AI模型部署邊緣設(shè)備的奇妙之旅：如何實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識(shí)別

1 簡(jiǎn)介

近年來(lái)，人工智能（AI）技術(shù)的突破性進(jìn)展為嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)了新的生機(jī)。AI技術(shù)的融入使得嵌入式系統(tǒng)能夠更加智能地處理復(fù)雜任務(wù)， 如圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等。這種融合不僅提高了嵌入式系統(tǒng)的智能化水平，還極大地拓展了其應(yīng)用范圍， 使得嵌入式系統(tǒng)在智能家居、智能交通、智能醫(yī)療等領(lǐng)域有了更深層次的運(yùn)用。AI技術(shù)的嵌入，已經(jīng)成為未來(lái)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展 的一個(gè)重要趨勢(shì)。踏入邊緣端部署的第一步，我們可以從一個(gè)經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)案例——手寫數(shù)字識(shí)別開(kāi)始。手寫數(shù)字識(shí)別是AI技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合的一個(gè)直觀且易于理解的例子。它不僅展示了如何在資源受限的設(shè)備上運(yùn)行復(fù)雜的AI算法，而且體現(xiàn)了將智能處理推向數(shù)據(jù)產(chǎn)生源的重要性，從而減少對(duì)云端計(jì)算的依賴。

2 基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型概覽

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于人類大腦的結(jié)構(gòu)。人腦由大量相互連接的神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元通過(guò)電信號(hào)傳遞信息，幫助我們處理和理解周圍的世界。模仿這一過(guò)程，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）利用軟件構(gòu)建的人工神經(jīng)元或節(jié)點(diǎn)來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題。這些節(jié)點(diǎn)被組織成層，并通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算以求解問(wèn)題。一個(gè)典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括三個(gè)主要部分：

輸入層：負(fù)責(zé)接收來(lái)自外部世界的原始數(shù)據(jù)，如圖像、聲音或文本等。輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，將它們傳遞給下一層。

隱藏層：位于輸入層與輸出層之間，可以有一層或多層。每一層都會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)換，逐步提取特征直至形成抽象表示。隱藏層的數(shù)量和寬度決定了網(wǎng)絡(luò)的深度和復(fù)雜性。

輸出層：最終產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果。根據(jù)任務(wù)的不同，輸出層可能包含單個(gè)節(jié)點(diǎn)（例如二分類問(wèn)題中的0或1）或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)（如多類別分類問(wèn)題）。

為了更直觀地理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理，我們可以使用在線工具A Neural Network Playground

當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中包含多個(gè)隱藏層時(shí)，它就被稱為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN)，也即深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。這類網(wǎng)絡(luò)通常擁有數(shù)百萬(wàn)甚至更多的參數(shù)，使得它們能夠捕捉到數(shù)據(jù)內(nèi)部非常復(fù)雜的非線性關(guān)系。在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接都有一個(gè)權(quán)重值，用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度；正權(quán)重表示激勵(lì)作用，而負(fù)權(quán)重則意味著抑制作用。較高的權(quán)重意味著該節(jié)點(diǎn)對(duì)其相鄰節(jié)點(diǎn)的影響更大。理論上講，足夠深且寬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幾乎可以擬合任意類型的輸入輸出映射。然而，這種能力是以需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為代價(jià)的——相比起簡(jiǎn)單的淺層網(wǎng)絡(luò)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往需要數(shù)百萬(wàn)級(jí)別的樣本才能達(dá)到良好的泛化性能。

2.3 常見(jiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型

根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)特點(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)了多種不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）：最基礎(chǔ)的一種形式，其中數(shù)據(jù)僅沿單一方向流動(dòng)，從輸入層經(jīng)過(guò)一系列隱藏層到達(dá)輸出層，不存在反饋路徑。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）：特別擅長(zhǎng)于圖像識(shí)別任務(wù)，因其特殊的濾波器設(shè)計(jì)能夠有效地捕捉圖像的空間結(jié)構(gòu)信息。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）：適用于處理序列數(shù)據(jù)，比如自然語(yǔ)言處理中的句子或是時(shí)間序列分析中的股票價(jià)格走勢(shì)。RNN具備記憶功能，允許當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)依賴于之前時(shí)刻的狀態(tài)。

