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DAY 12
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爭什麼,把AI和MCU摻在一起做tinyML就對了!系列 第 12

[Day 12] tinyML開發框架(一):TensorFlow Lite Micro初體驗(上)

說到tinyML不得不說起「TinyML Machine Learning with TensorFlow Lite on Arduino and Ultra-Low-Power Microcontrollers」一書的作者Pete Warden,他應該是最早將這個概念整理成書的作者(2020/1/7 初版),並且在Youtube上也有多段影音教學影片(如文末參考連結【TinyML Playlist】)。目前這本書也有中文譯本在台發售,碁峯於2020/7/31出版,書名「tinyML TensorFlow Lite機器學習 應用Arduino與低耗電微控制器」,如Fig. 12-1所示。

TinyML經典入門書及作者Pete Warden
Fig. 12-1 TinyML經典入門書及作者Pete Warden。(OmniXRI整理繪製, 2021/9/26)

「TinyML」中文版書中對兩位作者的介紹:
Pete Warden 是行動及嵌入式TensorFlow的技術主管,也是TensorFlow團隊的創始成員之一。他曾經是Jetpac的CTO和創始人,該公司在2014年被Google收購。
Daniel Situnayake 是Google的首席開發布道師,並且協助運作tinyML聚會小組。他也是Tiny Farms的共同創辦人,Tiny Farms是美國第一家大規模自動生產昆蟲蛋白的公司。

相信可能很多人第一次接觸tinyML應該都是跟著這本書來實作和練習,但說實在的,步驟有點多,有很多開發環境要設置,所以對於新手會有些吃力,因為除了AI部份外,還有MCU部份要處理。好在AI的世界進步速度頗快,才過了一年多,就有了不少改進,簡化了不少。接下來就讓我們跟著Google官網「TensorFlow Lite for Microcontrollers」(以下簡稱TFLM)的說明來實際操練一下。

什麼是TFLM呢?一般大家在開發深度學習模型時多半會使用Google TensorFlow框架,但到了手機或單板微電腦(如Arm Cortex-A, Cortex-R或樹莓派Cortex-A53/A57等)時代,這樣的框架太大塞不進這些系統中,於是Google又推出TensorFlow Lite,它不僅更短小精悍,同時還提供的模型優化工作,使得在推論準確率只損失數個百分點甚至幾乎沒有損失的情況下,讓模型縮小十倍以上,不僅更容易塞進這些開發板,同時加快了推論速度。不幸地是,當遇到像MCU(Cortex-M)等級的開發板時,又遇到塞不進的問題,所以Google才會再推出TensorFlow Lite for Microcontroller。表面上名字很像Lite,但實質上為了牽就MCU的開發架構,因此本質上有很大不同,無法直接取代。原則上這些都是開源碼,有興趣研究原始碼的朋友可參考文末參考連結【TFLM Github開源碼】。另外目前TFLM可支援的開發板可參考[Day 03] tinyML開發板介紹的說明。

接下來就跟著Google TFLM的「Hello World」來建立基本操作觀念。這個範例主要分成兩個部份,如下所示。

  • 訓練模型:使用Python,在Google Colab (jupyter notebook)完成訓練、轉換及優化模型。
  • 執行推論:使用C++ 11,在開發板上使用C++函式庫執行模型推論。

訓練模型(Python + Google Colab + GPU)

首先點擊Google提供的Colab範例程式,免下載,可直接運行,Jupyter Notebook操作環境,說明文字和程式一起存在,方便學習,只需在每個程式欄位左上角按下黑色箭頭(或者點想執行的欄位按Ctrl + Enter亦可)即可單步執行,但切記要按照順序把每個步驟都執行完,不能跳過任何一步驟。由於開啟後會看到先前運行結果都被保留在執行結果欄位,為了更清楚看到所有動作,可執行主選單的[編輯]─[清除所有輸出欄位],將所有輸出欄位清除。

首先說明這個「Hello World」程式主要想展示如何將一個TensorFlow建立好的模型轉換到TFLM,為了方便說明,並沒有使用現成常用的資料集,而是以正弦波加亂數方式產生一個資料集,然後訓練出一個模型(正弦波函數),使得輸入X位置就能推論出Y位置。

接下來就快速摘要一下整個程式在做什麼?程式部份請參考原始程式,這裡僅作重點摘要及補充說明,方便大家更容易理解。程式運作後產生的相關圖表可參考Fig. 12-2。

  • 配置模型工作路徑名稱。
  • 安裝TensorFlow 2.4.0版環境,並導入Python所需套件。
  • 產生資料
    • 產生正弦波基本數據,在0~2 PI間產生1000點當作x,再將其順序打亂,並依正弦(Sine)函式計算出對應的y值,得到1000組原始資料,(x,y)。
    • 增加雜訊,為了使資料更接近真實世界隨意變動,所以將原始資料的y值隨機加入10%的變動。
    • 分割資料集,為了後續訓練、驗證及測試模型的效能,所以將資料集分割成60%, 20%, 20%。
  • 模型訓練
    • 設計模型,一般來說像正弦波這類資料,採用「機器學習」的「多項式迴歸」方法大概就能解出不錯的結果。不過這裡故意使用一個全連結的神經網路來代替,輸入層就只有一個神經元,輸入值就是x,輸出層也只有一個神經元,而隱藏層使用8個神經元,每個神經元的輸出激勵函數採用「ReLu」,最終訓練時判定損失的函數則採用MSE(Mean Square Error, 均方誤差),度量方法採MAE(Mean Absolute Error, 平均絕對誤差),而調整優化方法則採「Adam」。整體模型採用TensorFlow的Keras方法來建構。更多損失函數和優化方法可參考NTUST Edge AI Ch6-1 模型優化與佈署─模型訓練優化
    • 訓練模型,設定好模型後就可以開始訓練,由於這個範例很小,所以原始檔案並沒有啟動GPU加速計算,如果有需要可選擇主選單的[編輯]─[筆記本設定]─[硬體加速器]將[None]改成[GPU(Nvidia)]或[TPU(Google)]即可。這個範例指定訓練迭代次數(Epochs)次為500次,意思是不管是否達到滿意程度,到達設定值就停止。批量大小(batch_size)則是一次取多少筆資料來訓練,以600筆資料批量大小為64為例則要取10次才能完成一次迭代,所以理論上批量大小大一點會好些,但會隨資料性質及多樣性可能會造成模型訓練結有很大不同,所以可自行調整大小來加速訓練速度及測試收歛速度。
    • 繪製圖表,為了更清楚知道訓練過程中損失收歛的速度,可將訓練過程的輸出值繪成圖表來觀察,以圖示約在100次迭代後就幾乎收歛,只有很小幅度的下降。若想更清楚看到變化細節,可忽略前50筆(可自行調整)。另外除了損失率外亦可將平均絕對誤差(MAE)當成觀察內容。接著為了知道訓練了500次迭代的模型效能好不好,此時就可把測試集拿來當輸入求預測值,再將實際值和預測一起繪出,很明顯差了很多,還不滿足需求。表示訓練看起來好像不錯但實際上根本不能用。
  • 訓練一個大模型
    • 設計模型,接著把隱藏層變成兩層,且兩層都使用16個神經元進行全連結,其它條件和先前一樣。
    • 訓練模型,同樣地訓練500次迭代。
    • 繪製圖表,同樣繪出LOSS和MAE,可看出大約在350次迭代後才趨於收歛。最後實際值和預測值也趨於擬合,已可看出一條很接近正弦波的曲(紅)線。代表這個模型已可應付大部份的狀況。
  • 產生TensorFlow Lite模型
    • 產生有量化和沒有量化的模型,原始TensorFlow模型是以FP32(32bit浮點數)格式進行訓練,接著將其轉成TensorFlow Lite格式,接著若能把訓練好的參數降到INT8(8bit整數)則模型大小就能變為1/4。但前提是預測的結果不能變化太大才有意義。
    • 比較模型效能,在比較之前需將模型以不同參數格式載入,為了正確配置相關記憶體,需初始化TFLite的直譯器(Interpreter)再載入,最後將有無量化的比較結果繪製成圖表。由圖可看出綠色X和藍色X幾乎重疊,代表量化後的結果幾乎沒有影響。再經由數字來看,原始TensorFlow的模型損失率1.02%和轉成TensorFlow Lite 未優化前幾乎相同,而經過量化後變成1.08%,變化極小。此時再來看模型(參數)大小,原始TensorFlow使用了4096 Byte,經轉成TFLite後縮小至2788(減少1308)Byte,而經量化後,只剩2488(再減少300)Byte,和原本模型相比僅為60.7%。雖然離目標的25%(1/4大小)還很遠,這是因為這個模型不算太複雜且很小,所以暫時無法發揮太明顯效益。
  • 產生TFLM模型,接著要安裝xxd工具程式,利用它將TFLite已量化的模型再轉成TFLM格式,即C語言格式檔案,預設會於/hello_world/train/models下產生一個model.cc的檔案,打開看就是一個2488 Byte的int格式陣列。
  • 佈署到MCU上,最後把model.cc和其它MCU相關的程式(*.cc)一起編譯就能佈署到MCU上,不過這部份不在Colab上完成,MCU程式編譯和TFLM執行推論部份就留待下回分解。

TensorFlow Lite for Microcontroller Hello Wolrd範例相關圖示
Fig. 12-2 TensorFlow Lite for Microcontroller Hello Wolrd範例相關圖示。(OmniXRI整理製作, 2021/9/26)

參考連結

Google TensorFlow Lite for Microcontrollers 中文學習指南
Pete Warden Youtube, TinyML Book Screencasts Playlist 影片清單
TensorFlow Lite for Microcontrollers Github 開源碼
TFLM Get started with microcontrollers, The Hello World example
Experiments with Google = TensorFlow Lite for Microcontrollers 案例分享


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