行业 | 当Faster RCNN遇到FPGA,自动驾驶开始起飞!

当今的自动驾驶行业是一个百舸争流的局面，总体来看，还是西方引导东方的探索摸索，以 google 为主的以激光雷达为主的流派和以 Tesla 为主的机器视觉流派引导了整个市场。从发展趋势来看，两种方法正在进一步融合，最终会各取优势而相互补充发展。对整个自动驾驶领域，其核心技术是个拟人化的实现过程，即：感知->认知->决策->控制->执行五部分。感知，是所有智能体所要拥有的基本属性，自动驾驶要解决的第一个问题，就是汽车的感知系统，AI 算法的核心就是要解决感知问题。汽车的感知系统是多种传感器融合的系统。

图 1 自动驾驶技术框架图 来源：亿欧智库

如上图所示，多传感器融合共同组成自动驾驶的感知层已经成为行业共识，这是一个复杂的技术体系，本文主要讨论最主要的感知部分：机器视觉，以摄像头为主的计算机视觉解决方案，为汽车加上「眼睛」，能有效识别周边环境及物体属性。随着 AI 算法的蓬勃发展, 机器视觉由基于规则向基于 CNN 神经网络转变。

图 2 汽车传感器示意图 来源：亿欧智库

国内的主要发展方向集中在视觉上的突破，一种原因是激光雷达和毫米波雷达被国外几个大公司控制，核心技术短期内难以突破，成本居高不下。而做机器视觉, 则成本低廉，且容易上手，国内摄像头的供应链很完善，所以在这种情况下，国内厂商更倾向于 CNN 网络的机器视觉能做更多的事情，其实这种选择是正确的，国内厂商突破的最好的一个点就是视觉突破，视觉方案相对成熟和完善，可以利用国内的一些特点，找到差异化竞争的突破口，快速形成优势，再逐步迭代更新技术。如开车时任意变道的行为，这个国外的汽车检测方式是等尾部进入车道内再进行检测，这明显不符合国情，所以算法本土化，解决国人开车遇到的问题，就是差异化竞争，这也更需要对算法有自己的把控能力。

车载系统对 CNN 网络的目标检测识别的要求是很高的，而且越高越好，这不仅仅是为了检测车道和障碍物，还会在自动驾驶中的另一个必不可少的条件：高精度地图上有巨大的利用空间。因为传统的地图模式无法满足自动驾驶的需求，它需要更多的维度信息，更新更及时，精度达到厘米级。精度要想达到厘米级，仅仅依靠卫星是远远不够的，目前两个解决方案，一个是 RTK 方案，即在地面上建立大量的基准站，由基准站来弥补 GNSS 定位的不足，这个方案精准，但却很贵。另外一个方案就是先将地图上的多维度信息保存到数据库，然后通过车载上的多传感器（摄像头，雷达）所获取到的特征信息和数据库进行匹配，从而修正和弥补定位的精度问题，毫无疑问，这个方案更加实用和快速部署。国内地图公司更倾向于用这种方式，这就更加要求摄像头检测物体特征精准度的问题了。

由算法的精度问题，不得不提算法的实现芯片方案，现在的精度最好的算法还是基于 CNN 的 AI 算法模型，CNN 算法要求的计算量是很大的，目前很多厂商都是直接用 nvidia 的 TX2 做为运算主要载体，在 TX2 上运行对 GPU 友好的算法，这里其实有个误区，当算法对 GPU 不友好时，就直接宣判了该算法的死刑，这样操作是不合理的，GPU 成了前进路上的一个拐杖，拐杖用的多了就产生了依赖性，反而丧失了发现更多空间的创造性，我们用两条腿走路，还是要回归到问题的本质，根据问题的具体需求来寻求最优的解决方案。自动驾驶车载系统的基本要求低延时低功耗 以及算法的复杂性和多变性，决定了用 FPGA 做车载加速方案是一个理想的选择。用 FPGA 做加速方案的另外一个不可忽视的好处是：成本可以做的很低。

所以机器视觉的好的方案已经不单单是好的算法，而是一个在合理的硬件成本里得到一个最优算法的求解问题。由算法来保证识别精度，由硬件来保证算法的实现速度，由成本来保证两者都需要性价比最优的搭配，这才是正确的解决思路。当然，想同时实现上述几点，并非易事。路，要一步一步的走，坑，要一个一个的趟，我们上述的问题一个一个的分析。

算法同源不同行，孰高孰低检测忙

在整个 AI 算法的大环境下，车载视觉系统的算法也是基于 CNN 的分割算法，这就引出目前主要的两个算法 Faster RCNN 系列和 yolo 系列，两者各有千秋，前者精度更准，后者速度更快。前者是 two-stage 的方案，即先用最好的网络来找出特征值，然后再调整框来检测目标。后者是 one-stage 的方案，即找特征值和画框在一个网络里完成。

通俗的理解，Faster RCNN 更符合人类「强强联合」的概念，即：找出目前性能最好的网络，然后再组装成一起，产生更优的效果，它是基于多网络融合的方案，所以它的特点就很明确：算的准，但是算的慢。yolo 的诞生，恰恰是解决了这个问题，yolo 的最大的特点就是快到没朋友，但在精度方面却逊色于 Faster RCNN。