長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM） 和門控循環(huán)單元（GRU）：作為RNN的改進(jìn)版本，旨在克服傳統(tǒng)RNN中存在的梯度消失問(wèn)題，從而更好地建模長(zhǎng)時(shí)間跨度上的依賴關(guān)系。

生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）：由兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，一個(gè)是生成器用于創(chuàng)造新的數(shù)據(jù)樣本，另一個(gè)是判別器用來(lái)判斷這些樣本的真實(shí)性。兩者相互競(jìng)爭(zhēng)，共同進(jìn)化，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)合成。

2.4 模型優(yōu)化技術(shù)

在將深度學(xué)習(xí)模型部署到資源受限的環(huán)境中時(shí)，模型優(yōu)化技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。這些技術(shù)旨在減少模型的大小、降低計(jì)算復(fù)雜度，并提高推理速度，同時(shí)盡量保持或最小化對(duì)模型準(zhǔn)確性的負(fù)面影響。以下是三種常見(jiàn)的模型優(yōu)化技術(shù)：剪枝、量化和蒸餾。

2.4.1 剪枝（Pruning）

剪枝是一種通過(guò)移除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中不重要或冗余的連接（權(quán)重）或節(jié)點(diǎn)來(lái)壓縮模型的技術(shù)。通常，剪枝是基于權(quán)重的絕對(duì)值大小來(lái)進(jìn)行的，即認(rèn)為較小的權(quán)重對(duì)于模型的重要性較低，可以被安全地刪除。

過(guò)程：

預(yù)訓(xùn)練階段：首先訓(xùn)練一個(gè)大型的初始模型。

剪枝階段：根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)（如閾值）去除部分權(quán)重或整個(gè)神經(jīng)元。

微調(diào)階段：對(duì)剪枝后的模型進(jìn)行再訓(xùn)練，以恢復(fù)可能因剪枝而損失的精度。

優(yōu)點(diǎn)：

顯著減少了模型參數(shù)的數(shù)量，從而降低了存儲(chǔ)需求和計(jì)算成本。

對(duì)于某些應(yīng)用，可以通過(guò)剪枝實(shí)現(xiàn)更高的效率，尤其是在硬件加速器上。

挑戰(zhàn)：

剪枝可能會(huì)導(dǎo)致模型性能下降，因此需要仔細(xì)選擇剪枝策略并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑儆?xùn)練。

高度非線性的問(wèn)題中，簡(jiǎn)單地剪枝可能會(huì)造成較大的準(zhǔn)確率損失。

2.4.2 量化（Quantization）

模型量化是深度學(xué)習(xí)模型優(yōu)化的一種關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)減少模型參數(shù)和激活值的數(shù)值精度來(lái)降低模型的存儲(chǔ)需求和計(jì)算復(fù)雜度。具體來(lái)說(shuō)，量化通常涉及將浮點(diǎn)數(shù)（如32位或16位）表示的權(quán)重和激活轉(zhuǎn)換為低精度的數(shù)據(jù)類型（如8位整數(shù)或更低），從而實(shí)現(xiàn)模型壓縮和加速推理。

過(guò)程

（1）訓(xùn)練后量化

這是最簡(jiǎn)單的方法，直接應(yīng)用于已經(jīng)訓(xùn)練好的模型。過(guò)程如下：

統(tǒng)計(jì)分析：收集模型中所有層的激活和權(quán)重分布信息。

確定范圍：根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定量化范圍（例如最小值和最大值），以便將浮點(diǎn)數(shù)映射到整數(shù)區(qū)間。

應(yīng)用量化：將浮點(diǎn)權(quán)重和激活值按照預(yù)定規(guī)則轉(zhuǎn)換為低精度整數(shù)。

校準(zhǔn)（可選）：為了最小化量化誤差，可以通過(guò)少量數(shù)據(jù)集進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)整量化參數(shù)。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要重新訓(xùn)練模型，但可能導(dǎo)致一定程度的精度損失。

（2）量化感知訓(xùn)練

量化感知訓(xùn)練在模型訓(xùn)練階段就引入了量化操作。這意味著在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，模型會(huì)“學(xué)習(xí)”如何更好地適應(yīng)量化后的環(huán)境。 步驟包括：

