TinyML. Wykorzystanie TensorFlow Lite do uczenia maszynowego na Arduino i innych mikrokontrolerach - Helion

Autor: Pete Warden, Daniel Situnayake
Tytuł oryginału: TinyML: Machine Learning with TensorFlow Lite on Arduino and Ultra-Low-Power Microcontrollers
Tłumaczenie: Anna Mizerska
ISBN: 978-83-283-8362-3
stron: 486, Format: 168x237, okładka: miękka
Księgarnia: Helion

Książka będzie dostępna od listopada 2021

Zobacz także »

Tagi: Arduino | Uczenie maszynowe

Może się wydawać, że profesjonalne systemy uczenia maszynowego wymagają sporych zasobów mocy obliczeniowej i energii. Okazuje się, że niekoniecznie: można tworzyć zaawansowane, oparte na sieciach neuronowych aplikacje, które doskonale poradzą sobie bez potężnych procesorów. Owszem, praca na mikrokontrolerach podobnych do Arduino lub systemach wbudowanych wymaga pewnego przygotowania i odpowiedniego podejścia, jest to jednak fascynujący sposób na wykorzystanie niewielkich urządzeń o niskim zapotrzebowaniu na energię do tworzenia zdumiewających projektów.

Ta książka jest przystępnym wprowadzeniem do skomplikowanego świata, w którym za pomocą techniki TinyML wdraża się głębokie uczenie maszynowe w systemach wbudowanych. Nie musisz mieć żadnego doświadczenia z zakresu uczenia maszynowego czy pracy z mikrokontrolerami. W książce wyjaśniono, jak można trenować modele na tyle małe, by mogły działać w każdym środowisku — również Arduino. Dokładnie opisano sposoby użycia techniki TinyML w tworzeniu systemów wbudowanych opartych na zastosowaniu ucze nia maszynowego. Zaprezentowano też kilka ciekawych projektów, na przykład dotyczący budowy urządzenia rozpoznającego mowę, magicznej różdżki reagującej na gesty, a także rozszerzenia możliwości kamery o wykrywanie ludzi.

W książce między innymi:

praca z Arduino i innymi mikrokontrolerami o niskim poborze mocy
podstawy uczenia maszynowego, budowy i treningu modeli
TensorFlow Lite i zestaw narzędzi Google dla TinyML
bezpieczeństwo i ochrona prywatności w aplikacji
optymalizacja modelu
tworzenie modeli do interpretacji różnego rodzaju danych

Ograniczone zasoby? Poznaj TinyML!

Zobacz także:

Arduino. Kurs video. Poziom pierwszy. Podstawowe techniki dla własnych projektów elektronicznych 99,00 zł, (44,55 zł -55%)
W labiryncie IoT. Budowanie urz 49,90 zł, (24,95 zł -50%)
Arduino od podstaw 49,90 zł, (24,95 zł -50%)
TinyML. Wykorzystanie TensorFlow Lite do uczenia maszynowego na Arduino i innych mikrokontrolerach 99,00 zł, (49,50 zł -50%)
Elektronika i internet rzeczy. Przewodnik dla ludzi z prawdziwą pasją 89,00 zł, (44,50 zł -50%)

Spis treści

TinyML. Wykorzystanie TensorFlow Lite do uczenia maszynowego na Arduino i innych mikrokontrolerach -- spis treści

