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改进神经网络的图像识别系统设计与硬件实现

魏东 董博晨 刘亦青

魏东, 董博晨, 刘亦青. 改进神经网络的图像识别系统设计与硬件实现[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(7): 1828-1833. doi: 10.11999/JEIT200202
引用本文: 魏东, 董博晨, 刘亦青. 改进神经网络的图像识别系统设计与硬件实现[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(7): 1828-1833. doi: 10.11999/JEIT200202
Dong WEI, Bochen DONG, Yiqing LIU. Design and Hardware Implementation of Image Recognition System Based on Improved Neural Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(7): 1828-1833. doi: 10.11999/JEIT200202
Citation: Dong WEI, Bochen DONG, Yiqing LIU. Design and Hardware Implementation of Image Recognition System Based on Improved Neural Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(7): 1828-1833. doi: 10.11999/JEIT200202

改进神经网络的图像识别系统设计与硬件实现

doi: 10.11999/JEIT200202
基金项目: 北京市属高校高水平创新团队建设计划项目(IDHT20190506),国家自然科学基金(61871020),北京市教委科技计划重点项目(KZ201810016019)
详细信息
    作者简介:

    魏东:女,1968年生,教授,研究方向为人工神经网络优化计算

    董博晨:男,1995年生,硕士,研究方向为神经网络芯片设计

    刘亦青:男,1987年生,硕士,研究方向为控制科学与工程

    通讯作者:

    魏东 weidong@bucea.edu.cn

  • 中图分类号: TN911.73; TP183

Design and Hardware Implementation of Image Recognition System Based on Improved Neural Network

Funds: The High Level Innovation Team Construction Project of Beijing Municipal Universities (IDHT20190506), The National Natural Science Foundation of China (61871020), The Key Science and Technology Plan Project of Beijing Municipal Education Commission of China (KZ201810016019)
  • 摘要: 针对现有图像识别系统大多采用软件实现,无法利用神经网络并行计算能力的问题。该文提出一套基于FPGA的改进RBF神经网络硬件化图像识别系统,将乘法运算改为加法运算解决了神经网络计算复杂不便于硬件化的问题,并且提出一种基于位比较的排序电路解决了大量数据的快速排序问题,以此为基础开发了多目标图像识别应用系统。系统特征提取部分采用FPGA实现,图像识别部分采用ASIC电路实现。实验结果表明,该文所提出的改进RBF神经网络算法平均识别时间较LeNet-5, AlexNet和VGG16缩短50%;所开发的硬件系统完成对10000张样本图片识别的时间为165 μs,对比于DSP芯片系统所需426.6 μs,减少了60%左右。
  • 图  1  基于改进RBF神经网络电路的图像识别系统架构

    图  2  多目标识别系统学习流程

    图  3  改进RBF神经网络模型

    图  4  改进RBF神经网络学习模型

    图  5  快速排序电路

    图  6  系统算法状态机

    表  1  测试数据集为MNIST时不同网络模型对比实验

    网络模型准确率平均识别时间(s)
    LeNet-50.9891.2
    AlexNet0.9911.5
    VGG160.9972.3
    改进RBF神经网络0.9960.9
    下载: 导出CSV

    表  2  测试数据集为CIFAR-10时不同网络模型对比实验

    网络模型准确率平均识别时间(s)
    LeNet-50.7872.4
    AlexNet0.8103.3
    VGG160.8325.5
    改进RBF神经网络0.8281.3
    下载: 导出CSV

    表  3  测试数据集为VOC2012时不同网络模型对比实验

    网络模型准确率平均识别时间(s)
    LeNet-50.7572.7
    AlexNet0.7833.5
    VGG160.8136.7
    改进RBF神经网络0.8082.6
    下载: 导出CSV

    表  4  基于DSP图像识别系统与本文提出图像识别系统性能比较

    计算量DSP芯片本文系统
    时钟频率(MHz)50015
    ALU数量61024
    运算位宽(bit)328
    单个样本大小(Byte)256256
    每个周期能进行加法次数61024×2=2048
    每次加法处理数据(Byte)(32/8)×6=24(8/8)×2048=2048
    完成两个样本的比较
    需要周期数
    (2×256/24)=21.33(2×256/2048)=0.25
    完成两个样本比较的
    时间(ns)
    21.33×2=42.660.25×66=16.5
    和所有样本比较
    所需时间(μs)
    426.6165
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-24
  • 修回日期:  2020-09-23
  • 网络出版日期:  2020-12-09
  • 刊出日期:  2021-07-10

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