基于PYNQ的图像分类识别：从模型搭建到平台实现-平芜编程栈

基于pynq的图像分类识别设计，在高层次综合工具HLS设计搭建卷积神经网络和IP核设计，并利用TensorFlow训练模型得到模型的参数文件，然后将模型配置移植进入PYNQ开发平台，可实现动物分类识别。附有pynq的学习网站，可提供相关指导，仅供学习参考

最近在研究图像分类识别，发现基于PYNQ的方案非常有趣，今天就来和大家分享一下整个设计过程。

利用HLS搭建卷积神经网络与IP核

高层次综合工具HLS在这个项目里起到了关键作用。我们要通过它来搭建卷积神经网络（CNN）以及进行IP核设计。在HLS环境下，代码编写思路与普通的Python代码有所不同，它更侧重于硬件描述和优化。

例如，在定义卷积层时，可能会像下面这样写代码（这里只是简化示意，实际可能更复杂）：

void convolution_layer(ap_fixed<16,6> input[IN_HEIGHT][IN_WIDTH][IN_CHANNELS], ap_fixed<16,6> output[OUT_HEIGHT][OUT_WIDTH][OUT_CHANNELS], ap_fixed<16,6> weights[KERNEL_HEIGHT][KERNEL_WIDTH][IN_CHANNELS][OUT_CHANNELS]){ for(int out_ch = 0; out_ch < OUT_CHANNELS; out_ch++){ for(int out_row = 0; out_row < OUT_HEIGHT; out_row++){ for(int out_col = 0; out_col < OUT_WIDTH; out_col++){ ap_fixed<32,12> acc = 0; for(int in_ch = 0; in_ch < IN_CHANNELS; in_ch++){ for(int ker_row = 0; ker_row < KERNEL_HEIGHT; ker_row++){ for(int ker_col = 0; ker_col < KERNEL_WIDTH; ker_col++){ int in_row = out_row * STRIDE + ker_row; int in_col = out_col * STRIDE + ker_col; acc += input[in_row][in_col][in_ch] * weights[ker_row][ker_col][in_ch][out_ch]; } } } output[out_row][out_col][out_ch] = acc; } } } }

这段代码中，通过多层循环实现了卷积操作。最外层循环遍历输出通道，中间层循环遍历输出特征图的行和列，最内层循环则负责计算卷积核与输入特征图对应位置的乘积并累加。这里使用了定点数ap_fixed来优化硬件资源的使用，相比于浮点数，定点数在硬件实现上更加高效。

这样我们逐步搭建起整个卷积神经网络，并将其转化为IP核，为后续在PYNQ平台上的使用做准备。

利用TensorFlow训练模型

模型搭建好了，接下来就是利用TensorFlow来训练模型，从而得到模型的参数文件。TensorFlow作为一个强大的深度学习框架，代码写起来相对简洁明了。

import tensorflow as tf from tensorflow.keras.datasets import cifar10 from tensorflow.keras.models import Sequential from tensorflow.keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Flatten, Dense # 加载数据 (x_train, y_train), (x_test, y_test) = cifar10.load_data() x_train = x_train / 255.0 x_test = x_test / 255.0 # 构建模型 model = Sequential([ Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(32, 32, 3)), MaxPooling2D((2, 2)), Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'), MaxPooling2D((2, 2)), Flatten(), Dense(64, activation='relu'), Dense(10, activation='softmax') ]) # 编译模型 model.compile(optimizer='adam', loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=False), metrics=['accuracy']) # 训练模型 model.fit(x_train, y_train, epochs=10, validation_data=(x_test, y_test)) # 保存模型参数 model.save('animal_classification_model.h5')

这段代码首先加载了CIFAR - 10数据集（这里假设用于动物分类，实际可替换为对应动物数据集），并对数据进行归一化处理。然后构建了一个简单的卷积神经网络模型，包含卷积层、池化层、全连接层。编译模型时，选择了adam优化器和SparseCategoricalCrossentropy损失函数。最后进行模型训练，并将训练好的模型参数保存为.h5文件。

模型配置移植到PYNQ开发平台

当我们有了训练好的模型参数文件，接下来就是将模型配置移植进入PYNQ开发平台。PYNQ将可编程逻辑（FPGA）与ARM处理器相结合，为我们实现硬件加速的图像分类识别提供了便利。

在PYNQ上，我们需要使用特定的库和工具来加载模型参数并进行推理。例如，借助pynq.lib.downloader模块来下载模型参数文件到开发板上。

from pynq.lib.downloader import Downloader # 假设模型文件在本地路径'model_path/animal_classification_model.h5' local_model_path ='model_path/animal_classification_model.h5' board_model_path = '/home/xilinx/jupyter_notebooks/models/animal_classification_model.h5' downloader = Downloader() downloader.download(local_model_path, board_model_path)

下载完成后，就可以在PYNQ上利用加载的模型进行动物分类识别推理了。