安防領(lǐng)域的AI賦能之路

作者 / 迎九 左小木 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要：介紹了在人工智能(AI)盛行之后，安防領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用、解決方案及發(fā)展動(dòng)向。

視頻監(jiān)控的發(fā)展遠(yuǎn)不止一個(gè)“安全性”

　　視頻監(jiān)控應(yīng)用的基礎(chǔ)在于安全性，但目前視頻監(jiān)控的未來發(fā)展似乎遠(yuǎn)不止于此，例如其還能進(jìn)一步擴(kuò)展到管理領(lǐng)域——將視頻技術(shù)作為管理工具。特別是隨著人工智能(AI)的發(fā)展，可從視頻和圖像中提取特性以幫助大數(shù)據(jù)服務(wù)不斷演進(jìn)發(fā)展。

　　AI 的普及將顯著加速視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，不只適用于一兩種應(yīng)用，而是囊括幾乎所有的情境，從小型人臉抓拍攝像頭到機(jī)頂盒大小的智能DVR/NVR，乃至數(shù)據(jù)中心的內(nèi)容分析服務(wù)器機(jī)柜等，無所不包。出人意料的是，視頻監(jiān)控行業(yè)從常規(guī)算法向AI技術(shù)的轉(zhuǎn)變異常迅猛，如對(duì)象分類、檢測(cè)、跟蹤、識(shí)別以及細(xì)分和行為分析等。轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢(shì)是巨大的，因?yàn)榧幢闶窃阱e(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境中，比如無論是在北京交通高峰時(shí)段熙熙攘攘的街道，還是在上海最大型體育場(chǎng)內(nèi)舉辦的超級(jí)巨星演唱會(huì)上，AI技術(shù)的轉(zhuǎn)變都能顯著提升應(yīng)用的準(zhǔn)確度、性能、效率以及穩(wěn)健性。

　　另一大趨勢(shì)是AI技術(shù)迅速的演進(jìn)發(fā)展。深度學(xué)習(xí)算法日新月異，如Resnet、Faster-RCNN、Segnet、FPN以及Yolo V3，不一而足。同時(shí)新算法還在不斷涌現(xiàn)。沒有人能預(yù)測(cè)哪一種新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將在半年后大受歡迎。學(xué)術(shù)研究人員和工程師正在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的成千上萬種變體，試圖為其自有應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳成果。在可預(yù)見的未來，這種發(fā)展不會(huì)停滯不前或放緩，因?yàn)槲覀儾艅倓傔M(jìn)入 AI 時(shí)代。更多創(chuàng)新還會(huì)不斷涌現(xiàn)。

　　FPGA 本質(zhì)上十分適合進(jìn)行并行計(jì)算，并且擁有大量高速片上存儲(chǔ)器，是 DNN 推斷的理想選擇。此外，針對(duì)為 AI 引擎饋送數(shù)據(jù)的多種不同傳感器而言，F(xiàn)PGA 還可提供眾多可配置的高速 I/O。憑借定制化的數(shù)據(jù)路徑，F(xiàn)PGA 展現(xiàn)出了卓越的低時(shí)延能力。此外，與 GPU 相比，F(xiàn)PGA 能效顯著，可用于對(duì)功耗水平要求嚴(yán)格的 AI 攝像頭應(yīng)用中。借助同時(shí)集成了 ARM 和 FPGA 的 SoC 器件，如 28 nm Zynq-7000 和 16 nm Zynq Ultrascale+ MPSoC 等，我們不僅能更好地對(duì)定制 DNN 算法進(jìn)行分區(qū)，還能提升系統(tǒng)級(jí)集成度，從而降低 BOM 成本與系統(tǒng)功耗。

　　除芯片本身之外，為了提升設(shè)計(jì)生產(chǎn)力，賽靈思最近還可提供Vivado HLS、SDSoC等高級(jí)工具以及 xFDNN 等高性能深度學(xué)習(xí)庫。此外，賽靈思一直與我們的深度學(xué)習(xí)合作伙伴深鑒科技(Deephi)開展合作，致力于為人臉識(shí)別攝像頭、視頻結(jié)構(gòu)盒和云視頻分析卡提供完整的解決方案。

邊緣AI在智能攝像頭的機(jī)會(huì)

　　很多人認(rèn)為英偉達(dá)做的數(shù)據(jù)訓(xùn)練非常成功。但隨著行業(yè)逐步加深，應(yīng)用逐步增多，發(fā)現(xiàn)僅僅在服務(wù)器端還不夠的，端側(cè)可以做極大延伸。例如，安防從嵌入式視覺系統(tǒng)到視覺導(dǎo)向的自主系統(tǒng)，即過去紅外攝像頭，保安和監(jiān)控人員要看一二十個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在把人眼看的部分，通過算法和數(shù)據(jù)集中到服務(wù)器端，下一步希望減少服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，在端側(cè)——攝像頭去做識(shí)別。這樣做的好處，首先是可以減少網(wǎng)絡(luò)帶寬，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等成本非常高;其次是性能，端處理回傳會(huì)延時(shí);第三是隱私性。

　　在智能攝像頭監(jiān)控方面，可用于大規(guī)模的實(shí)時(shí)分析，例如用人臉識(shí)別來進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，發(fā)現(xiàn)大型場(chǎng)館入口處的人的可疑行為等，另外還可對(duì)車隊(duì)和物體進(jìn)行監(jiān)控識(shí)別，以發(fā)現(xiàn)可疑的路徑和物體。

