Xilinx FPGA助力智能化人群監(jiān)控系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種高樓大廈林立而起，同時(shí)這些建筑里的人流量也在不斷增長(zhǎng)，尤其一些大型商業(yè)娛樂(lè)場(chǎng)所，超市，銀行，地鐵以及一些召開大型會(huì)議場(chǎng)所等人群密集區(qū)域，單純的靠人工來(lái)監(jiān)控這些區(qū)域，無(wú)疑顯得捉襟見肘，如果出現(xiàn)人工疏忽就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的公共安全事故，危害人身安全。因此需要開發(fā)一種智能化的人群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，幫助人們準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)人群中不正常的活動(dòng)作出判斷和預(yù)防。

目前很多國(guó)家政府和安全部門都開始探索更加智能的人群監(jiān)控方式，以預(yù)防悲劇的發(fā)生。但是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)仍然面臨很多障礙，僅僅靠傳統(tǒng)的人工方式肯定是行不通的。唯一的解決方案是開發(fā)一套智能化的視覺(jué)系統(tǒng),能夠自動(dòng)監(jiān)控人群的活動(dòng)，并且通過(guò)視頻分析技術(shù)識(shí)別有潛在危害的行為并通知控制中心。

圖1 人群監(jiān)控識(shí)別

要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)智能化的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)不僅需要高級(jí)的圖像傳感器和光學(xué)系統(tǒng)，還需要高性能的視頻處理器來(lái)完成視頻的分析。需求更加強(qiáng)大的視頻處理器的原因是復(fù)雜的視頻分析技術(shù)，它們大部分采用計(jì)算密集型的視頻處理算法。

FPGA是非常符合此類應(yīng)用需求的處理器芯片，目前Xilinx推出了HLS工具和UltraFast設(shè)計(jì)方法，可以讓開發(fā)人員使用FPGA設(shè)計(jì)更加優(yōu)化和高性能的應(yīng)用。我們也可以在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)嵌入式處理器，例如Xilinx MicroBlaze，這就意味著一些需要復(fù)雜控制流程的應(yīng)用可以移植到FPGA上來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Xilinx提供了一個(gè)人群行為監(jiān)控和分類系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)架構(gòu)為軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，視頻圖像分析算法采用硬件加速。FPGA型號(hào)采用低成本的Spartan-6 LX45，這個(gè)設(shè)計(jì)從提出到完成并沒(méi)用花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，卻展現(xiàn)出期望的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控性能，具備低成本，高度靈活可擴(kuò)展的特點(diǎn)。

圖2 FPGA內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)

人群行為分類算法的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)視頻幀隊(duì)列函數(shù)API接口獲取視頻幀圖像，當(dāng)獲取一幀圖像后，應(yīng)用程序會(huì)將當(dāng)前和圖像幀數(shù)據(jù)和前一幀圖像數(shù)據(jù)傳遞給硬件加速器，完成行為矢量分析計(jì)算，然后軟件部分計(jì)算行為矢量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并得出分類結(jié)果，在軟件部分實(shí)現(xiàn)這些步驟的原因是這些都不涉及像素級(jí)別的圖像處理，不會(huì)增加處理器性能開銷，當(dāng)?shù)贸龇诸惤Y(jié)果得出后，可以調(diào)用屏顯函數(shù)接口顯示計(jì)算結(jié)果和模擬的行為矢量模型，屏顯函數(shù)接口采用C/C++語(yǔ)言在Xilinx SDK工具中實(shí)現(xiàn)。

FPGA相當(dāng)于視覺(jué)系統(tǒng)的大腦，腦力越發(fā)達(dá)所能勝任的任務(wù)就越多，而人群的行為監(jiān)控及行為類別判斷采用的圖像處理算法需要大量的密集型計(jì)算處理，F(xiàn)PGA并行處理，硬件加速，設(shè)計(jì)靈活的特性，使其成為高性能需求領(lǐng)域的不二選擇。