For Human Action Recognition tasks (HAR), 3D Convolutional Neural Networks have proven to be highly effective, achieving state-of-the-art results. This study introduces a novel streaming architecture based toolflow for mapping such models onto FPGAs considering the model's inherent characteristics and the features of the targeted FPGA device. The HARFLOW3D toolflow takes as input a 3D CNN in ONNX format and a description of the FPGA characteristics, generating a design that minimizes the latency of the computation. The toolflow is comprised of a number of parts, including i) a 3D CNN parser, ii) a performance and resource model, iii) a scheduling algorithm for executing 3D models on the generated hardware, iv) a resource-aware optimization engine tailored for 3D models, v) an automated mapping to synthesizable code for FPGAs. The ability of the toolflow to support a broad range of models and devices is shown through a number of experiments on various 3D CNN and FPGA system pairs. Furthermore, the toolflow has produced high-performing results for 3D CNN models that have not been mapped to FPGAs before, demonstrating the potential of FPGA-based systems in this space. Overall, HARFLOW3D has demonstrated its ability to deliver competitive latency compared to a range of state-of-the-art hand-tuned approaches being able to achieve up to 5$\times$ better performance compared to some of the existing works.


翻译:对于人类行为识别(HAR)任务,三维卷积神经网络已经被证明是非常有效的并且取得了最先进的结果。本研究介绍了一种基于流水线结构的架构工具流,用于将这些模型映射到 FPGA 上,考虑到模型的内在特征和 FPGA 设备的特性。HARFLOW3D 工具流以 ONNX 格式的 3D CNN 和 FPGA 特性描述作为输入,生成一个最小化计算延迟的设计。工具流由多个部分组成,包括 i)3D CNN 解析器,ii)性能和资源模型,iii)用于在生成的硬件上执行 3D 模型的调度算法,iv)针对 3D 模型量身定制的资源感知型优化引擎,v)FPGA 可综合代码的自动映射。通过多种 3D CNN 和 FPGA 系统组合上的实验,展示了工具流支持各种模型和设备的能力。此外,工具流已经为尚未映射到 FPGA 上的 3D CNN 模型产生了高性能结果,展示了 FPGA 系统在这个领域的潜力。总体而言,HARFLOW3D 工具流展示出它能够提供具有竞争力的延迟,与一系列最先进的手动调优方法相比,能够实现高达 5 倍的性能提高。

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