如何在NVIDIA Jetson平臺創(chuàng)建多攝像頭管道

多攝像頭應用越來越流行；它們對于實現(xiàn)自主機器人、智能視頻分析（ IVA ）和 AR / VR 應用至關重要。無論具體的用例如何，都必須始終執(zhí)行一些常見任務：

俘虜

預處理

編碼

陳列

在許多情況下，您還希望在攝像頭流上部署 DNN ，并在檢測上運行自定義邏輯。圖 1 顯示了應用程序的一般流程。

圖 1 本項目實施的管道流程

在本文中，我將展示如何在 NVIDIA Jetson 平臺上高效地實現(xiàn)這些常見任務。具體來說，我介紹了 jetmulticam ，一個易于使用的 Python 軟件包，用于創(chuàng)建多攝像頭管道。我在一個帶有環(huán)繞攝像頭系統(tǒng)的機器人上演示了一個特定的用例。

多攝像頭硬件

選擇相機時要考慮的參數(shù)有很多：分辨率、幀速率、光學、全局/滾動快門、界面、像素大小等。

在這個特定的多攝像頭設置中，可以使用以下硬件：

NVIDIA Jetson Xavier NX 單元

Leopard Imaging 提供的支持 GMSL2 的 carrier board

Leopard Imaging 的 3 × IMX185 GMSL2 cameras

IMX185 攝像頭的視野約為 90 °。如圖 2 所示，以 270 °的總視場相互垂直安裝。

圖 2 安裝攝像頭是為了最大限度地提高水平視野

攝像頭使用 GMSL 接口，該接口在距離 Jetson 模塊幾米遠的位置提供了很大的靈活性。在這種情況下，可以將攝像頭升高約 0.5 米，以獲得更大的垂直視野。

圖 3 GMSL 接口可以靈活地將攝像頭定位在遠離 Jetson 模塊的位置

開始使用 Jetmulticam

首先，在 Jetson 板上下載并安裝 NVIDIA Jetpack SDK 。然后，安裝jetmulticam軟件包：

$ git clone https://github.com/NVIDIA-AI-IOT/jetson-multicamera-pipelines.git $ cd jetson-multicamera-pipelines
$ bash scripts/install_dependencies.sh
$ pip3 install Cython
$ pip3 install .

基本多攝像機流水線

安裝完成后，可以使用CameraPipeline類創(chuàng)建基本管道。通過 initializer 參數(shù)傳遞要包含在管道中的攝影機列表。在下面的示例中，元素[0, 1, 2]對應于設備節(jié)點/dev/video0、/dev/video1和/dev/video2。

from jetmulticam import CameraPipeline
p = CameraPipeline([0, 1, 2])

就這樣，管道已經(jīng)初始化并啟動。現(xiàn)在，您可以從管道中的每個攝像頭讀取圖像，并以numpy陣列的形式訪問它們。

img0 = p.read(0) # img0 is a np.array
img1 = p.read(1)
img2 = p.read(2)

通常，在一個循環(huán)中讀取相機是很方便的，如下面的代碼示例所示。管道從主線程異步運行，read始終獲取最新的緩沖區(qū)。

while True:
 img0 = p.read(0)
 print(img0.shape) # >> (1920, 1080, 3)
 time.sleep(1/10)

更復雜的人工智能管道

現(xiàn)在，您可以構建更復雜的管道。這一次，使用CameraPipelineDNN類組成更復雜的管道，以及NGC目錄PeopleNet和DashCamNet中的兩個預訓練模型。

import time
from jetmulticam import CameraPipelineDNN
from jetmulticam.models import PeopleNet, DashCamNet

if __name__ == "__main__":

 pipeline = CameraPipelineDNN(
 cameras=[2, 5, 8],
 models=[
 PeopleNet.DLA1,
 DashCamNet.DLA0,
 # PeopleNet.GPU
 ],
 save_video=True,
 save_video_folder="/home/nx/logs/videos",
 display=True,
 )

 while pipeline.running():
 arr = pipeline.images[0] # np.array with shape (1080, 1920, 3)
 dets = pipeline.detections[0] # Detections from the DNNs
 time.sleep(1/30)

下面是管道初始化的分解：

• 攝像機
• 模型
• 硬件加速
• 保存視頻
• 顯示視頻
• 主回路

攝像機

首先，與前面的示例類似，cameras參數(shù)是傳感器列表。在這種情況下，使用與設備節(jié)點關聯(lián)的攝像頭：

• /dev/video2
• /dev/video5
• /dev/video8

cameras=[2, 5, 8]

模型

第二個參數(shù) models 使您能夠定義要在管道中運行的預訓練模型。

 models=[
 PeopleNet.DLA1,
 DashCamNet.DLA0,
 # PeopleNet.GPU
 ],

在這里，您將從NGC部署兩個經(jīng)過預訓練的模型：

• PeopleNet：一種能夠識別人、臉和包的物體檢測模型。
• DashCamNet：能夠識別四類對象的模型：汽車、人、路標和自行車。

有關更多信息，請參閱 NGC 中的model cards。

硬件加速

模型使用NVIDIA 深度學習加速器（ DLA ）實時運行。具體來說，可以在 DLA0 （ DLA Core 0 ）上部署 PeopleNet ，在 DLA1 上部署 DashCamNet 。

