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《国防科学技术大学》 2009年
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面向目标检测识别应用的算法加速器体系结构研究

徐金波  
【摘要】: 无论在军事还是民用领域,目标检测识别技术都具有重要的研究意义和应用价值。人们提出了很多方法来提高目标检测识别的准确性,且取得了显著的成果,但是在提高目标检测识别处理速度方面的相关研究较少。 事实上,在将目标检测识别技术应用于实际系统中时,除了保证足够高的识别准确率,识别速度能否满足系统对实时性的要求也是一个关键问题。另外,目标检测识别系统的体积、实现代价、功耗以及对不同应用环境的适应能力也是需要研究的问题。 基于FPGA(FieldProgrammableGateArray)的硬件加速技术能够实现较大程度的算法到计算引擎的空间映射(区别于通用处理器),且具备计算和存储资源的定制能力(区别于ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)),因此在灵活性和高性能方面做到了比较好的权衡。同时,FPGA硬件加速器与通用处理器相比还具有体积小、功耗低的优势。 基于FPGA的硬件加速技术对于提高目标检测识别技术的实用性具有重要意义。本文研究面向目标检测识别应用的算法加速器体系结构,主要研究四类应用:静态刚性目标识别、运动目标检测提取、行人检测识别、人脸检测识别,研究目的是实现算法到有限硬件资源的充分高效的映射,在硬件实现代价、处理速度和处理效果之间进行适当的折中。基于研究成果为这四类应用分别设计了基于FPGA的硬件加速原型系统。同时,针对行人、人脸检测识别等一类具有不规则数据访问模式的图像处理应用提出了一种通用无冲突并行访问存储模型。 首先研究了基于Hausdorff距离与模板匹配的静态刚性目标识别硬件加速技术。静态刚性目标识别应用的数据访问模式较规整,但是计算复杂性较大。本文提出了面向大尺寸窗口遍历型应用的并行计算模型,目的是实现运算单元的数据消耗速度与存储系统的数据供应速度之间的均衡。将基于多体存储结构的无冲突并行访问存储模型与基于分治并行策略的多PE(Processing Element)计算结构相结合,缓解了只采用前者时所遇到的存储体个数太多的问题以及只采用后者时所面临的存储容量受限的问题。性能分析与实验结果表明采用该计算模型可以显著提高运算单元的并行度。 其次,研究了运动目标检测提取算法的硬件加速技术以及存储优化技术。相对于静态目标,在现实场景中,人们往往对运动目标更感兴趣。本文设计了对图像中不同运动目标进行分类的硬件加速结构;针对图像序列中运动目标数量、位置、大小等信息不断变化的特点,引出了“可变数据集合维护问题”,设计了一种通用的高速硬件链表结构,提高了对可变数据集合进行存取访问的灵活性。 接下来,对于检测并提取出的运动目标,后续工作通常是运动目标识别。本文选取运动目标识别应用中计算复杂性较大且应用需求较广泛的行人检测识别与人脸检测识别进行重点研究。行人与人脸属于“非刚性目标”,与刚性目标不同,非刚性目标的轮廓是不规则且不断变化的,这不仅增加了计算的复杂性,也导致了对存储器数据访问模式的不规则性。 本文研究了基于主动形状模型(ActiveShape Model,ASM)的行人识别硬件加速技术。针对计算复杂性较大所造成的计算资源不足问题,为了实现硬件代价和处理速度的适当平衡,提出了资源共享模式和硬件流水线方式相互结合、灵活配置的计算资源映射策略,基本思想是对于占用较多计算资源的非瓶颈任务,采用资源共享模式,将多个相同类型的操作映射到一个功能部件上分时执行,多个操作的源操作数通过多路选择器进入功能部件的输入端口,通过采用优化的指令调度算法,最大程度的缩短了同一类型的不同操作之间的启动时间间隔;而对于计算复杂性较大的瓶颈任务,分配较多的计算资源,尽可能的采用流水线技术和其它并行策略提高处理速度。本文在FPGA上构建了原型系统,实现了行人的检测、识别与跟踪,实验结果表明,与相关工作相比具有较大的速度优势。 对于人脸目标,本文提出了一种精确分类的视角无关人脸检测方法,能够对垂直于图像平面±90度和图像平面内360度范围的所有人脸姿态进行快速准确地检测分类。树形检测器框架结构中的每个检测节点采用一种创新的两段式Boosting方法(Two-Stage Boosting,TS-Boosting)进行训练,核心思想是在判断一个样本是否属于某个姿态区间时,不仅要看该样本属于该姿态区间的概率有多大,还要看该样本不属于其它姿态区间的概率有多大。基于提出的算法,设计了硬件加速器,并提出了一种对硬件资源进行动态配置的设计空间探索算法。