数据对比：

图 3 Faster R-CNN 是精度最高的 来源：网络

COCO 数据集上，前 10 名中有 9 项都是来自于 Faster R-CNN 的变体。

这两种方法都有很多变体，one-stage 的方法在精度上不断想与 two-stage 的方法抗衡，two-stage 不断的在加快计算速度，但在数据集上的结论以及越来越快的 Faster R-CNN 变体的可以说明，Faster R-CNN 的 检测精度始终保持领先。但在速度上，yolo 是遥遥领先的。

图 4 yolo 的速度是最快的 来源：网络

正是 Yolo 在速度上明显提高，YOLO 的确受到车载系统的青睐，Yolo 真的是车载系统的首选吗？答案未必，正如上文所述，Faster RCNN 的精度是最好的，如果能将其速度也提上去，岂不是更好的选择。

为此，我们先分析下 Faster RCNN 精度高的原因：

首先，前景背景分离的区别。Faster RCNN 是有前景背景分离的。这会要求在训练该网络时需要进行正负样本都要训练，也就是说正确的范畴我要负责，错误的范畴我也要负责。这会大大减少误检率的概率，所以 Faster RCNN 的查全率（recall）会特别的高。

而 yolo 则没有这样的算法结构，它只有正样本训练，不会区分前景和背景的区别。其实这一点是对自动驾驶不太友好的，例如之前 Tesla 的自动驾驶事故就是因为检测算法没有区分前景和背景，将迎面开来的白色卡车和背景中的白云混为一体，从而导致事故发生。

其次，画框方式的区别。Faster RCNN 和画框的方式和 yolo 是不一样的，yolo 是将框的问题作为一个聚类问题解决，由算法去自适应物体形状。而 Faster RCNN 是按照一定规则的框去逼近物体形状。如下图所示，9 个矩形共有 3 种形状，长宽比为大约为（1:2,1:1,2:1）三种，通过 anchors 就引入了检测中常用到的多尺度方法。

图 5 框的类型 来源：网络

这种人为定义的框的结构更能精准的标定物体，当然，任何优势都是有代价的。Faster RCNN 为每一个点都配备这 9 种 anchors 作为初始的检测框，所以在原始图上，anchors 的个数特别多，然后让 cnn 来判断哪些是有目标的前景，哪些是没有目标的背景，然后再对目标 anchors 进行排序和 NMS（非最大值抑制），即能得到最好的效果。能量是守恒的，当获得优势 A 时，并将付出 B 的代价，关键看代价是什么。feature map 每个点设置 9 个 Anchor，所以他的 anchor 是很多的，如下图所示（网络截图）：

图 6 anchor 的框图 来源：网络

当然，好处也是很明显的，举个例子，如下图：

图 7 框的平移转换示意图 来源：网络

每个 Anchor 的平移量和变换尺度，显然即可用来修正 Anchor 位置了。红色为提取的 foreground anchors，即便红色的框被分类器识别为飞机，但是由于红色的框定位不准，这张图相当于没有正确的检测出飞机，每个 Anchor 的平移量和变换尺度，即可用来修正 Anchor 位置了，表现结果即是由只标出主体的红框转换为标记更准的绿框，显然，绿框的精度更准。

相对来说，Yolo 系列不区分前景和背景，画框的方式也是做一个回归的问题，这会对密集的目标的画框方式导致不准，yolo 会把密集的目标会画成一个框。

图 8 yolo 密集目标检测 来源：雪湖实测

除了精度高之外，能做多网融合是 Faster RCNN 的另外一个很重要的特点。特别对于车载系统，由于现实的复制性和应用的广泛性，经常会需要添加不同的网络和良好的性能，如增加车道检测等，可以将不同的网络通过 interp（双线性插值）层来进行实现不同网络之间的平滑过渡。

利用这个特点，我们可以做很多启发性的探索，前面提到，多传感器融合来构建自动驾驶的感知层是行业共识，如激光雷达在自动驾驶中是个很核心的传感器，有没有将激光雷达和视觉同时融合到一个网络中的方案呢？有人提出这样的方案，如下：

图 9 用 FasterRCNN 来融合激光雷达和视觉算法 来源：网络

上图的方案，总体上沿用了 Faster RCNN 的检测框架，但是在输入、proposal 的形式以及 Faster RCNN 网络上做了较大的改动，以实现视觉与激光点云的信息融合。

这个网络给了我们很大的启示，多传感器融合方案框架是自动驾驶的必备技能，我们必然要考虑不同的传感器的特性和适应该传感器的算法结构，然后将多种算法结构融合到一个算法框架中来，而 Faster RCNN 网络本身就是基于多网络融合的方案制成的，所以用 Faster RCNN 来做车载系统有其兼容多传感器方案的巨大优势。

