Fall detection for elderly care using non-invasive vision-based systems remains an important yet unsolved problem. Driven by strict privacy requirements, inference must run at the edge of the vision sensor, demanding robust, real-time, and always-on perception under tight hardware constraints. To address these challenges, we propose a neuromorphic fall detection system that integrates the Sony IMX636 event-based vision sensor with the Intel Loihi 2 neuromorphic processor via a dedicated FPGA-based interface, leveraging the sparsity of event data together with near-memory asynchronous processing. Using a newly recorded dataset under diverse environmental conditions, we explore the design space of sparse neural networks deployable on a single Loihi 2 chip and analyze the tradeoffs between detection F1 score and computational cost. Notably, on the Pareto front, our LIF-based convolutional SNN with graded spikes achieves the highest computational efficiency, reaching a 55x synaptic operations sparsity for an F1 score of 58%. The LIF with graded spikes shows a gain of 6% in F1 score with 5x less operations compared to binary spikes. Furthermore, our MCUNet feature extractor with patched inference, combined with the S4D state space model, achieves the highest F1 score of 84% with a synaptic operations sparsity of 2x and a total power consumption of 90 mW on Loihi 2. Overall, our smart security camera proof-of-concept highlights the potential of integrating neuromorphic sensing and processing for edge AI applications where latency, energy consumption, and privacy are critical.


翻译:在老年照护领域,基于非侵入式视觉系统的跌倒检测仍是一个重要但尚未完全解决的难题。受严格的隐私保护要求驱动,推理过程必须在视觉传感器边缘端运行,这需要在严苛的硬件限制下实现鲁棒、实时且持续运行的感知能力。为应对这些挑战,我们提出了一种神经形态跌倒检测系统,通过专用基于FPGA的接口将索尼IMX636事件驱动视觉传感器与英特尔Loihi 2神经形态处理器集成,充分利用事件数据的稀疏性及近内存异步处理优势。基于新采集的多环境条件数据集,我们探索了可部署于单颗Loihi 2芯片的稀疏神经网络设计空间,并分析了检测F1分数与计算成本间的权衡关系。值得注意的是,在帕累托前沿中,我们基于分级脉冲的LIF卷积脉冲神经网络实现了最高计算效率,在达到58% F1分数时实现了55倍的突触操作稀疏度。与二值脉冲相比,分级脉冲LIF模型以5倍更少的操作量获得了6%的F1分数提升。此外,我们采用分块推理的MCUNet特征提取器结合S4D状态空间模型,在Loihi 2上实现了84%的最高F1分数,突触操作稀疏度为2倍,总功耗为90毫瓦。总体而言,我们的智能安防摄像头概念验证系统,突显了神经形态传感与处理技术在延迟、能耗和隐私要求苛刻的边缘AI应用中的融合潜力。

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