　　市面上有很多方案，但是也存在諸多問題，例如：1)CPU盡管什么都可以做，但處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效率低;2)DSP最大的問題是有非常少的人員可以基于DSP去做編程，沒有標(biāo)準(zhǔn)化和可覆蓋;3)固定功能的硬化，一旦硬化后只能做一件事，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠產(chǎn)業(yè)化;4)GPU，英偉達(dá)證明了非常適合處理AI，GPU有標(biāo)準(zhǔn)化的編程方式，但功耗較大。

GPU+NNA方案

　　對(duì)低功耗和高靈活性，Imagination推出了第5種方案—— GPU+NNA(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器)方案，特點(diǎn)是提供靈活的IP內(nèi)核來達(dá)到高性能，適用于低功耗、低帶寬的場(chǎng)景。

　　另外，Imagination推出了兩款PowerVR 2NX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器(NNA)內(nèi)核，適合智能監(jiān)控等、移動(dòng)、工業(yè)等場(chǎng)景。名為AX2185和AX2145的內(nèi)核，設(shè)計(jì)目的是在極小芯片面積上以極低功耗實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高性能計(jì)算。它們是基于Imagination革命性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器(NNA)架構(gòu)PowerVR Series2NX設(shè)計(jì)的，該架構(gòu)可以使“智能”從云端轉(zhuǎn)移至邊緣設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率和實(shí)時(shí)響應(yīng)。

　　PowerVR Series2NX架構(gòu)是完全重新設(shè)計(jì)的，旨在為移動(dòng)和嵌入式平臺(tái)中的高效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理提供硬件加速。其靈活的位寬可基于每一層去支持權(quán)重和數(shù)據(jù)，這意味著PowerVR Series2NX可以保持高推理精度，同時(shí)降低帶寬/功耗要求。它是唯一支持16位到4位位寬的解決方案，可在較低的帶寬和功耗下實(shí)現(xiàn)更高的性能。

視頻監(jiān)控從純被動(dòng)式調(diào)查轉(zhuǎn)向主動(dòng)預(yù)防

　　傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控一直是被動(dòng)式的，在這種模式下，人類或機(jī)器需要觀察到某些事件，然后才能在當(dāng)時(shí)或稍后對(duì)該事件作出反應(yīng)。隨著視頻分析從傳統(tǒng)的啟發(fā)式算法轉(zhuǎn)向深度學(xué)習(xí)算法，加上人工智能的問世，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些數(shù)據(jù)的機(jī)器驅(qū)動(dòng)型智能操作，我們獲得了絕佳的機(jī)會(huì)，可以將安防應(yīng)用從純被動(dòng)式調(diào)查轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防事件和/或改善消費(fèi)者服務(wù)的模式。這種類型的AI功能在各種智能基礎(chǔ)設(shè)施部署(包括城市、工廠、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、酒店和企業(yè))中都具有重要價(jià)值，有助于防止事故發(fā)生。從積極的方面來講，這類AI和行為識(shí)別還可用于改善零售、體育場(chǎng)館、交通樞紐和校園等場(chǎng)所的服務(wù)和客戶體驗(yàn)。

　　有效的主動(dòng)行動(dòng)需要低延遲的響應(yīng)時(shí)間，在邊緣節(jié)點(diǎn)(在攝像頭本身而不是在服務(wù)器端)嵌入AI將會(huì)是實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的最佳方式。可在視頻源中實(shí)現(xiàn)此類AI的智能攝像頭將變得日益流行和普及。這些攝像頭將成為高分辨率圖像傳感器，也就是可高效實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎的系統(tǒng)級(jí)芯片;它們可以根據(jù)具體的使用情形進(jìn)行編程和更新，借助先進(jìn)的存儲(chǔ)芯片快速而高效地執(zhí)行算法，并通過高密度存儲(chǔ)芯片/卡確保在攝像頭本地存儲(chǔ)大量程序和視頻數(shù)據(jù)的可行性和成本效益。

美光存儲(chǔ)解決方案

　　美光科技提供多種內(nèi)存和存儲(chǔ)解決方案，適用于各種攝像頭設(shè)計(jì)。具體來說，對(duì)于AI驅(qū)動(dòng)的攝像頭，美光的DDR4和LPDDR4技術(shù)適用于高速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施。系統(tǒng)級(jí)芯片和存儲(chǔ)之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)占據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施工作量的很大一部分。美光先進(jìn)的基于3D-NAND的eMMC技術(shù)使客戶能夠存儲(chǔ)大量代碼和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，而基于3D-NAND的高密度工業(yè)級(jí)uSD卡使客戶能夠以極具成本效益的方式在攝像頭中實(shí)現(xiàn)邊緣存儲(chǔ)以及邊緣處理。對(duì)于智能攝像頭，網(wǎng)絡(luò)安全也是我們主要關(guān)注的一個(gè)問題，美光科技為此專門推出了Authenta?系列非易失性存儲(chǔ)解決方案，可解決智能攝像頭存在的網(wǎng)絡(luò)安全問題。除強(qiáng)大的產(chǎn)品組合和遍布全球的分銷網(wǎng)絡(luò)之外，美光科技還擁有全球技術(shù)專家，能夠幫助客戶針對(duì)不斷發(fā)展的AI使用情形設(shè)計(jì)自己的系統(tǒng)。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第23頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。