实验表明,本文提出的方法和硬件加速器与相关工作相比具有较高的检测准确率和处理速度。 本文最后针对行人、人脸检测识别等一类具有不规则数据访问模式的图像处理应用提出了一种通用无冲突并行访问存储模型,在主存储器与处理器之间构建了一种多体存储结构,并将大部分的不规则数据访问模式归类为对图像中多个局部矩形兴趣区域(RegionsofInterest,ROIs)内的任意位置固定大小矩形数据块的无冲突并行访问。理论分析与实验结果表明该存储模型与相关工作相比更适合于多兴趣区域图像处理应用,与直接访问主存储器相比在访存速度上提高了几倍到上百倍。 综上所述,本文面向目标检测识别应用,研究了使用硬件加速技术提高性能的关键技术,对算法并行特性分析、体系结构设计、计算和存储资源的灵活配置、面向不规则数据访问模式的并行存取模型等问题提出了有效的解决方案,对于推进目标检测识别技术的研究和实用化具有一定的意义和价值。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP391.41

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【引证文献】
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1 董箭;彭认灿;郑义东;张立华;;基于滚动球模型的单值曲面缓冲体边界生成算法[J];计算机辅助设计与图形学学报;2013年07期
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1 卢莉萍;目标跟踪算法与检测处理技术研究[D];南京理工大学;2012年
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1 范培培;基于FPGA的图像处理方法研究与实现[D];河北工业大学;2011年
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4 代寿刚;基于ARM+FPGA的单摄像头3D重构系统设计[D];吉林大学;2013年
【参考文献】
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1 袁超,张长水;基于多模板匹配的自动人脸检测[J];电子学报;2000年03期
2 邢昕,汪孔桥,沈兰荪;基于器官跟踪的人脸实时跟踪方法[J];电子学报;2000年06期
3 郭烈,王荣本,顾柏园,余天洪;世界智能车辆行人检测技术综述[J];公路交通科技;2005年11期
4 魏本杰;刘明业;张晓昆;金泰松;;三维多分等级树算法的VLSI设计与仿真[J];计算机辅助设计与图形学学报;2006年12期
5 刘明宝,姚鸿勋,高文;彩色图像的实时人脸跟踪方法[J];计算机学报;1998年06期
6 王亮,胡卫明,谭铁牛;人运动的视觉分析综述[J];计算机学报;2002年03期
7 汪亚明,黄文清,周海英;动态图像序列中的运动目标检测[J];计算机测量与控制;2003年08期
8 贾慧星;章毓晋;;车辆辅助驾驶系统中基于计算机视觉的行人检测研究综述[J];自动化学报;2007年01期
9 梁路宏,艾海舟,何克忠,张钹;基于多关联模板匹配的人脸检测[J];软件学报;2001年01期
10 刘亚,艾海舟,徐光佑;一种基于背景模型的运动目标检测与跟踪算法[J];信息与控制;2002年04期
【共引文献】
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1 邵立群;唐勇;;治安监控中移动人体行动特征的视频分析研究[J];中国安防产品信息;2006年04期
2 林鹰;付洋;;基于颜色与边界几何特征的移动侦测布防方法[J];安防科技;2008年05期
3 程一斌,汪松,任彬;利用弹簧模型提取物体轮廓[J];安徽大学学报(自然科学版);2001年02期
4 张根耀,李竹林,赵宗涛;遮挡情况下运动目标的跟踪[J];安徽大学学报(自然科学版);2003年03期
5 张坤,罗立民,舒华忠,杨芳;基于Level Set方法的Visible Human Being虚拟人图像处理[J];安徽大学学报(自然科学版);2005年04期
6 张雪飞;;基于GVF模型的蔬果图像快速分割方法[J];安徽农业科学;2010年05期
7 曾好平;图像灰度熵特征与SVM分类结合的人脸检测[J];鞍山科技大学学报;2004年06期
8 赵莹;张学东;;改进水平集的车辆检测算法[J];辽宁科技大学学报;2010年05期
9 张鹤;董彦麟;;一种改进的变分水平集车辆检测技术[J];辽宁科技大学学报;2011年03期