Wstęp
- Konwencje typograficzne przyjęte w tej książce
- Korzystanie z przykładowych kodów
- Podziękowania
Rozdział 1. Wprowadzenie
- Urządzenia z systemem wbudowanym
- Ciągły rozwój
Rozdział 2. Informacje wstępne
- Do kogo skierowana jest ta książka?
- Jaki sprzęt będzie Ci potrzebny?
- Jakie oprogramowanie będzie Ci potrzebne?
- Czego nauczysz się dzięki tej książce?
Rozdział 3. Wprowadzenie do uczenia maszynowego
- Czym właściwie jest uczenie maszynowe?
- Proces uczenia głębokiego
  - Określenie celu
  - Zebranie zestawu danych
    - Wybór danych
    - Zbieranie danych
    - Etykietowanie danych
    - Nasz gotowy zestaw danych
  - Zaprojektowanie architektury modelu
    - Generowanie atrybutów z danych
      - Tworzenie okien czasowych
      - Normalizacja
    - Myślenie z uczeniem maszynowym
  - Trenowanie modelu
    - Niedotrenowanie i przetrenowanie
    - Trening, walidacja i testowanie
  - Przekształcenie modelu
  - Uruchomienie procesu wnioskowania
  - Ocena i rozwiązanie ewentualnych problemów
- Podsumowanie
Rozdział 4. Witaj, świecie TinyML: budowa i trenowanie modelu
- Co będziemy budować?
- Nasz zestaw narzędzi do uczenia maszynowego
  - Python i Jupyter Notebooks
  - Google Colaboratory
  - TensorFlow i Keras
- Budowa naszego modelu
  - Importowanie pakietów
  - Generowanie danych
  - Rozdzielanie danych
  - Definiowanie podstawowego modelu
- Trenowanie naszego modelu
  - Wskaźniki treningu
  - Wykres historii
  - Ulepszenie naszego modelu
  - Test
- Konwertowanie modelu na potrzeby TensorFlow Lite
  - Konwertowanie na plik C
- Podsumowanie
Rozdział 5. Witaj, świecie TinyML: budowanie aplikacji
- Omówienie testów
  - Dodawanie zależności
  - Przygotowanie testów
  - Przygotowanie do rejestrowania danych
  - Mapowanie naszego modelu
  - Klasa AllOpsResolver
  - Alokacja pamięci dla modelu
  - Tworzenie interpretera
  - Sprawdzenie tensora wejścia
  - Uruchamianie procesu wnioskowania
  - Odczytywanie danych wyjściowych
  - Uruchamianie testów
    - Pobieranie kodu
    - Uruchamianie testów za pomocą Make
- Budowa pliku z projektem
- Omówienie kodu źródłowego
  - Początek pliku main_functions.cc
  - Obsługa wyjścia za pomocą output_handler.cc
  - Koniec pliku main_functions.cc
  - Omówienie pliku main.cc
  - Uruchomienie aplikacji
- Podsumowanie
Rozdział 6. Witaj, świecie TinyML: uruchomienie aplikacji na mikrokontrolerze
- Czym właściwie jest mikrokontroler?
- Arduino
  - Obsługa wyjścia na Arduino
  - Uruchomienie przykładu
  - Wprowadzanie własnych zmian
- SparkFun Edge
  - Obsługa wyjścia na SparkFun Edge
  - Uruchomienie przykładu
    - Kompilacja
    - Podpis pliku binarnego
    - Wgrywanie pliku binarnego
      - Podłączenie konwertera USB do płytki
      - Podłączenie konwertera do komputera
      - Uruchomienie skryptu do wgrania nowego programu na płytkę
  - Testowanie programu
  - Sprawdzanie danych o przebiegu programu
  - Wprowadzanie własnych zmian
- Zestaw ST Microelectronics STM32F746G Discovery
  - Obsługa wyjścia na STM32F746G
  - Uruchomienie przykładu
  - Wprowadzanie własnych zmian
- Podsumowanie
Rozdział 7. Wykrywanie słowa wybudzającego: budowanie aplikacji
- Co będziemy tworzyć?
- Architektura aplikacji
  - Wprowadzenie do naszego modelu
  - Wszystkie elementy aplikacji