在兩個加速器之間分配模型有助于提高管道的總吞吐量。此外， DLA 甚至比 GPU 更節(jié)能。因此，在最高時鐘設置的滿載情況下，系統(tǒng)消耗的電量僅為~ 10W 。最后，在這種配置中， Jetson GPU 仍然可以使用 Jetson NX 上的 384 CUDA 內核自由加速更多任務。

下面的代碼示例顯示了當前支持的模型/加速器組合的列表。

pipeline = CameraPipelineDNN(
 # ...
 models=[
 models.PeopleNet.DLA0,
 models.PeopleNet.DLA1,
 models.PeopleNet.GPU,
 models.DashCamNet.DLA0,
 models.DashCamNet.DLA1,
 models.DashCamNet.GPU
 ]
 # ...
)

保存視頻

接下來的兩個參數(shù)指定是否存儲編碼的視頻，并定義用于存儲的文件夾。

save_video=True,
save_video_folder="/home/nx/logs/videos",

顯示視頻

作為最后的初始化步驟，將管道配置為在屏幕上顯示視頻輸出，以便進行調試。

display=True

主回路

最后，定義主循環(huán)。在運行期間，圖像在pipeline.images下可用，檢測結果在pipeline.detections下可用。

while pipeline.running():
 arr = pipeline.images[0] # np.array with shape (1080, 1920, 3)
 dets = pipeline.detections[0] # Detections from the DNNs
 time.sleep(1/30)

下面的代碼示例顯示了結果檢測。對于每次檢測，您都會得到一個包含以下內容的字典：

• 對象類
• 以像素坐標定義為[左、寬、頂、高]的對象位置
• 檢測置信度

>>> pipeline.detections[0]
[
 # ...
 {
 "class": "person",
 "position": [1092.72 93.68 248.01 106.38], # L-W-T-H
 "confidence": 0.91
 },
 #...
]

用自定義邏輯擴展人工智能管道

作為最后一步，您可以使用 DNN 輸出擴展主循環(huán)以構建自定義邏輯。具體來說，您可以使用攝像頭的檢測輸出在機器人中實現(xiàn)基本的人員跟隨邏輯。源代碼可在 NVIDIA-AI-IOT/jetson-multicamera-pipelines GitHub repo 中找到。

要找到要跟蹤的人，請解析管道。檢測輸出。此邏輯在 find_closest_human 函數(shù)中實現(xiàn)。

根據(jù) dets2steer 中邊界框的位置計算機器人的轉向角。

如果人在左圖中，最大限度地左轉。

如果人在正確的形象中，盡量向右轉。

如果人在中心圖像中，則按邊界框中心的 X 坐標成比例旋轉。

生成的視頻將保存到/home/nx/logs/videos，正如您在初始化過程中定義的那樣。

解決方案概述

下面簡要介紹一下在下面的示例中配置jetmulticam works. The package dynamically creates and launches a GStreamer pipeline with the number of cameras that your application requires. Figure 4 shows how the underlying GStreamer管道時的外觀。如您所見，系統(tǒng)中所有關鍵操作（由綠色方框表示）都受益于硬件加速。

圖 4 系統(tǒng)的內部組件 jetmulticam package

首先，使用多個攝像頭nvarguscamerasrc在視頻圖上捕獲。使用nvvidconv或nvvideoconvert重新縮放每個緩沖區(qū)并將其轉換為 RGBA 格式。接下來，使用服務器提供的component對幀進行批處理 DeepStream SDK 。默認情況下，批次大小等于系統(tǒng)中的攝像頭數(shù)量。

要部署 DNN 模型，請利用 nvinfer 元素。在演示中，我在 Jetson Xavier NX 上提供的兩種不同加速器 DLA core 1 和 DLA core 2 上部署了兩種型號， PeopleNet 和 DashCamNet 。然而，如果需要的話，可以將更多的模型堆疊在彼此之上。

生成的邊界框被nvosd元素覆蓋后，使用nvoverlaysink將其顯示在 HDMI 顯示屏上，并使用硬件加速的 H264 編碼器對視頻流進行編碼。保存到。 mkv 文件。

Python 代碼中可用的圖像（例如pipeline.images［0］）通過回調函數(shù)或 probe 解析為numpy數(shù)組，并在每個視頻轉換器元素上注冊。類似地，在最后一個nvinfer元素的 sinkpad 上注冊了另一個回調函數(shù)，該元素將元數(shù)據(jù)解析為用戶友好的檢測列表。有關源代碼或單個組件配置的更多信息，請參閱 create_pipeline 函數(shù)。

結論

NVIDIA Jetson 平臺上的硬件加速與 NVIDIA SDKS 結合，可以實現(xiàn)卓越的實時性能。例如，下面的示例在三個攝像頭流上實時運行兩個對象檢測神經(jīng)網(wǎng)絡，同時保持 CPU 利用率 低于 20% 。

本文展示的Jetmulticam包使您能夠用 Python 構建自己的硬件加速管道，并在檢測之上包含自定義邏輯。

關于作者

Tomasz Lewicki 是 NVIDIA 的嵌入式工程實習生。他擁有圣何塞州立大學計算機工程碩士學位，華沙工業(yè)大學華沙工業(yè)大學機器人工程學學士學位。他的興趣集中在計算機視覺和機器人應用的深度學習上。

審核編輯：郭婷