임베디드 비전 구성품은 수많은 어플리케이션에 통합되고 있습니다. 이러한 모든 어플리케이션의 공통점은 더 많은 기능을 컴팩트하게 통합해야 한다는 것입니다. Teledyne FLIR는 이러한 시스템을 신속하게 프로토타입화 할 수 있는 TX2용 Quartet™ Embedded 솔루션을 도입했습니다. 이 커스텀 캐리어 보드를 사용하면 전체 대역폭에서 최대 4대의 USB3 머신 비전 카메라를 쉽게 통합할 수 있습니다. 이 보드는 NVidia Jetson 딥러닝 하드웨어 가속기가 포함되어 있으며, Teledyne FLIR의 Spinnaker® SDK가 사전 설치되어 있습니다. 검사, 모바일 로봇, 교통 시스템 및 다양한 유형의 무인 차량과 같은 시스템을 현장에서 구현하는 것은 큰 장점이 될 수 있습니다.

그림 1: 4가지 어플리케이션에 적용된 프로토타입

이 글에서는 Quartet 보드로 무엇을 할 수 있는지 강조하기 위해 동시에 4개의 어플리케이션을 실행하는 ITS(교통 시스템)를 개발하는 단계를 소개해드리겠습니다. 그 중 3개는 딥 러닝을 사용합니다.

어플리케이션1: 딥 러닝을 이용한 번호판 인식

어플리케이션2: 딥 러닝을 이용한 차량 유형 분류

어플리케이션3: 딥 러닝을 이용한 차량 색상 분류

어플리케이션4: 앞 유리창 투과(빛 반사 상황)

구매 목록: 하드웨어 및 소프트웨어 구성품

1. 프로세싱을 위한 SOM(System on Module)

TX2용 Teledyne FLIR Quartet 캐리어 보드에는 다음과 같이 구성되어있습니다.

- 전용 USB3 컨트롤러가 있는 TF38 커넥터 4개

- Nvidia Jetson TX2 모듈

 -Teledyne FLIR의 강력하고 사용하기 쉬운 Spinnaker SDK가 사전 설치되어 Teledyne FLIR Blackfly S 보드 레벨 카메라와의 플러그 앤 플레이 호환성 보장

- Nvidia Jetson 딥 러닝 하드웨어 가속기는 단일 컴팩트 보드에서 완전한 의사 결정 시스템을 가능하게 함

그림 2: Blackfly S board level, FPC cable, TX2가 포함된 Quartet 임베디드 솔루션

2. 카메라 및 케이블

- Teledyne FLIR Blackfly S USB3 보드 레벨 카메라 3대: 최신 CMOS 센서가 적용되어 있고, 케이스 버전과 동일하게 풍부한 기능을 지원하며 Quartet과의 호환성이 높음

- 커스텀 카메라 1대: Sony IMX250MZR 편광 센서가 탑재된 Blackfly S USB3 보드 레벨 카메라

- 케이블: TF38 FPC 케이블로 전력 및 데이터를 단일 케이블로 전송하여 공간 절약

그림 3: FPC 케이블이 연결된 Blackfly S 보드 레벨 카메라

3. 조명 : 번호판의 모션 블러를 방지하기 위해 충분한 광량을 제공하는 LED 조명

3.1 - 어플리케이션1

딥 러닝을 이용한 번호판 인식

개발 시간: 견고하고 빠른 실행을 위해 2-3주 소요

학습 이미지: LPDNet 사용

번호판 인식을 위해 Nvidia의 기성품인 LPDNet(License Plate Detection) 딥 러닝 모델을 사용하여 번호판의 위치를 ??감지했습니다. 그리고 문자와 숫자를 인식하기 위해 Tesseract 오픈 소스 OCR 엔진을 사용 했고 카메라는 Sony IMX267 센서가 탑재된 Blackfly S 보드 레벨 8.9MP 컬러 카메라(BFS-U3-88S6C-BD)를 사용 중입니다. 성능 및 속도를 높이기 위해 번호판 감지에 대한 관심 영역(ROI)을 제한하고, 견고성을 향상시키기 위해 추적(Tracking)을 적용했습니다. 해당 번호판의 문자와 번호판에 바운딩 박스가 표시됩니다..

그림 4: 번호판의 문자 및 번호판에 바운딩 박스가 표시되는 영상

3.2 - 어플리케이션2

딥 러닝을 이용한 차량 유형 분류

개발 시간: 이미지 수집 및 어노테이션(Annotation)을 포함하여 최대 12시간

학습 이미지: ~300

차량 유형 분류를 위해 전이 학습(Transfer learning)을 사용하여 SUV, 세단 및 트럭과 같은 세 가지 장난감 자동차에 대해 자체 딥 러닝 객체 감지 모델을 학습했습니다. 다양한 거리와 각도에서 촬영한 약 300개의 트레이닝 이미지를 수집했고 카메라는 Sony IMX250 센서가 탑재된 Blackfly S 보드 레벨 5MP 컬러 카메라(BFS-U3-51S5C-BD2)를 사용 중 입니다. 장난감 자동차의 바운딩 박스에 어노테이션을 추가하는데 약 3시간이 소요됐습니다. 자체 SSD MobileNet 객체 감지 모델을 트레이닝하기 위해 전이 학습을 수행했으며, Nvidia GTX1080 Ti GPU에서 반나절 정도 소요됐습니다. GPU 하드웨어 가속기를 통해 Jetson TX2 모듈은 딥 러닝 추론을 효율적으로 수행하고 해당 차량 유형과 함께 자동차에 바운딩 박스를 출력할 수 있습니다.