- Omówienie testów
  - Podstawowy przepływ danych
  - Element dostarczający dane audio
  - Element dostarczający cechy
    - Sposób przetwarzania dźwięku na spektrogram przez element dostarczający dane audio
  - Element rozpoznający polecenia
  - Element reagujący na polecenia
- Nasłuchiwanie słów wybudzających
  - Uruchomienie naszej aplikacji
- Uruchomienie aplikacji na mikrokontrolerach
  - Arduino
    - Element reagujący na polecenia dla Arduino
    - Uruchomienie przykładu
    - Wprowadzanie własnych zmian
  - SparkFun Edge
    - Element reagujący na polecenia dla SparkFun Edge
    - Uruchomienie przykładu
      - Kompilacja
      - Podpis pliku binarnego
      - Wgrywanie pliku binarnego
      - Podłączenie konwertera USB do płytki
      - Podłączenie konwertera do komputera
      - Uruchomienie skryptu do wgrania nowego programu na płytkę
    - Testowanie programu
    - Sprawdzanie danych o przebiegu programu
    - Wprowadzanie własnych zmian
  - Zestaw ST Microelectronics STM32F746G Discovery
    - Element reagujący na polecenia dla STM32F746G
    - Uruchomienie przykładu
    - Testowanie programu
    - Podgląd informacji o przebiegu programu
    - Wprowadzanie własnych zmian
- Podsumowanie
Rozdział 8. Wykrywanie słowa wybudzającego: trenowanie modelu
- Trenowanie naszego nowego modelu
  - Trenowanie w Colab
    - Trenowanie z użyciem GPU
    - Konfiguracja treningu
    - Instalacja pakietów
    - Narzędzie TensorBoard
    - Rozpoczęcie treningu
    - Oczekiwanie na zakończenie treningu
      - Pilnowanie, by Colab się nie wyłączył
      - Zamrażanie grafu
    - Konwertowanie na format TensorFlow Lite
    - Utworzenie tablicy C
- Wykorzystanie modelu w naszym projekcie
  - Zastępowanie modelu
  - Zmiana etykiet
  - Zmiany w kodzie command_responder.cc
    - Arduino
    - SparkFun Edge
    - STM32F746G
  - Inne sposoby uruchamiania skryptów
- Zasada działania modelu
  - Wizualizacja danych wejściowych
  - Zasada działania generowania cech
  - Architektura modelu
  - Dane wyjściowe modelu
- Trenowanie modelu z własnymi danymi
  - Zestaw danych Speech Commands
  - Trenowanie modelu na własnych danych
  - Nagrywanie własnych dźwięków
  - Powiększenie zestawu danych
  - Architektury modeli
- Podsumowanie
Rozdział 9. Wykrywanie osoby: budowanie aplikacji
- Co będziemy budować?
- Architektura aplikacji
  - Wprowadzenie do naszego modelu
  - Wszystkie elementy aplikacji
- Omówienie testów
  - Podstawowy przepływ danych
  - Element dostarczający obrazy
  - Element reagujący na wykrycie człowieka
- Wykrywanie ludzi
- Uruchomienie aplikacji na mikrokontrolerach
  - Arduino
    - Wybór modułu kamery
    - Przechwytywanie obrazów na Arduino
    - Reagowanie na wykrycie człowieka na Arduino
    - Uruchomienie przykładu
    - Wprowadzanie własnych zmian
  - SparkFun Edge
    - Wybór modułu kamery
    - Przechwytywanie obrazów na SparkFun Edge
    - Reagowanie na wykrycie człowieka na SparkFun Edge
    - Uruchomienie przykładu
      - Kompilacja
      - Podpisanie pliku binarnego
      - Wgrywanie pliku binarnego
      - Podłączenie konwertera USB do płytki
      - Podłączenie konwertera do komputera
      - Uruchomienie skryptu do wgrania nowego programu na płytkę
    - Testowanie programu
