Khóa Luận Tốt Nghiệp: Thiết Kế và Hiện Thực Mô Hình Học Sâu Cho Phân Loại Hình Ảnh Trên FPGA

• Tác giả: Lê Hoàng Minh
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Văn Cương
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Thiết Kế và Hiện Thực Mô Hình Học Sâu Cho Phân Loại Hình Ảnh Trên FPGA
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH THIẾT KẾ
• 3. CHƯƠNG 3: HIỆN THỰC THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ
• 5. CHƯƠNG 5: KHÓ KHĂN GẶP PHẢI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mô Hình Học Sâu Trên FPGA

Mô hình học sâu (Deep Learning) đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại. Việc thiết kế và hiện thực hóa mô hình học sâu cho phân loại hình ảnh trên FPGA (Field Programmable Gate Array) mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. FPGA cho phép xử lý song song, giúp tăng tốc độ tính toán và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng so với các nền tảng truyền thống như CPU và GPU. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các khía cạnh thiết kế và hiện thực hóa mô hình học sâu trên FPGA.

1.1. Khái Niệm Về Mô Hình Học Sâu

Mô hình học sâu là một phần của trí tuệ nhân tạo, sử dụng các mạng nơ-ron để học từ dữ liệu. Các ứng dụng của nó rất đa dạng, từ nhận diện khuôn mặt đến phân loại hình ảnh.

1.2. Lợi Ích Của FPGA Trong Học Sâu

FPGA cung cấp khả năng tùy chỉnh cao và hiệu suất tính toán tốt, giúp tối ưu hóa việc triển khai các mô hình học sâu. Nghiên cứu cho thấy FPGA có thể tiết kiệm năng lượng lên đến 49% so với CPU và GPU.

II. Thách Thức Trong Việc Thiết Kế Mô Hình Học Sâu Trên FPGA

Mặc dù FPGA mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế mô hình học sâu trên nền tảng này cũng gặp phải nhiều thách thức. Đầu tiên, việc hiểu rõ cấu trúc và các thành phần của FPGA là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất. Thứ hai, việc lập trình cho FPGA phức tạp hơn so với CPU và GPU, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống.

2.1. Khó Khăn Trong Lập Trình FPGA

Lập trình FPGA yêu cầu kiến thức về ngôn ngữ mô tả phần cứng như VHDL hoặc Verilog, điều này có thể gây khó khăn cho những người mới bắt đầu.

2.2. Giới Hạn Về Tài Nguyên

FPGA có tài nguyên hạn chế, do đó cần phải tối ưu hóa thiết kế để đảm bảo mô hình học sâu hoạt động hiệu quả mà không vượt quá giới hạn tài nguyên.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mô Hình Học Sâu Trên FPGA

Để thiết kế mô hình học sâu trên FPGA, cần áp dụng các phương pháp tối ưu hóa như lượng tử hóa (quantization) và sử dụng các khối chức năng như Convolutional, Pooling và Fully Connected. Những phương pháp này giúp giảm kích thước mô hình và tăng tốc độ xử lý.

3.1. Kỹ Thuật Lượng Tử Hóa

Lượng tử hóa giúp giảm kích thước trọng số của mô hình từ số thực sang số nguyên, giúp tiết kiệm bộ nhớ và tăng tốc độ xử lý trên FPGA.

3.2. Thiết Kế Các Khối Chức Năng

Các khối chức năng như Convolutional và Pooling được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất tính toán, giúp mô hình hoạt động hiệu quả hơn trên FPGA.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mô Hình Học Sâu Trên FPGA

Mô hình học sâu được triển khai trên FPGA đã cho thấy kết quả ấn tượng trong việc phân loại hình ảnh. Một ví dụ điển hình là mô hình CNN được huấn luyện trên bộ dữ liệu MNIST, đạt độ chính xác lên đến 97.85%. Việc triển khai này không chỉ chứng minh khả năng của FPGA mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Trên Bộ Dữ Liệu MNIST

Mô hình CNN được thiết kế đạt độ chính xác 97.85% trên bộ dữ liệu MNIST, cho thấy khả năng phân loại hình ảnh hiệu quả của FPGA.

4.2. Ứng Dụng Trong Thực Tế

Các ứng dụng thực tế của mô hình học sâu trên FPGA bao gồm nhận diện khuôn mặt, phân loại hình ảnh trong y tế và nhiều lĩnh vực khác.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Mô Hình Học Sâu Trên FPGA

Việc thiết kế và hiện thực hóa mô hình học sâu trên FPGA không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ. Tương lai của mô hình học sâu trên FPGA hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và khả năng ứng dụng.

5.1. Triển Vọng Phát Triển

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ FPGA, mô hình học sâu sẽ ngày càng được tối ưu hóa và ứng dụng rộng rãi hơn.

5.2. Những Hướng Nghiên Cứu Mới

Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của mô hình học sâu trên FPGA, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghệ.