一种基于FPGA的图像检测装置及其检测方法

一种基于fpga的图像检测装置及其检测方法
技术领域
1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于fpga的图像检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.图像处理技术已经渗入人们生活的方方面面，尤其在对人体图像信息进行健康度分析的领域。
3.现有技术中，应用于fpga(field programmable gate array，现场可编程门阵列)图像检测方案通常对接口限制比较多，无法进行接口扩展，处理速度较低，并且价格高昂，成本高，以及对人体图像信息进行健康度分析的准确度不高。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于fpga的图像检测装置及其检测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.一种基于fpga的图像检测装置，所述装置部署于fpga,所述装置包括：一级总线、二级总线、摄像设备、存取存储器、处理器、数字紧耦合存储器、直接存储访问器、加速器、存储卡；所述处理器与所述直接存储访问器连接，还与所述一级总线连接；所述直接存储访问器与所述处理器连接，还与所述一级总线连接；所述一级总线与所述处理器、所述直接存储访问器、所述第二总线、所述数字紧耦合存储器、所述加速器连接；所述第二总线与所述摄像设备、存取存储器连接；所述加速器与所述一级总线和所述存储卡连接。
6.在本发明的一个实施例中，所述装置还包括：输入输入接口和信号灯；所述一级总线通过所述输入输出接口与所述信号灯连接。
7.在本发明的一个实施例中，所述处理器中部署有蒸馏模型。
8.本发明的有益效果：
9.1.本发明基于fpga开发板，接口可扩展，可通过加速器大幅提高hps层的处理能力；
10.2.本发明通过灰度化和尺度变换实现从输入层减小图像大小和深度，并通过模型蒸馏在维持精度的前提下大幅压缩网络参数；
11.3.本发明与fpga开发板可实现较好兼容，组成部件结构简单且价格亲民，便于安装，能耗较低；
12.4.本发明极大地简化图像检测，获得目标检测结果的步骤，识别精度较高。
13.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
14.图1是本发明实施例提供的一种基于fpga的图像检测装置结构示意图；
15.图2是本发明实施例提供的一种基于fpga的图像检测方法流程示意图。
具体实施方式
16.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
17.实施例一
18.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于fpga的图像检测装置结构示意图，所述装置部署于fpga，所述装置包括：一级总线(ahb，advanced high performance bus)、二级总线、摄像设备、存取存储器(ram，random access memory)、处理器、数字紧耦合存储器(dtcm，data tightly coupled memory)、直接存储访问器(dma，direct memory access)、加速器acc、存储卡(sd，secure digital)；
19.可选的，所述装置还部署有卷积神经网络。
20.所述处理器如cortex-m3的ip软核，所述处理器用于控制所述装置中的器件，根据所述卷积神经网络进行图像检测。所述fpga如cyclone v fpga开发板，本发明能够基于所述fpga开发板搭建所述装置。
21.所述装置中器件之间可以通过io(input/output，输入输出)外设连接。
22.所述加速器又称神经网络加速器。
23.可选的，所述处理器与所述直接存储访问器连接，还与所述一级总线连接；
24.可选的，所述直接存储访问器与所述处理器连接，还与所述一级总线连接；
25.可选的，所述一级总线与所述处理器、所述直接存储访问器、所述第二总线、所述数字紧耦合存储器、所述加速器连接；
26.可选的，所述第二总线与所述摄像设备、存取存储器连接；
27.所述摄像设备拍摄到图像时，会将图像对应的地址信息分配在二级总线上。
28.可选的，所述加速器与所述一级总线和所述存储卡连接。
29.可选的，所述装置还包括：输入输入(gpio，general-purpose input/output)接口和信号灯；所述一级总线通过所述输入输出接口与所述信号灯连接。
30.所述信号灯如led(light emitting diode，发光二极管)。
31.可选的，所述处理器中部署有蒸馏模型。
32.本发明能够根据所述蒸馏模型对存储卡中的参数信息进行压缩，并基于压缩后的参数信息对摄像设备获取的图像进行检测，以提高检测准确度。
33.可选的，所述装置还包括：显示设备，所述显示设备与所述二级总线连接。
34.所述显示设备如lcd(liquid crystal display，液晶显示器)。
35.可选的，所述存储卡中存储有预设参数信息，所述预设参数信息包括权重信息和阈值信息。
36.可选的，所述装置还包括：先进先出存储器(fifo，first input first output)所述加速器通过所述先进先出存储器与所述一级总线和所述存储卡连接。
37.可选的，所述装置还包括外围总线(apb，advanced peripheral bus)。
38.可选的，所述外围总线对应有桥，所述外围总线通过所述桥与所述一级总线连接。
39.可选的，所述装置部署有中断模块。
40.本发明可以通过所述中断模块，对所述apb、dma和加速器等进行中断操作，提高了图像检测的灵活性。
41.可选的，所述装置还包括开关模块。
42.所述开关模块如开关按键，通过所述开关按键能够控制所述装置开始进行图像检以及停止图像检测。
