機(jī)器學(xué)習(xí)是大數(shù)據(jù)走向嵌入式智能化應(yīng)用的捷徑

***這篇博客的所有內(nèi)容都是約翰·馬爾姆寫(xiě)的，博士。 約翰D.是數(shù)值分析和算法開(kāi)發(fā)的專家。 他在Imagimob公司擔(dān)任機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)人員***

我們生活在一個(gè)數(shù)據(jù)世界里。 幾乎每個(gè)人都在談?wù)摂?shù)據(jù)和我們可以從中提取的潛在價(jià)值。 大量的原始數(shù)據(jù)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是復(fù)雜和難以解釋的，在過(guò)去的幾年里，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使我們有可能更好地理解這些數(shù)據(jù)，并利用來(lái)造福我們。 到目前為止，大部分價(jià)值都是由在線企業(yè)實(shí)現(xiàn)的，但現(xiàn)在價(jià)值也開(kāi)始擴(kuò)散到由傳感器生成數(shù)據(jù)的物理世界。 然而，對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，從傳感器數(shù)據(jù)到嵌入式AI模型的路徑似乎幾乎是不可克服的。

Writing embedded software is notoriously time-consuming, and is known to take at least 10-20 times longer than desktop software 被發(fā)展的狀態(tài)開(kāi)發(fā)區(qū) [1]. It does not have to be that way. Here, we will walk you through a real AI project—from to embedded application—using our efficient, time-saving method.

機(jī)器學(xué)習(xí)的邊緣

今天，處理和解釋傳感器數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)軟件都是基于傳統(tǒng)的方法：變換、濾波、統(tǒng)計(jì)分析等。 這些方法是由一個(gè)人設(shè)計(jì)的，他參考他們的個(gè)人領(lǐng)域知識(shí)，在數(shù)據(jù)中尋找某種“指紋。 通常，這種指紋是數(shù)據(jù)中事件的復(fù)雜組合，需要機(jī)器學(xué)習(xí)才能成功地解決問(wèn)題。

To be able to process sensor data in real-time, the machine learning model needs to run locally on the chip, close to the sensor itself—usually called “the edge.” Here, we explain how a machine learning application can be created, from the initial data collection phase to the final embedded application. As an example, we look at a project we at Imagimob carried out together with the radar manufacturer Acconeer.

嵌入式AI項(xiàng)目：手勢(shì)識(shí)別

（左）Acconeer生產(chǎn)世界上最小、最節(jié)能的產(chǎn)品雷達(dá)系統(tǒng)。

在2019年，Imagimob與Acconeer合作，創(chuàng)建了一個(gè)帶有手勢(shì)識(shí)別的嵌入式應(yīng)用程序。 兩家公司都專注于為小型電池供電設(shè)備提供解決方案，對(duì)能源效率、處理能力和BOM成本提出了極端要求。 我們的目標(biāo)硬件包含一個(gè)基于ArmCortex-M0-M4架構(gòu)的MCU，它提供了市場(chǎng)上最節(jié)能的平臺(tái)。 對(duì)于我們Imagimob來(lái)說(shuō)，邊緣計(jì)算幾乎已經(jīng)成為最小ArmCortexM系列MCU上的高級(jí)計(jì)算的同義詞。 重要的是，能夠運(yùn)行我們的應(yīng)用程序在下端的ArmCortexM系列MCU，因?yàn)樗蚴澜绫砻?，我們正在瞄?zhǔn)地球上最小的設(shè)備。 這就是我們希望從市場(chǎng)角度出發(fā)的地方。

Acconeer生產(chǎn)世界上最小、最節(jié)能的雷達(dá)系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)包含大量信息，對(duì)于手勢(shì)控制等高級(jí)用例，需要復(fù)雜的解釋。 在數(shù)據(jù)輸出流的頂部運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)軟件對(duì)這些案例有很大的好處。 因此，Imagimob-Aconeer協(xié)作在創(chuàng)建全新的和創(chuàng)造性的嵌入式應(yīng)用程序方面是一個(gè)很好的匹配。