10 吴晓辉;邓计才;;一种自适应背景更新方法及其在DM6437上的实现[J];安阳工学院学报;2011年02期
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1 谭守标;霍剑青;郝建;王晓蒲;赵永飞;谢行恕;;高分辨率软X射线显微成像下细胞的自动提取?[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年
2 刘善磊;张亮;;基于相位相关和SURF算法的关键帧实时匹配研究[A];江苏省测绘学会2011年学术年会论文集[C];2011年
3 张彬;金连文;;基于AdaBoost的手写体汉字相似字符识别[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 ;A Hardware-Accelerated Segmentation Algorithm for Moving Object Generation[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 海明;闫卫平;姜楠;李伟;;共聚焦式LIF系统中的自动聚焦和跟踪的实现[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 周佳男;;一种拓扑纹理图像的相位场模型分割算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 ;Edge Detection of Wood Defects in X-ray Wood Image Using Neural Network and Mathematical Morphology[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 邱雪娜;刘士荣;刘斐;朱伟涛;杜方芳;;一种基于序贯检测机制的运动目标跟踪算法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 熊卫华;向磊;李俊峰;赵新龙;;背景减除与帧间差分相结合的运动目标检测方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
10 侯杰;茅耀斌;孙金生;;基于FDA的快速haar特征选取及其在级联AdaBoost人脸检测中的应用[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
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1 王兴梅;水下声纳图像的MRF目标检测与水平集的轮廓提取方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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3 莫堃;基于隐式函数的曲面重构方法及其应用[D];华中科技大学;2010年
4 涂虬;智能视觉监视中目标检测与跟踪算法研究[D];华中科技大学;2010年
5 魏榛;扑翼非定常气动力实验研究及相关应用探索[D];中国科学技术大学;2010年
6 徐萧萧;基于特征学习与特征联想的视觉跟踪算法研究[D];中国科学技术大学;2010年
7 王义文;钢球表面缺陷检测关键技术研究及样机研制[D];哈尔滨理工大学;2010年
8 汪澎;驾驶人警觉状态检测技术研究[D];江苏大学;2010年
9 辛哲奎;基于视觉的小型无人直升机地面目标跟踪技术研究[D];南开大学;2010年
10 钟凡;在线视频分割关键问题研究[D];浙江大学;2010年
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1 孙涛;基于DR骨密度分析系统的研究[D];南京医科大学;2010年
2 张淑芳;基于LabVIEW的便携式汽车仪表检测仪的研制[D];安徽工程大学;2010年
3 张聪炫;基于蚁群算法由直线光流场重建三维结构的研究[D];南昌航空大学;2010年
4 袁猛;基于变分理论的光流计算技术研究[D];南昌航空大学;2010年
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6 胡申宁;中医舌诊中舌色、苔色自动分类的研究[D];浙江理工大学;2010年
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8 张娟;静态场景中运动目标的快速检测与跟踪技术[D];郑州大学;2010年