模擬量化：在前向傳播時(shí)，模擬量化過(guò)程，即用低精度數(shù)值代替高精度數(shù)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

反向傳播與更新：在反向傳播期間，仍然使用原始浮點(diǎn)梯度進(jìn)行參數(shù)更新，確保模型能夠正常收斂。

逐步量化：可以選擇性地先對(duì)某些層進(jìn)行量化，觀察其影響后再?zèng)Q定是否對(duì)其他層也實(shí)施量化。

最終量化：完成訓(xùn)練后，將模型完全轉(zhuǎn)換為量化版本。

這種方法通常能保留更多的模型精度，因?yàn)槟Ｐ鸵呀?jīng)在訓(xùn)練中學(xué)會(huì)了應(yīng)對(duì)量化帶來(lái)的變化。

優(yōu)點(diǎn)：

顯著降低模型的存儲(chǔ)需求和計(jì)算復(fù)雜度。

在特定硬件（如GPU、NPU）上運(yùn)行時(shí)，可以大幅提升推理速度。

挑戰(zhàn)：

可能會(huì)導(dǎo)致一定的精度損失，盡管這種損失通常是可控的。

不同類型的模型和任務(wù)對(duì)量化敏感度不同，需謹(jǐn)慎評(píng)估。

2.4.3 蒸餾（Knowledge Distillation）

蒸餾，也稱為知識(shí)遷移，是一種通過(guò)“教師”模型指導(dǎo)“學(xué)生”模型學(xué)習(xí)的方法?！敖處煛蹦Ｐ屯ǔＪ歉?、更復(fù)雜的模型，具有較高的準(zhǔn)確性；而“學(xué)生”模型則設(shè)計(jì)得更加緊湊，以便于部署?！敖處煛钡妮敵觯ㄜ?a target="_blank">標(biāo)簽）作為額外信息傳遞給“學(xué)生”，幫助其學(xué)習(xí)。

過(guò)程：

教師模型訓(xùn)練：先訓(xùn)練出一個(gè)高性能但可能過(guò)于龐大的教師模型。

學(xué)生模型訓(xùn)練：使用教師模型的輸出作為監(jiān)督信號(hào)，訓(xùn)練一個(gè)較小的學(xué)生模型，使其模仿教師的行為。

混合損失函數(shù)：結(jié)合硬標(biāo)簽（原始目標(biāo)值）與軟標(biāo)簽（教師預(yù)測(cè)），構(gòu)成最終的損失函數(shù)用于訓(xùn)練學(xué)生模型。

優(yōu)點(diǎn)：

可以在幾乎不影響預(yù)測(cè)質(zhì)量的情況下大幅減小模型規(guī)模。

學(xué)生模型繼承了教師的知識(shí)，能夠在資源受限的設(shè)備上高效運(yùn)行。

挑戰(zhàn)：

設(shè)計(jì)有效的教學(xué)策略以及選擇合適的損失函數(shù)是關(guān)鍵。

教師模型的質(zhì)量直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，因此需要高質(zhì)量的教師模型。

2.5 ONNX

ONNX（Open Neural Network Exchange）是一種用于在各種深度學(xué)習(xí)框架之間轉(zhuǎn)換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的開(kāi)放格式。它允許用戶將訓(xùn)練好的模型從深度學(xué)習(xí)框架轉(zhuǎn)換為其他框架，或者將模型從一種框架轉(zhuǎn)換為另一種框架。借助它支持不同的人工智能框架（如 PyTorch、MXNet）采用相同格式存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)并交互。