我們與Acconeer的項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)嵌入式應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序可以使用雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分類五種不同的手勢(shì)（包括用于喚醒應(yīng)用程序的一個(gè)手勢(shì)）。 由于雷達(dá)體積小，可以放置在一對(duì)耳機(jī)中，手勢(shì)將作為虛擬按鈕來(lái)引導(dǎo)功能，通常被編程成物理按鈕。 該項(xiàng)目的最終產(chǎn)品被確定為一個(gè)運(yùn)行在ArmCortex-M4架構(gòu)上的C庫(kù)，該庫(kù)于2020年1月在拉斯維加斯的CES上被展示為一個(gè)健壯的現(xiàn)場(chǎng)演示。 對(duì)于演示，我們使用耳朵耳機(jī)。 然而，我們的長(zhǎng)期產(chǎn)品目標(biāo)是在耳內(nèi)耳機(jī)中使用這項(xiàng)技術(shù)。 我們認(rèn)為，手勢(shì)檢測(cè)特別會(huì)改變耳內(nèi)耳機(jī)的可用性，因?yàn)樗鼈兊拿娣e有限，這使得物理按鈕的放置變得困難。

從數(shù)據(jù)收集到嵌入式C庫(kù)

在其核心，（監(jiān)督）機(jī)器學(xué)習(xí)是關(guān)于找到一個(gè)函數(shù)(F)，根據(jù)y=f(X)將一些輸入數(shù)據(jù)(X)映射到一些輸出數(shù)據(jù)(Y)。 該函數(shù)或“模型”是通過(guò)處理許多不同的輸入/輸出對(duì)(x，y)和“學(xué)習(xí)”它們之間的關(guān)系來(lái)找到的。 如果y是一個(gè)連續(xù)的值，那么這個(gè)問(wèn)題被稱為回歸問(wèn)題。 但如果y取離散值，則被認(rèn)為是一個(gè)分類問(wèn)題。 因此，機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目的第一步是收集這些數(shù)據(jù)對(duì)。 模型構(gòu)建是第二步。 嵌入式項(xiàng)目的最后一步是在目標(biāo)平臺(tái)上部署模型。 下面，我們以手勢(shì)識(shí)別項(xiàng)目為指導(dǎo)示例，通過(guò)這些步驟。

機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目的第一步是收集數(shù)據(jù)對(duì)。 模型構(gòu)建是第二步，a嵌入式項(xiàng)目的最后一步是在目標(biāo)平臺(tái)上部署模型。

1.數(shù)據(jù)收集

（左）我們?yōu)槌跏茧A段建造了一個(gè)粗糙的試驗(yàn)臺(tái)data collectionwhich 由雷達(dá)傳感器組成 安裝在上面development 板和放置在一個(gè) 一對(duì)耳機(jī)。

從表面上看，數(shù)據(jù)收集似乎不是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。 但這一步通常被低估了，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這是大部分時(shí)間都花在這里的。 首先要考慮的是如何從傳感器中物理地獲取數(shù)據(jù)。 許多傳感器帶有一個(gè)開(kāi)發(fā)板，可以從中提取數(shù)據(jù)，通常是通過(guò)某種電纜連接到PC機(jī)。 對(duì)于手勢(shì)識(shí)別項(xiàng)目，我們搭建了一個(gè)粗糙的試驗(yàn)臺(tái)，用于初始數(shù)據(jù)采集，由安裝在開(kāi)發(fā)板上的雷達(dá)傳感器組成，放置在一對(duì)耳機(jī)上，如下圖所示。 在這種情況下，我們使用了AcconeerXM112雷達(dá)傳感器和XB112突破板。
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接下來(lái)要考慮的是如何有效地標(biāo)記數(shù)據(jù)。 換句話說(shuō)，你需要弄清楚如何為每個(gè)“x”標(biāo)記適當(dāng)?shù)摹皔”。這可能看起來(lái)很瑣碎，但當(dāng)涉及到最小化這一步所需的人工工作量時(shí)，這是至關(guān)重要的。 考慮到大量的數(shù)據(jù)，如果您不能正確地理解這一點(diǎn)，它將成為一項(xiàng)非常耗時(shí)的任務(wù)。 對(duì)于傳感器時(shí)間序列數(shù)據(jù)，通常不可能僅僅通過(guò)查看數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)記數(shù)據(jù)，否則，例如圖像數(shù)據(jù)可能是可能的。