43.所述装置还包括惯性检测单元(imu，inertial measurement unit)；
44.所述惯性检测单元用于检测用户是否触发所述开关模块。
45.可选的，所述装置还包括复位模块。
46.所述复位模块如看门狗模块，以防止程序跑飞。看门狗以系统时钟为基础，当控制寄存器被拉高，即看门狗被使能时，计数器开始从预先设置好的复位值开始向下计数，当计数器计数到末尾0x000的时候，会产生一个复位信号，软件端被复位。
47.可选的，所述装置还包括计时模块。
48.所述计时模块以系统时钟为基础，为系统各模块的正常运行提供时钟终端服务。
49.可选的，所述装置还包括蓝牙模块。所述图像检测装置连接有电子设备，所述蓝牙模块用于控制所述装置与所述电子设备连接，并进行交互。
50.可选的，所述装置还包括dap-jtag端口。本发明可以通过所述端口与电子设备相连，用其中的串口将电子设备中的程序下载到fpga板上。通过此串口我们还可以进行程序的debug和数据查找，以此为基础进行板载外设调试。
51.可选的，所述装置还包括flash模块。
52.本发明能够通过spi协议对flash进行数据的读写，所述flash模块用来储存权重于网络结构参数，并且暂存图像数据。
53.本发明所述装置可应用于马桶，通常用户需要获取便便信息时，需要去医院等场所，采用专业设备进行检测，无法实时获取所述便便信息。本发明所述装置中的摄像设备可以部署于马桶内部，从而能够基于所述图像检测装置进行高准确度、低成本、快速、便捷地获取人体便便数据，即目标特征数据，如颜色数据、形状数据和分离度数据等，并根据所述目标特征数据输出目标检测结果，以供用户参考。
54.综上：1.本发明基于fpga开发板，接口可扩展，可通过加速器大幅提高hps层的处理能力；
55.2.本发明通过灰度化和尺度变换实现从输入层减小图像大小和深度，并通过模型蒸馏在维持精度的前提下大幅压缩网络参数；
56.3.本发明与fpga开发板可实现较好兼容，组成部件结构简单且价格亲民，便于安装，能耗较低；
57.4.本发明极大地简化图像检测，获得目标检测结果的步骤，识别精度较高。
58.实施例二
59.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于fpga的图像检测方法流程示意图，应用于所述图像检测装置中的处理器，所述方法包括：
60.步骤1、获取待处理图像；
61.可选的，所述步骤1包括：所述获取待处理图像，包括：从存取存储器中读取待处理图像，其中，所述待处理图像由摄像设备获取并存储至所述存取存储器。
62.本发明可以通过摄像设备拍摄以获取待处理图像，所述摄像设备作为视觉传感器，例如，通过摄像设备采集并输出分辨率为320*240的rgb565格式的彩色图像，以供后续
处理。
63.步骤2、对所述待处理图像进行预处理，以得到预处理图像；
64.可选的，所述步骤2包括：
65.步骤21、对所述待处理图像进行尺度变换处理；
66.步骤22、对变换后的待处理图像进行灰度化处理，以得到预处理图像。
67.步骤3、控制加速器对所述预处理图像进行卷积池化处理，以得到目标特征数据；
68.可选的，所述步骤3包括：
69.步骤31、将所述预处理图像存储至数字紧耦合存储器；
70.步骤32、控制加速器从所述数字紧耦合存储器中读取所述预处理图像；
71.步骤33、控制所述加速器从存储卡中读取参数信息，所述参数信息中包括权重信息和阈值信息；
72.所述装置连接有电子设备，如台式电脑、笔记本电脑、移动终端等，所述装置能够根据预设程序，从所述电子设备中获取所述参数信息，并将所述参数信息存储至所述存储卡中。
73.步骤34、控制所述加速器根据所述参数信息，对所述预处理图像进行卷积池化处理，以得到目标特征数据。
74.可选的，所述步骤34之后，所述方法还包括：
75.所述加速器将得到的目标特征数据存储在存储卡中；
76.所述处理器从所述存储卡中读取所述目标特征数据。
77.需要说明的是，所述处理器可以在所述加速器处理图像的过程中，同时在所述存储卡中提取所述目标特征数据，并通过蓝牙模块的串口，传输给电子设备。
78.步骤4、根据所述目标特征数据，获取目标检测结果。
79.所述电子设备部署有数据库，所述电子设备能够根据所述目标特征数据，在数据库中进行检索，以获取目标检测结果，以供用户参考。
80.本发明一级总线采用稀疏连接的方式，对于每个slave端口只针对用到的master端口部分进行连接，降低了逻辑复杂度。其中含有仲裁模块，针对不同的master端口同时发出的请求，根据固定的优先级(fixed)进行仲裁，胜出者可以进行信号传输。
81.本发明通过增加一级总线矩阵，即二级总线，中间使用ahb同步桥连接，来解决总线矩阵组合逻辑通路的问题，在数据由在两个ahb总线间传输时会被同步桥内部的寄存器寄存一次，从而解决了逻辑通路，提升系统时序性能。
82.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
83.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
84.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
85.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
86.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
87.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
88.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
89.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
90.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。