그림 5: 바운딩 박스와 사전 설정된 차량 유형, 식별된 신뢰도 점수가 표시되는 영상

3.3 - 어플리케이션3

딥 러닝을 이용한 색상 분류

개발 시간: 색상 분류, 통합 및 테스트를 위해 ‘차량 유형 어플리케이션’ 모델을 재사용하여 2일 추가 소요

학습 이미지: ‘차량 유형 어플리케이션’과 동일한 300개 이미지 재사용

차량 색상 분류를 위해 위와 동일한 딥 러닝 객체 감지 모델을 실행하여 차량을 감지하고, 바운딩 박스에 대한 이미지 분석을 통해 색상을 분류했습니다. 해당 차량 색상과 함께 자동차에 바운딩 박스가 표시됩니다. 카메라는 Sony IMX252 센서가 탑재된 Blackfly S 보드 레벨 3MP 컬러 카메라(BFS-U3-32S4C-BD2)를 사용 중 입니다.

그림 6: 바운딩 박스 및 미리 설정된 색상 유형이 식별된 영상

3.4 - 어플리케이션4

앞 유리창 투과(빛 반사 상황)

앞 유리를 통해 HOV차선을 모니터링하고 안전 벨트 착용 여부를 확인하고 심지어 운전 중 휴대폰 사용 여부까지 확인하는 등 교통 관련 어플리케이션에 빛 반사 제거 기능은 매우 중요합니다. 이를 위해 Blackfly S USB3 보드 레벨 카메라와 5MP Sony IMX250MZR 편광 센서를 결합하여 커스텀 카메라를 만들었습니다. 이 보드 레벨 편광 카메라는 표준 제품이 아니지만, Teledyne FLIR에서는 다양한 센서를 쉽게 교체하여 커스텀 카메라 옵션 제공이 가능하여 빛 반사 제거 기능을 보여주는 커스텀 카메라 옵션을 제공하였습니다. 고정된 장난감 자동차의 빛 반사 감소를 보여주기 위해 쿼드 모드(Quad mode), 빛 반사 감소 모드와 같은 다양한 "편광 알고리즘" 옵션을 제공하는 Teledyne FLIR의 SpinView GUI를 통해 카메라 이미지를 간단히 스트리밍했습니다.

그림 7: Spinnaker SDK는 쿼드 모드, 빛 반사 감소 모드와 같은 다양한 “편광 알고리즘” 옵션을 제공하여 고정된 장난감 자동차의 빛 반사 감소를 보여줍니다. 쿼드 모드는 4개의 서로 다른 편광 각도에 해당하는 이미지를 보여줍니다.

전반적인 시스템 최적화

4개의 각 프로토타입은 독립적으로는 잘 작동하지만, 모든 딥 러닝 모델이 동시에 실행될 때 전반적인 성능이 상당히 좋지 않다는 것을 알았습니다. Nvidia의 TensorRT SDK는 Jetson TX2 모듈과 같은 Nvidia 하드웨어용 딥 러닝 추론 옵티마이저(Inference optimizer) 및 런타임을 제공합니다. 이 TensorRT SDK를 사용하여 딥 러닝 모델을 최적화하여 성능이 약 10배 향상되었습니다. 그리고 모든 어플리케이션이 실행 중일 때 발열이 심해 TX2 모듈에 방열판을 부착했습니다. 결과적으로 차량 유형 식별에서 14fps, 차량 색상 분류에서 9fps, 자동 번호판 인식에서 4fps 그리고 편광 카메라에서 8fps까지 4가지 어플리케이션을 모두 실행할 때 좋은 프레임 속도를 달성했습니다.

Quartet Embedded Solution 및 Blackfly S 보드 레벨 카메라의 사용 용이성과 신뢰성 덕분에 비교적 짧은 시간 내에 프로토타입 개발을 완료하였습니다. Spinnaker SDK가 사전 설치된 TX2 모듈은 TF38 연결을 통해 전체 USB3 대역폭에서 안정적으로 스트리밍할 수 있는 모든 Blackfly S 보드 레벨 카메라와의 플러그 앤 플레이 호환성을 보장합니다. Nvidia는 TX2 모듈에서 개발 및 최적화를 용이하게 하는 많은 툴을 제공합니다. Quartet은 이제 flir.com은 물론 flir.com 사무실과 글로벌 대리점들을 통해 구매하실 수 있습니다.

제품 링크 : 

Blackfly S 보드 레벨 카메라 : http://www.fainstec.com/main/search.asp?schStr=BD2

Blackfly S 편광 카메라 케이스 버전 : http://www.fainstec.com/main/search.asp?schStr=51S5P-C

Quartet보드: http://www.fainstec.com/main/search.asp?cate=%EB%B3%B4%EB%93%9C&o_idx=125&schStr=Quartet