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MC-LSTM: Real-Time 3D Human Action Detection System for Intelligent Healthcare Applications

计算机科学 动作(物理) 动作识别 医疗保健系统 医疗保健 人工智能 物理 经济增长 量子力学 经济 班级(哲学)
作者
Jun Yin,Jun Han,Ruiqi Xie,Chenghao Wang,Xuyang Duan,Yitong Rong,Xiaoyang Zeng,Jun Tao
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:15 (2): 259-269 被引量:27
标识
DOI:10.1109/tbcas.2021.3064841
摘要

Due to the movement expressiveness and privacy assurance of human skeleton data, 3D skeleton-based action inference is becoming popular in healthcare applications. These scenarios call for more advanced performance in application-specific algorithms and efficient hardware support. Warnings on health emergencies sensitive to response speed require low latency output and action early detection capabilities. Medical monitoring that works in an always-on edge platform needs the system processor to have extreme energy efficiency. Therefore, in this paper, we propose the MC-LSTM, a functional and versatile 3D skeleton-based action detection system, for the above demands. Our system achieves state-of-the-art accuracy on trimmed and untrimmed cases of general-purpose and medical-specific datasets with early-detection features. Further, the MC-LSTM accelerator supports parallel inference on up to 64 input channels. The implementation on Xilinx ZCU104 reaches a throughput of 18 658 Frames-Per-Second (FPS) and an inference latency of 3.5 ms with the batch size of 64. Accordingly, the power consumption is 3.6 W for the whole FPGA+ARM system, which is 37.8x and 10.4x more energy-efficient than the high-end Titan X GPU and i7-9700 CPU, respectively. Meanwhile, our accelerator also keeps a 4 ∼ 5x energy efficiency advantage against the low-power high-performance Firefly-RK3399 board carrying an ARM Cortex-A72+A53 CPU. We further synthesize an 8-bit quantized version on the same hardware, providing a 48.8% increase in energy efficiency under the same throughput.
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