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一种基于知识蒸馏的量化卷积神经网络FPGA部署
电子技术应用
罗德宇,郭千禧,张怀诚,黄启俊,王豪
武汉大学 物理科学与技术学院
摘要:设计了一种针对心电数据实时分类的量化神经网络,将权重量化为两位整数,运用知识蒸馏的方法使性能达到了期望的效果,并部署于FPGA开发板上。知识蒸馏后的量化网络比全精度网络的分类准确率提升了9%。在FPGA开发板上的运行结果符合预期,达到了需要的性能,可以对左束支传导阻滞(L)、右束支传导阻滞(R)、正常心拍(N)和室性早搏综合征(V)四种心电信号进行分类,相比于其他量化方式对存储参数的需求更小,资源使用更少,相比于CPU速度提升了1.5倍,运行时间达到实时性要求,适合于部署在小型、轻量化的资源有限的可穿戴设备上。
中图分类号:TN911.72 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234479
中文引用格式:罗德宇,郭千禧,张怀诚,等. 一种基于知识蒸馏的量化卷积神经网络FPGA部署[J]. 电子技术应用,2024,50(4):97-101.
英文引用格式:Luo Deyu,Guo Qianxi,Zhang Huaicheng,et al. An FPGA implement of ECG classifier using quantized CNN based on knowledge distillation[J]. Application of Electronic Technique,2024,50(4):97-101.
An FPGA implement of ECG classifier using quantized CNN based on knowledge distillation
Luo Deyu,Guo Qianxi,Zhang Huaicheng,Huang Qijun,Wang Hao
School of Physics and Technology, Wuhan University
Abstract:In this paper, we designed a quantized convolutional neural network for real-time classification of ECG data, quantized the weights to INT2, applied knowledge distillation to achieve the desired classification results, and deployed it on FPGA. The quantized network after knowledge distillation improved the classification accuracy by 9% over the full precision network. The running results on the FPGA meet the expectations and achieve the required performance to classify four types of ECG signals, left bundle branch conduction block (L), right bundle branch conduction block (R), normal beat (N) and ventricular premature beat syndrome (V), which requires less storage parameter requirements and less resource usage than other quantization methods, and improves the computational speed of the CPU compared to the CPU by 1.5 times, the running time meets the real-time requirement, and is suitable for deployment on small, lightweight wearable devices with limited resources.
Key words :ECG signal;quantized CNN;knowledge distillation;FPGA

引言

我国心血管病(Cardiovascular Disease,CVD)发病率和死亡率仍在升高,在我国城乡居民疾病死亡构成比中,CVD占首位[1]。提前预防和诊断CVD是目前很重要的医疗问题。24 h动态心电图可以在较长时间内对人体心脏安静和活动状态下的心电图变化情况进行记录、编集和分析,进而了解心电图的变化情况,可以作为CVD诊断的重要依据[2]。在心电信号自动识别的领域,神经网络算法常常被用来作为分析的算法,这种分析算法常常采用的是一维的ECG信号[3]。而在算法中使用被转为二维的ECG信号时,更多的信息量给量化算法提供了更好的条件,也更适合于硬件实现[4]。本文设计了一种针对心电数据实时分类的量化神经网络,并部署于FPGA上,验证了效果。该硬件化模块具有小型化、准确率高、计算速度快等特点,适合于部署在便携式心电监测设备上。


本文详细内容请下载:

http://www.chinaaet.com/resource/share/2000005956


作者信息:

罗德宇,郭千禧,张怀诚,黄启俊,王豪

(武汉大学 物理科学与技术学院,湖北 武汉 430072)


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