在沒(méi)有ONNX之前，每個(gè)深度學(xué)習(xí)框架都有其自己的模型格式，這導(dǎo)致了所謂的“框架鎖定”問(wèn)題——即一旦選擇了某個(gè)框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，就很難將模型遷移到其他框架中去。ONNX通過(guò)定義一種標(biāo)準(zhǔn)化的模型交換格式打破了這種限制，允許模型在PyTorch、TensorFlow、MXNet等流行框架之間自由轉(zhuǎn)換。這意味著開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)項(xiàng)目需求靈活選擇最適合的工具鏈，而不必?fù)?dān)心后期遷移的成本。對(duì)于那些希望快速迭代并優(yōu)化模型的企業(yè)和個(gè)人開(kāi)發(fā)者而言，ONNX極大地簡(jiǎn)化了從研究到生產(chǎn)的路徑。例如，研究人員可以在一個(gè)框架中設(shè)計(jì)并訓(xùn)練模型，而工程師則可以輕松地將該模型轉(zhuǎn)換為另一種更適合生產(chǎn)環(huán)境的框架來(lái)部署。此外，許多推理引擎和硬件加速器也支持ONNX格式，從而進(jìn)一步加快了模型部署的速度。

在凌智視覺(jué)模塊中模型轉(zhuǎn)換就比較簡(jiǎn)單，我們只需要點(diǎn)擊運(yùn)行即可，下面是具體的代碼。

%cd /home/aistudio/PaddleX!pip uninstall -y paddle2onnx!pip install paddle2onnx -i https://pypi.doubanio.com/simple/ --trusted-host pypi.douban.com!paddle2onnx --model_dir ./output/best_model/inference \ --model_filename inference.pdmodel \ --params_filename inference.pdiparams \ --save_file ${MODEL_NAME}.onnx \ --deploy_backend rknn!cp ${MODEL_NAME}.onnx /home/aistudio/output%cd /home/aistudio/LockzhinerVisionModule然后使用 LockzhinerVisionModule 模型轉(zhuǎn)換工具，將 ONNX 模型轉(zhuǎn)換為 RKNN 模型。# 將 FP32 ONNX 模型轉(zhuǎn)換為 RKNN 模型import osdef list_image_files(directory, output_file): with open(output_file, 'w') as f: for root, dirs, files in os.walk(directory): for file in files: if file.lower().endswith(('.png', '.jpg', '.jpeg')): abs_path = os.path.abspath(os.path.join(root, file)) f.write(abs_path + '\n')directory_path = '/home/aistudio/data/Dataset' # 替換為你的目錄路徑output_file_path = 'dataset.txt' # 輸出文件名list_image_files(directory_path, output_file_path)!pip install onnxslim!python utils/export.py \ --config_path=./configs/${MODEL_NAME}.yaml \ --model_load_path=/home/aistudio/output/${MODEL_NAME}.onnx \ --model_save_path=/home/aistudio/output/${MODEL_NAME}.rknn \ --target_platform=RV1106

2.6 邊緣端部署需考慮因素

邊緣計(jì)算是一種將數(shù)據(jù)處理任務(wù)盡可能靠近數(shù)據(jù)源執(zhí)行的計(jì)算模式，其主要目的是減少延遲、節(jié)省帶寬，并增強(qiáng)隱私保護(hù)。與依賴遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的傳統(tǒng)云計(jì)算不同，邊緣計(jì)算讓智能處理更貼近用戶或傳感器，帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)：

低延遲：由于減少了數(shù)據(jù)往返云端的時(shí)間，邊緣計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)近乎即時(shí)的數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)。

帶寬優(yōu)化：通過(guò)在本地處理數(shù)據(jù)，邊緣計(jì)算減少了需要上傳到云端的數(shù)據(jù)量，從而降低了通信成本和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

隱私與安全：敏感數(shù)據(jù)可以在本地處理，而不必傳輸?shù)酵獠糠?wù)器，這有助于更好地保護(hù)用戶隱私和數(shù)據(jù)安全。

然而，邊緣計(jì)算也帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，特別是在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中部署復(fù)雜的AI模型時(shí)。為了確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠在邊緣設(shè)備上高效運(yùn)行，必須考慮以下關(guān)鍵因素：

（1）硬件性能限制

邊緣設(shè)備通常配備有較低功耗的處理器（如CPU或GPU），這意味著它們的計(jì)算能力有限。對(duì)于深度學(xué)習(xí)模型而言，這可能是一個(gè)瓶頸。因此，選擇合適的硬件加速器變得至關(guān)重要，比如神經(jīng)處理單元（NPU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等，這些專用硬件可以顯著提高推理速度，同時(shí)保持較低的功耗。

（2）內(nèi)存容量

內(nèi)存大小直接關(guān)系到模型的復(fù)雜度和可加載性。大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往需要大量的RAM來(lái)存儲(chǔ)權(quán)重和其他參數(shù)。對(duì)于內(nèi)存有限的小型嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這可能意味著無(wú)法支持過(guò)于復(fù)雜的模型。因此，在設(shè)計(jì)階段就需要權(quán)衡模型精度與所需資源之間的關(guān)系，必要時(shí)簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)以適應(yīng)目標(biāo)平臺(tái)。

（3）功耗管理

許多邊緣設(shè)備依靠電池供電，這意味著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行高能耗的應(yīng)用程序會(huì)導(dǎo)致電量快速耗盡。為了延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，開(kāi)發(fā)者應(yīng)該采用節(jié)能算法和技術(shù)，例如量化、剪枝等方法來(lái)降低模型對(duì)計(jì)算資源的需求。此外，還可以利用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DVFS）技術(shù)根據(jù)實(shí)際工作負(fù)載調(diào)整處理器的工作狀態(tài)，進(jìn)一步節(jié)約電力。

（4）存儲(chǔ)空間

盡管現(xiàn)代邊緣設(shè)備擁有一定的內(nèi)部存儲(chǔ)，但深度學(xué)習(xí)框架及相關(guān)庫(kù)可能會(huì)占用大量空間。特別是當(dāng)涉及到預(yù)訓(xùn)練模型時(shí)，文件大小可能相當(dāng)可觀。因此，壓縮模型或者精簡(jiǎn)依賴項(xiàng)成為了一個(gè)重要的考量點(diǎn)。使用輕量級(jí)框架、去除不必要的功能模塊以及應(yīng)用模型壓縮技術(shù)（如量化感知訓(xùn)練）都是有效的解決方案。

3 部署

3.1 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行模型的部署之前，我們首先需要確認(rèn)自己手上的模塊的支持哪些算子、支持什么類型的量化（int4/int8/fp16/混合精度）、內(nèi)存大小等參數(shù)，對(duì)于手上的板子有一個(gè)全面的了解。在進(jìn)行部署時(shí)，我們常常將訓(xùn)練的模型轉(zhuǎn)化成onnx中間文件，再根據(jù)硬件設(shè)備要求的轉(zhuǎn)化成硬件要求的模型文件。在本次實(shí)驗(yàn)中，我使用的模塊是凌智視覺(jué)模塊(Lockzhiner Vision Module) ，這個(gè)模塊是福州市凌睿智捷電子有限公司聯(lián)合百度飛槳傾力打造的一款高集成度人工智能視覺(jué)模塊，專為邊緣端人工智能和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，模塊的參數(shù)如下圖所示。

這個(gè)模塊有著一個(gè)很吸引人的特點(diǎn)與飛槳低代碼開(kāi)發(fā)工具 PaddleX 完美適配，配合飛槳星河社區(qū) Al Studio, 可以實(shí)現(xiàn)一鍵訓(xùn)練；配合凌智視覺(jué)算法部署庫(kù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)一鍵部署，減少我們?cè)谀Ｐ筒渴饡r(shí)遇到的疑難雜癥。如果遇到問(wèn)題，可以去廠家開(kāi)源倉(cāng)庫(kù)提交問(wèn)題。凌智視覺(jué)模塊Gitee鏈接

3.2 模型轉(zhuǎn)換

廢話不多說(shuō)，試一試這個(gè)低代碼平臺(tái)是否真的如宣傳所說(shuō)的那樣容易使用。在 百度飛槳的 AiStudio 中，搜索【PaddleX】在凌智視覺(jué)模塊上部署手寫數(shù)字分類模型如果說(shuō)有自己制作數(shù)據(jù)的話，需要將數(shù)據(jù)上傳，然后在修改全局配置項(xiàng)，修改數(shù)據(jù)集地址以及對(duì)應(yīng)的類別數(shù)。

按照廠家提供的配置直接進(jìn)行訓(xùn)練轉(zhuǎn)換。

模型的訓(xùn)練時(shí)間大概為半個(gè)小時(shí)，訓(xùn)練完成后，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)rknn模型文件，

3.3 部署結(jié)果

模型的推理結(jié)果如下圖所示