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10 钟取发;动态环境下早期烟雾、火苗的视频分级检测研究[D];浙江理工大学;2010年
【同被引文献】
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1 冯艳娜;高满茹;;基于μCLinux的嵌入式远程温度监控系统的设计[J];北京联合大学学报(自然科学版);2008年03期
2 陈加成;徐熙平;吴琼;;基于FPGA的中值滤波算法研究与硬件设计[J];长春理工大学学报(自然科学版);2008年01期
3 朱熀;艾廷华;王洪;;基于条带扫描思想的线目标缓冲区快速构建[J];测绘学报;2006年02期
4 管海燕,郭建星;常用图像边缘检测算子定位精度对比研究[J];测绘与空间地理信息;2005年01期
5 张涛;安玮;周一宇;;主动段弹道定位与跟踪算法[J];弹道学报;2005年04期
6 王林泉,皮亦鸣,陈晓宁,肖欣;基于FPGA的超高速FFT硬件实现[J];电子科技大学学报;2005年02期
7 王颖,胡宗军,邹介棠,吴铭岚;基于图像处理计算火焰温度场的一种修正——Abel算法[J];动力工程;2000年06期
8 王萍;白光远;唐晓燕;;基于FPGA的图像中值滤波算法的优化及实现[J];电子与电脑;2009年10期
9 李金宗,魏祥泉,李宁宁,王松;基于最大似然比准则的点目标识别技术[J];电子学报;2003年08期
10 杨烜;裴继红;谢维信;;基于运动特征的远距离红外目标检测方法[J];电子与信息学报;2007年08期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘缠牢;靶场动态目标跟踪测量及计算机辅助方法的研究[D];中国科学院西安光学精密机械研究所;2001年
2 王运锋;SAR图像与光学图像数据融合算法研究[D];电子科技大学;2003年
3 刘志刚;红外成像点目标的检测与识别技术研究[D];国防科学技术大学;2005年
4 曾鹏鑫;动态场景下多运动目标检测及跟踪方法研究[D];东北大学;2005年
5 李清安;空中目标姿态测量技术及其仿真实验研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2006年
6 张高煜;目标跟踪与多传感器信息融合若干问题研究[D];西安电子科技大学;2006年
7 张晓玲;远距离运动物体动态参数测试技术的理论和实验研究[D];天津大学;2005年
8 林勇;基于进化型硬件的容错方法研究[D];中国科学技术大学;2007年
9 张小虎;靶场图像运动目标检测与跟踪定位技术研究[D];国防科学技术大学;2006年
10 任小西;基于可重构计算的高可靠星载计算机体系结构研究[D];湖南大学;2007年
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1 刘枫;目标跟踪的算法研究与应用[D];江南大学;2011年
2 许志刚;目标跟踪算法研究及其应用[D];江南大学;2011年
3 盛春冬;基于变精度粗糙熵的智能图像分割方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
4 曾鸣;基于FPGA的3D摄像系统设计与实现方法研究[D];山东大学;2011年
5 杨夏;高速图像实时存储系统研制及目标三维姿态的光测研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
6 刘光辉;星载并行计算机体系结构的研究与实现[D];国防科学技术大学;2005年
7 伍家满;基于FPGA的细胞图像识别预处理的硬件研究[D];南昌大学;2005年
8 张惠娟;基于贝叶斯滤波的先跟踪后检测算法研究[D];西北工业大学;2006年
9 付昱强;基于FPGA的图像处理算法的研究与硬件设计[D];南昌大学;2006年
10 张永军;基于FPGA的图像处理系统设计与算法实现研究[D];重庆大学;2006年
【二级引证文献】
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1 王栋;基于线性表示模型的在线视觉跟踪算法研究[D];大连理工大学;2013年
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1 龙忠杰;移动机器人自主视觉跟踪测控技术研究[D];北京信息科技大学;2013年
2 尚伟;自动视觉检测系统相关算法及应用研究[D];山东大学;2013年
3 刘信;基于FPGA水下图像像质增强实时化研究[D];大连海事大学;2013年
