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)圖片信息完全儲(chǔ)存，緩存區(qū)必須設(shè)置2×57 個(gè)8bit 寄存器單元，采取這種方式可為計(jì)算梯度的亮度值一直處于處理區(qū)REG_1_2、REG_2_1、REG_2_3 及REG_3_2 中提供保障，同時(shí)這種方式無需一次性緩存所有像素值，只需要設(shè)計(jì)122 個(gè)8bit寄存器緩存，從而一定程度上降低了硬件資源使用。

圖1 梯度計(jì)算流水線結(jié)構(gòu)示意圖

其二，梯度幅值和角度。直方圖生成過程中，無需獲取具體角度值，僅需要明確對應(yīng)段號，即可實(shí)現(xiàn)直方圖生成，技術(shù)研發(fā)人員針對原有像素點(diǎn)的梯度幅值和角度計(jì)算公式進(jìn)行簡化，獲得公式（1），其中將梯度方向表示為θn(h,w)，并且θn(h,w)∈｛0，1，2，…，7｝。利用這種方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可使用4 次乘法運(yùn)算、4 次比較運(yùn)算以及1 次減法運(yùn)算替代相對復(fù)雜的tan-1運(yùn)算，進(jìn)而節(jié)省運(yùn)算難度，提高運(yùn)算效率。

其三，cell 統(tǒng)計(jì)直方圖。單個(gè)像素點(diǎn)包含梯度幅值與梯度角度兩部分，設(shè)計(jì)復(fù)雜性得以降低，將梯度幅值（9bit）與梯度角度（3bit）連接成1 個(gè)數(shù)據(jù)（12bit）作為本模塊輸入內(nèi)容。本文設(shè)計(jì)cell 統(tǒng)計(jì)直方圖依然采用流水線結(jié)構(gòu)，其中處理區(qū)共包括25 個(gè)寄存器單元，對應(yīng)1 個(gè)cell 單元，并利用8×14bit 表示生成cell單元統(tǒng)計(jì)直方圖h，但由于各cell 單元并不存在重疊關(guān)系，因此無需在每個(gè)時(shí)鐘周期都進(jìn)行計(jì)算。

其四，block 統(tǒng)計(jì)直方圖。Block 塊由cell 單元以3×3 形式組成，其設(shè)計(jì)同樣采用流水線結(jié)構(gòu)完成，見圖2，通過上一級生成的8×14bit cell 統(tǒng)計(jì)直方圖h 依次流入下一寄存器單元，技術(shù)開發(fā)人員為有效簡化歸一化過程，研發(fā)出一種分段法近似法，這種方法將歸一化計(jì)算公式中的歸一化分母近似為以2 為底的指數(shù)冪和，進(jìn)而將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為一種移位運(yùn)算，使得算法運(yùn)算速度在一定范圍內(nèi)可大幅度提升。

2.2 AdaBoost 級聯(lián)分類器硬件設(shè)計(jì)

分類器硬件設(shè)計(jì)包含離線學(xué)習(xí)和硬件實(shí)現(xiàn)兩部分。選用矩陣實(shí)驗(yàn)室（MATLAB）軟件實(shí)現(xiàn)分類器的離線學(xué)習(xí)，在此期間，需要全面分析樣本中每個(gè)block 塊單元的HOG 特征值，并選擇最大累計(jì)分布差值時(shí)對應(yīng)的特征值與塊坐標(biāo)作為迭代輸出弱分類器，作為一次迭代訓(xùn)練，連續(xù)500 次。將重復(fù)弱分類器全部清除后，最終共獲得弱分類器61 個(gè)，將其聯(lián)合為一個(gè)強(qiáng)分類器，利用這個(gè)強(qiáng)分類器匹配待檢測圖片和已訓(xùn)練完成分類器，再統(tǒng)計(jì)匹配成功數(shù)量，以此判定當(dāng)前窗口是否存在行人，匹配成功個(gè)數(shù)高于閾值表明有行人，反之表明無行人。技術(shù)研發(fā)人員為明確最佳閾值，分別將閾值設(shè)置為10～50，最終發(fā)現(xiàn)分類器閾值設(shè)置為24 時(shí)，檢測效果最為優(yōu)異。在FPGA 的BRAM中固化訓(xùn)練獲取分類器參數(shù)，是硬件設(shè)計(jì)階段基本內(nèi)容。首先在硬件弱分類器中設(shè)置一個(gè)8bit RAM，以保存特征值。例如本文選用80×60 大小圖像作為訓(xùn)練樣本，通過乘法運(yùn)算可獲得14×10 個(gè)block 塊，但乘法運(yùn)算對FPGA 產(chǎn)生資源消耗較大，若想減少資源消耗，則需要緊湊設(shè)計(jì)電路，同時(shí)還需要在設(shè)計(jì)過程中，利用寬度方向坐標(biāo)與高度方向坐標(biāo)拼接而成的8bit 定點(diǎn)數(shù)，替代原有的寬度方向坐標(biāo)與高度方向坐標(biāo)乘積值，以達(dá)到節(jié)省資源的目的。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)出圖3 所示分類器。

圖3 分類器設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文選用以ZYNQ-7000 為基礎(chǔ)的ALINX7010 開發(fā)板作為硬 件 平 臺(tái)，ARM 主 頻 設(shè) 置 為667MHz，F(xiàn)PGA 主 頻 設(shè) 置 為250MHz，選用VIVADO 2017.4 與Xilinx SDK 2018.1 作為開發(fā)環(huán)境，選用C 語言作為編程語言，行人數(shù)據(jù)庫選用CSDN，選擇大小為80×60 圖像作為樣本數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽取正負(fù)樣本各2000 個(gè)作為訓(xùn)練樣本集，另隨機(jī)抽取正負(fù)樣本各3000 個(gè)作為測試樣本集。檢測不同實(shí)現(xiàn)方式下算法的召回率（TPR）、精度（P）和誤檢率（FPR），結(jié)果顯示三種實(shí)現(xiàn)方法檢測準(zhǔn)確性大致相同，詳見表1；對比不同實(shí)現(xiàn)方式資源利用和時(shí)間消耗情況，結(jié)果顯示本文應(yīng)用的PS+PL 實(shí)現(xiàn)方式資源占用更高，但運(yùn)行時(shí)間明顯低于PS 實(shí)現(xiàn)方式，詳見表2。

表1 不同實(shí)現(xiàn)方式下算法檢測準(zhǔn)確性

表2 資源和時(shí)間消耗

結(jié)束語

本文構(gòu)建基于ZYNQ-7000 算法平臺(tái)的行人檢測系統(tǒng)，對FPGA 特性進(jìn)行了充分利用，對HOG 算法和AdaBoost 分類器均進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)充分結(jié)合ARM完成顯示與控制，在保持同等檢測效率的基礎(chǔ)上，大幅度提升檢測速度。