幫助標(biāo)記過(guò)程的一種方法是將視頻記錄附加到數(shù)據(jù)中。 ImagimobCapture是一個(gè)Android應(yīng)用程序，它將同步視頻記錄附加到每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)流中。 標(biāo)簽可以直接在應(yīng)用程序中完成，也可以在桌面應(yīng)用程序ImagimobStudio中完成。 在我們的雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別項(xiàng)目中，數(shù)據(jù)流看起來(lái)如下：

雷達(dá)手勢(shì)識(shí)別項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)流。

在這里，數(shù)據(jù)從傳感器，帶有USB串口，發(fā)送到PC。 在PC上，服務(wù)器運(yùn)行并將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)上的ImagimobCapture，而手勢(shì)則被視頻記錄。 標(biāo)記的數(shù)據(jù)，連同其視頻記錄，然后發(fā)送回PC，或云存儲(chǔ)，如果數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)程收集。 從存儲(chǔ)中，數(shù)據(jù)可以下載到ImagimobStudio，當(dāng)它是建模階段的時(shí)候。

我們定義了以下一組手勢(shì)（“覆蓋傳感器”僅用于喚醒應(yīng)用程序），并記錄了大約七個(gè)不同的人的數(shù)據(jù)。

從七個(gè)不同的人記錄了上述一組手勢(shì)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)收集過(guò)程的一個(gè)例子如下圖所示。 手勢(shì)識(shí)別模型僅限于特定的手勢(shì)，但可以很容易地用其他手勢(shì)進(jìn)行再訓(xùn)練。

手勢(shì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的一個(gè)例子。

2. 建模

一旦數(shù)據(jù)到位并貼上標(biāo)簽，就該建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型了。 通常，人們開(kāi)始建立模型只是為了很快意識(shí)到他們需要調(diào)整一些標(biāo)簽。 你是做什么的？ 手動(dòng)進(jìn)入并編輯文本文件和更新數(shù)據(jù)是很麻煩的，這是我們都希望盡可能避免的。 相反，圖形工具是可取的。 Imagimob Studio將數(shù)據(jù)與視頻記錄一起加載，并允許用戶以圖形方式拖動(dòng)和修剪標(biāo)簽。 一個(gè)例子，以一個(gè)記錄的手勢(shì)，顯示在下面的圖像。 視頻與綠色數(shù)據(jù)一起可見(jiàn)。 在底部，藍(lán)色的標(biāo)簽顯示出來(lái)，我們可以看到它們緊緊地放在手勢(shì)周圍（非零數(shù)據(jù)）。

Imagimob Studio將數(shù)據(jù)與視頻記錄一起加載，并允許用戶以圖形方式拖動(dòng)和修剪標(biāo)簽。 這是一個(gè)有記錄的手勢(shì)的例子。

如果數(shù)據(jù)已經(jīng)在ImagimobCapture中預(yù)先標(biāo)記，那么通過(guò)文件并確保數(shù)據(jù)是正確的，并且標(biāo)簽已經(jīng)到位，這是一個(gè)相對(duì)較小的任務(wù)。 沒(méi)有正確標(biāo)記的數(shù)據(jù)，很難找到一個(gè)好的模型。 找到一個(gè)高精度的好模型通常需要多次迭代和實(shí)驗(yàn)。 首先要決定使用什么機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，例如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 在過(guò)去的幾年里，深度學(xué)習(xí)由于具有原始數(shù)據(jù)的令人印象深刻的學(xué)習(xí)能力而受到歡迎。 深度學(xué)習(xí)的主要吸引力之一是它排除了手動(dòng)查找功能的需要，這是更傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法所需要的。 它具有提高精度和消除大量手工工作的潛力。 然而，仍有許多所謂的超參數(shù)有待選擇，例如網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、所謂的學(xué)習(xí)率和許多其他參數(shù)。

在ImagimobStudio中，用戶經(jīng)歷了構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。 用戶定義要試用多少種不同類型的超參數(shù)，然后程序自動(dòng)搜索所有組合并保存最佳模型。

在ImagimobStudio中，用戶被引導(dǎo)通過(guò)構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。 用戶定義要試用多少種不同類型的超參數(shù)，然后程序自動(dòng)搜索所有組合并保存最佳模型。