【二级参考文献】
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1 魏本杰;刘明业;张晓昆;周艺华;;适于硬件实现的3D SPIHT算法优化设计[J];北京理工大学学报;2006年02期
2 汪孔桥,沈兰荪;一种结合人脸检测的小波图像编码方法[J];电子学报;1998年04期
3 解成俊,顾海军,宋建中;基于提升方案与SPIHT的无失真图像压缩[J];光电工程;2002年04期
4 常红,王涌天,阎达远,周雅,华宏,徐彤;针对虚拟现实跟踪技术的快速滤波算法[J];光学学报;2000年09期
5 孙水发,张华熊,仇佩亮;JPEG 2000——新的静止图像压缩标准[J];计算机辅助设计与图形学学报;2003年11期
6 刘明宝,姚鸿勋,高文;彩色图像的实时人脸跟踪方法[J];计算机学报;1998年06期
7 汪亚明,周志宇,曹丽;基于C均值聚类及α-β-γ滤波的多目标跟踪[J];计算机自动测量与控制;2002年09期
8 卢春雨,张长水,闻芳,阎平凡;基于区域特征的快速人脸检测法[J];清华大学学报(自然科学版);1999年01期
9 刘凯,吴成柯,李云松,庄怀宇;用深度优先搜索流处理的比特平面并行SPIHT编码结构[J];西安电子科技大学学报;2004年05期
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1 左峥嵘;张天序;施长城;;地面场景红外图像特征分析[J];红外与激光工程;2006年03期
2 王有春;;基于虚拟仪器的二代身份证检测识别系统设计[J];自动化与仪表;2010年10期
3 刘洲峰;徐庆伟;李春雷;;DSP芯片在异纤检测实时数字图像处理中的应用[J];中原工学院学报;2008年02期
4 邱世卉;王琪;;基于BP神经网络的高速公路交通事件检测[J];中国测试;2009年02期
5 王珂娜;王耀南;鲁娟;张莹;;基于Camshift跟踪算法与SVM的大输液杂质检测识别方法研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2009年07期
6 滕育贤;警惕“应召复苏僵尸虫”的威胁[J];舰船科学技术;2000年06期
7 贺利洁,江晓安;运动点目标的检测识别方法[J];佳木斯大学学报(自然科学版);1997年03期
8 黄凤岗,荆东,景志宏;一种回波信号的检测识别方法[J];中国造船;1999年04期
9 张宏宽,陈建春,杨万海;基于Radon-Ambiguity变换的反辐射导弹检测识别技术[J];西安电子科技大学学报;2004年03期
10 鲍溪清;基于多尺度区域网格的公路车辆自动检测识别[J];大连铁道学院学报;2004年04期
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1 刘军;赵吉宾;刘伟军;王天然;;基因芯片荧光靶点图像检测识别算法改进研究[A];2009中国仪器仪表与测控技术大会论文集[C];2009年
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1 胡昌振 邓惠平;动态对抗防护技术丰富网络安全内涵[N];网络世界;2002年
2 记者 徐锋;手性液晶材料 在汉开发成功[N];中国经济时报;2000年
3 许洪勋(作者单位:湖北总队后勤部);扎实做好反恐后勤保障准备[N];人民武警;2004年
4 方圆;以诚取信 以质取胜[N];中国服饰报;2005年
5 ;三年磨一剑[N];山西经济日报;2001年
6 本报记者 胡喆;电脑能认出你的脸[N];电脑报;2002年
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1 王春光;基于稀疏分解的心电信号特征波检测及心电数据压缩[D];国防科学技术大学;2010年
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1 姜宏;基于图像处理的平面焊接轨迹自动识别研究[D];新疆大学;2006年
2 李洋洋;基于MIMO信号的检测技术研究[D];沈阳理工大学;2013年
3 宋云峰;基于类内共享特征模型的多类遥感图像目标识别方法研究[D];华中科技大学;2011年
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6 王婷婷;风电并网暂态电能质量扰动的检测与识别研究[D];燕山大学;2013年
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