既然 Faster RCNN 这么多的好处，为什么用的人少呢？主要原因就是算的慢，如下图所示

由上面图表可以看出，Faster RCNN 在 TX2 的运行结果是非常慢的。算法慢，便无解了吗？未必。因为这里所谓的慢，是针对 GPU 而言的，是因为算法对 GPU 不友好导致的结果，而对 GPU 不友好，未必对其他异构计算平台不友好，事实证明，这恰恰是 FPGA 的优势所在。

安能得来偷天技？兼顾精度与速度

在 GPU 运行慢的网络，可以在 FPGA 上进行加速实现。而要想提高速度，就要对网络进行具体分析，是哪些层运算速度慢以及慢的原因在哪里？

图 11 Faster RCNN 的框架图 来源：网络

如上图所示，前半部分是基础网络来提取特征值，后半部分在画框，RPN 网络负责前景背景分离，排序算法负责筛选，最后全连接输出结果。

总体运行结果，进一步分析每层的耗时：

图 12 Faster RCNN 在 gpu 中每层的耗时 来源：雪湖实测

关键层 interp 层的分析：

图 13 Interp 层分析 来源：雪湖实测

通过图 12 的分析结果我们得出结论，耗时最长的都集中在了 proposal（排序）及以后的层（FC 层）。通过图 13 Interp 层（双线性插值）的分析，我们也得出结论，GPU 对 Interp 层的加速有限，速度没有 CPU 的运算快。通过这些数据的分析，我们就能很明白的知道 GPU 的优势和劣势在哪里，GPU 的优势在于能重复数据切片，在运算 cnn 图片时它是有优势的，因为图片可以分成不同的 tile 片，然后 GPU 会对每个 tile 进行并行计算，当算法并不能很好的完成切片动作时，GPU 便没有什么实质的优势，从上图可以看出，proposal 和 FC6 都很耗时，proposal 层就是在排序，排序对 GPU 是不友好的。Interp 层也是不好切片操作的，所以 proposal 模块及以后耗时比较大。

知道了相应的数据和原理，在 FPGA 上就能很好解决这些问题，对 FPGA 来说，FPGA 是可编程的，是可以将整个算法一分为二的，在 proposal 之前是一部分，在 proposal 之后是一部分，两者在全流水运算后是一个并行的状态。这样用并行的计算来抵消后面的耗时时间，就能大大的缩小计算时延。

针对 Interp 层，FPGA 可以将相应放大的系数存入 BRAM 中，这样的时间更短，是 CPU 的 3 倍左右的速度。Interp 层的意义是很大的，因为前面我们分析过，自动驾驶的感知层很适合做多网络融合的方案，而 Interp 层正式这些网络结合的连接层，经过大量实验证明，用 Interp 做分辨率的上下采样切换，能最大的保留原始图片的特征信息，从而使多个网络间能够平滑过渡。这也就意味着多网络融合的方案更适合用 FPGA 来实现。

除了前面的优化方法之外，我们还可以考虑层合并，切割 featuremap，权重共享，减少 IO 读写时间等方式来进行进一步的优化。另外一个不得不提到优化方向就是量化成 8bit 数据进行计算，这样 FPGA 中的 DSP 每次都能运算两个数，这就可以使用性价比更高的 FPGA 芯片上进行运算，从而得到更高的收益。雪湖科技就是这样做的。

图 14 雪湖科技开发的 Faster RCNN 的性能参数

当然，并非说 yolo 算法没有优势，雪湖也对 yolo 系列做了 FPGA 加速的方案。

图 15 雪湖开发的 yolov3-tiny 的性能参数

雪湖做的工作只是说明用什么样的算法应该根据真实情况而定，而不单单是看 GPU 的运算指标，FPGA 有很多很惊艳的东西，它的潜力一直摆在那里，只是尚未被挖掘出来，雪湖在 FPGA 领域深耕多年，能把 FPGA 的潜力充分挖掘，只要能做到这一点，出来的结果就足够惊艳。

风景莫道塞外好, 江南深处藏雪湖

开发 FPGA 是有难度的，要对 FPGA 的逻辑实现和算法优化有很深的理解之外，

没有一支精干的团队，没有一个好的验证平台，没有强有力的 EDA 开发工具，

将这么复杂的算法要在一个资源有限的 FPGA 芯片上实现并达到很高的吞吐量，难度是可想而知的。

雪湖科技在这方面下足了功夫，十年磨一剑，打造出一套完全自主产权的完整的先进的工具系统，同时，针对 CNN 的 AI 算法这块，专门打磨出一套完整的开发/验证系统。

图 16 雪湖 CNN 算法实现框架图 来源：雪湖科技

如上图所示，我们将所有的计算模块都进行封装，并通过不同的 command 来执行不同的算子操作，最终会加快 CNN 算法的实现和落地。

将 AI 算法快速落地，是雪湖的优势所在。雪湖，以算力为根本，为加速而存在，不止步于自动驾驶，不畏惧于技术变迁。以拥有完全自主产权的核心技术为荣，以创新和拼搏为荣。在 FPGA 芯片加速计算领域 (包括但不限于 AI 算法) 绝对是一道亮丽的风景线，正所谓：风景莫道塞外好，江南深处藏雪湖！