一旦您對(duì)模型的健壯性感到滿意，就該是過(guò)程中的最后一步了：將模型導(dǎo)出到C代碼并為嵌入式硬件構(gòu)建庫(kù)。

3. 部署

當(dāng)從PC環(huán)境中的高級(jí)語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)到微控制器(MCU)上的低級(jí)編程時(shí)，復(fù)雜性急劇增加。 發(fā)育時(shí)間增加的因子為10-20并不少見(jiàn)[1]。 例如，障礙可能包括更難的內(nèi)存和處理限制，更長(zhǎng)的調(diào)試周期，以及更難找到的更糟糕的錯(cuò)誤類型。

在ImagimobStudio中，以.h5文件形式訓(xùn)練的模型很容易轉(zhuǎn)換為特定硬件類型的C代碼，如“Edge”選項(xiàng)卡所示。

在ImagimobStudio中，以.h5文件形式(用于從Tensorflow、Keras和其他深度學(xué)習(xí)框架導(dǎo)出模型權(quán)重和體系結(jié)構(gòu)的通用格式)的經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的模型可以很容易地轉(zhuǎn)換為特定硬件類型的C代碼，如上一幅圖像中的“Edge”選項(xiàng)卡所示。

然后編譯C代碼并將其閃爍到硬件上。 我們通常構(gòu)建一個(gè)庫(kù)，可以集成到C應(yīng)用程序中。 右邊，可以看到現(xiàn)場(chǎng)演示的嵌入式版本。它有一個(gè)電池驅(qū)動(dòng)的Acconeer物聯(lián)網(wǎng)模塊XM122與藍(lán)牙連接。 人工智能應(yīng)用程序運(yùn)行在XM122模塊上，其中包括來(lái)自北歐半導(dǎo)體的NRF52840SoC，該模塊基于ArmCortexM4MCU。

現(xiàn)場(chǎng)演示的嵌入式版本。

在這里，你可以看看最后的演示：

Imagimob手勢(shì)檢測(cè)庫(kù)規(guī)范

圖像手勢(shì)檢測(cè)庫(kù)的核心是針對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 它是專門(mén)設(shè)計(jì)的，腦海中有一個(gè)小的記憶足跡。 庫(kù)用C編寫(xiě)并在靜態(tài)庫(kù)中編譯，然后與主AcconeerC應(yīng)用程序一起編譯。
· The Gesture detection library uses radar data from the Acconeer XM122 IoT Module as input
· The memory footprint of the gesture library is approximately 80 kB RAM
· The library runs on a 32-bit 64 MHz Arm Cortex M4 MCU with 1 MB Flash and 256 kB RAM
· The library processes roughly 30 kB of data per second
· The execution time of the AI model is roughly 70 ms which means that it predicts a gesture at approximately 14.3 Hz

下一步：手勢(shì)控制的內(nèi)置耳機(jī)

在2020年6月，由Imagimob、Acconeer和Flexworks組成的一個(gè)財(cái)團(tuán)從瑞典Vinnova獲得了價(jià)值45萬(wàn)$的贈(zèng)款，以采取下一步建設(shè)gesturhe控制的耳內(nèi)耳機(jī)。 Acconeer將覆蓋傳感部分，F(xiàn)lexworks將負(fù)責(zé)硬件和力學(xué)，我們?cè)贗magimob將開(kāi)發(fā)手勢(shì)檢測(cè)應(yīng)用程序。 在這個(gè)項(xiàng)目中，我們不僅將建立第一個(gè)手勢(shì)控制的耳內(nèi)耳機(jī)，而且我們還將致力于一個(gè)硬件加速系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)代碼在單片機(jī)上。 我們將繼續(xù)使用ArmCortexM系列，并受益于Arm提供的先進(jìn)解決方案。

約翰·馬爾姆博士。 D.是數(shù)值分析和算法開(kāi)發(fā)的專家。 他在Imagimob擔(dān)任機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)人員。
證明書(shū)（幫助或意見(jiàn)的）征求
[1]McConnell，史蒂夫，軟件估計(jì)，神秘的黑色藝術(shù)，微軟出版社，2006年