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参赛单位#xff1a;深圳大学 队伍名称#xff1a;光之巨人队 指导老师#xff1a;钟世达、袁涛 参赛队员#xff1a;冯昊港、潘家豪、慕镐泽 图1 团队风采 1. 项目简介
新冠疫情席卷全球#xff0c;有效佩戴口罩可以极大程度地减小病毒感染的风险。本项目开发…团队介绍
参赛单位深圳大学 队伍名称光之巨人队 指导老师钟世达、袁涛 参赛队员冯昊港、潘家豪、慕镐泽 图1 团队风采 1. 项目简介
新冠疫情席卷全球有效佩戴口罩可以极大程度地减小病毒感染的风险。本项目开发了一种如图所示的基于arm Cortex-M3处理器和深度学习加速器的人脸口罩检测SoC该SoC面向商场、地铁站等流动人口聚集场所能够实现高性能、高稳定性、低功耗的人脸口罩实时检测。此外该SoC还具备社交距离检测、蓝牙无线通信等功能可以在特定应用场景中协助配合人脸口罩检测系统加强对疫情的阻击防控。
图2 系统通信全景图2. 系统架构
本项目采用arm公司提供的DesignStart Eval版本的Cortex-M3处理器作为系统的中央处理单元通过CMSDK工具设计了AHB总线系统在基于单级AHB总线的框架下通过APB桥接器和AXI桥接器扩展了APB总线和AXI总线进而构成该SoC高效的总线框架。通过搭建高效的总线系统将M3处理器与硬件加速器、高速AHB外设以及低速APB外设高效互联从而完整地实现了一个如图 2 所示的具有人脸检测和人脸口罩佩戴检测功能以及社交距离监测报警功能的 SoC 系统并且操作者可以通过“功能按键”切换系统的功能模式。 系统的主要功能器件包括arm Cortex-M3处理器、两组硬件加速器、AHB总线矩阵、AXI互联模块、APB桥接器、DDR3存储器、摄像头模块、片上存储模块、HDMI显示模块、APB外设、GUI图形界面、蓝牙通信模块、超声测距模块等。其中决策树硬件加速器、OV5640、DDR3等关键模块通过AXI桥接器的方式挂载在AHB总线上实现与Cortex-M3处理器的高速互联而LED、蓝牙串口模块等外设则挂载在APB总线上系统总框架如图3所示。 图 3 系统总线框架图3. 功能介绍
控制功能本项目中Cortex-M3处理器通过自搭建的总线系统与两组硬件加速器、高速AHB外设以及低速APB外设进行协同通信M3处理器通过逻辑控制器对摄像头、硬件加速器以及其他外设功能模块进行调用。在对每一帧图像进行检测的过程中M3处理器首先控制摄像头进行图像采集采集的每一帧图像将被存储在DDR3中之后处理器会唤醒‘人脸检测加速器’和‘人脸口罩检测加速器’对存储器中的图像数据进行读取并检测检测的结果交由处理器进行图像后处理画框最后的处理结果将通过显示器显示以及GUI进行实时监测。此外为了保证SoC的工作效率我们的设计将一部分控制工作交由APB总线上的逻辑控制器负责数据流信息和地址信息的分配控制。
人脸口罩检测功能人脸口罩检测过程中‘人脸检测加速器’和‘人脸口罩佩戴检测加速器’将会分别从DDR3和片上BRAM存储单元中读取需要检测的图像数据以及权重参数文件中的数据之后如图4所示这两组并行的硬件加速器将会同时对读取的图像进行移窗检测。如图5所示两组加速器的启动过程互不影响相互独立均由M3处理器的中断指令控制最后成功通过所有决策树单元的窗口将被设为感兴趣的对象输出给处理器。
图 4 并行移窗检测图 5 两组加速器并行检测检测结果输出功能如图6所示经M3处理器以及两组硬件加速器处理后的图像可通过HDMI输出模块输出到显示屏中进行显示。其中未佩戴口罩的人脸使用‘绿框’进行标识佩戴了口罩的人脸使用‘红框’进行标识。此外考虑到无需视频显示的情况检测结果也可由串口、LED灯、蜂鸣器等外设进行输出。为了实现更便捷的人机交互功能本项目还设计了专用的图形界面GUI如图7所示该界面使用Python并基于Qt进行设计用于实时显示系统检测到的人脸数量未佩戴口罩的人脸数量、系统实时检测平均帧率以及超声波测距模块所测得的距离等信息。
图 6 显示屏输出图 7 GUI图形界面社交距离检查功能疫情期间保持安全的社交距离是避免感染风险的有效手段针对此场景需求我们模拟了产品小型化后随身佩戴的场景并且添加了社交距离检测功能使产品能够通过“功能按键”实现人脸口罩检测和社交距离检测的自由切换。在使用社交距离检测模式时当系统检测到有未佩戴口罩的人脸且进入危险的社交距离距离小于1米后系统中的LED和蜂鸣器便会启动进行报警提示提醒使用者远离该未佩戴口罩的人同时这些数据也会被同步到GUI中进行实时显示。
蓝牙无线通信功能为了避免有线数据传输带来的不便本项目还添加了蓝牙无线通信模块通过分别与FPGA开发板和PC连接的两个蓝牙模块的主从通信SoC实时检测到的未佩戴口罩的人脸数目、佩戴了口罩的人脸数目、系统检测平均帧率、检测距离等信息均可通过蓝牙模块传输到PC上再通过计算机中的GUI进行实时显示提高了系统部署的灵活性更适应市场需求。
4. 系统优势
人脸口罩佩戴检测无人系统面向社交的近距离检测功能基于DL的并行移窗加速器低延迟高性能系统总线架构低能耗高稳定高效运行能力显示屏蜂鸣器LED三重提醒面向管理者的同步支持蓝牙无线数据传输*
5. 参赛感受和分享
随着物联网和边缘智能的发展将有越来越多的AI模型部署在边缘设备之上如何低功耗地执行智能算法已经成为研究和产品开发的热点通过参加本次arm杯比赛进一步增加了我们片上系统的设计经验同时切身体会到设计部署智能算法到边缘系统中的问题整个项目分为SoC搭建和智能算法模型设计两部分进行两条路线的协调整合需要团队成员之间不断的沟通配合在团队协作以及团队老师的指导下最终我们成功完成了整个系统的设计并取得了全国一等奖的好成绩本次比赛也会成为日后科研和工作中的宝贵经验。
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