    - Sprawdzanie danych o przebiegu programu
    - Wprowadzanie własnych zmian
- Podsumowanie
Rozdział 10. Wykrywanie osoby: trenowanie modelu
- Wybór maszyny
- Konfiguracja instancji Google Cloud Platform
- Wybór platformy programistycznej do treningu
- Tworzenie zestawu danych
- Trenowanie modelu
- TensorBoard
- Ocena modelu
- Eksportowanie modelu do TensorFlow Lite
  - Eksportowanie do pliku GraphDef Protobuf
  - Zamrażanie wag
  - Kwantyzacja i konwertowanie na potrzeby TensorFlow Lite
  - Konwertowanie na plik źródłowy C
- Trenowanie dla innych kategorii
- Architektura MobileNet
- Podsumowanie
Rozdział 11. Magiczna różdżka: budowanie aplikacji
- Co będziemy tworzyć?
- Architektura aplikacji
  - Wprowadzenie do naszego modelu
  - Wszystkie elementy aplikacji
- Omówienie testów
  - Podstawowy przepływ danych
  - Element obsługujący akcelerometr
  - Element przewidujący gesty
  - Element reagujący na wykrycie gestu
- Wykrywanie gestu
- Uruchomienie aplikacji na mikrokontrolerach
  - Arduino
    - Stałe Arduino
    - Odczytywanie pomiarów z akcelerometru na Arduino
    - Reagowanie na gesty za pomocą Arduino
    - Uruchomienie przykładu
    - Wprowadzanie własnych zmian
  - SparkFun Edge
    - Odczytywanie pomiarów z akcelerometru na SparkFun Edge
    - Reagowanie na gesty za pomocą SparkFun Edge
    - Uruchomienie przykładu
      - Kompilacja
      - Podpis pliku binarnego
      - Wgrywanie pliku binarnego
      - Podłączenie konwertera USB do płytki
      - Podłączenie konwertera do komputera
      - Uruchomienie skryptu do wgrania nowego programu na płytkę
    - Testowanie programu
    - Wprowadzanie własnych zmian
- Podsumowanie
Rozdział 12. Magiczna różdżka: trenowanie modelu
- Trenowanie modelu
  - Trening w Colab
    - Trenowanie z użyciem GPU
    - Instalacja pakietów
    - Przygotowanie danych
    - Uruchomienie TensorBoard
    - Rozpoczęcie treningu
    - Ocena wyników
    - Utworzenie tablicy C
  - Inne sposoby uruchamiania skryptów
- Zasada działania modelu
  - Wizualizacja danych wejściowych
  - Architektura modelu
- Trenowanie modelu z własnymi danymi
  - Przechwytywanie danych
    - SparkFun Edge
    - Rejestrowanie danych
  - Modyfikacja skryptów trenujących
  - Trening
  - Wykorzystanie nowego modelu
- Podsumowanie
  - Uczenie się uczenia maszynowego
  - Co dalej?
Rozdział 13. TensorFlow Lite dla mikrokontrolerów
- Czym jest TensorFlow Lite dla mikrokontrolerów?
  - TensorFlow
  - TensorFlow Lite
  - TensorFlow Lite dla mikrokontrolerów
  - Wymagania
  - Dlaczego model potrzebuje interpretera?
  - Generowanie projektu
- Kompilatory
  - Wyspecjalizowany kod
  - Pliki Makefile
  - Pisanie testów
- Obsługa nowej platformy sprzętowej
  - Wyświetlanie rejestru zdarzeń
  - Wdrożenie funkcji DebugLog()
  - Uruchamianie wszystkich plików źródłowych
  - Integracja z plikami Makefile
- Obsługa nowego IDE lub kompilatora
- Integrowanie zmian w kodzie projektu z repozytoriami
- Wnoszenie swojego wkładu do kodu z otwartym źródłem
- Obsługa nowego akceleratora sprzętowego
- Format pliku
  - Biblioteka FlatBuffers
- Przenoszenie operacji TensorFlow Lite Mobile na wersję dla mikrokontrolerów
  - Oddzielanie kodu odniesienia
  - Utworzenie kopii operatora dla mikrokontrolera
  - Tworzenie wersji testów dla mikrokontrolerów
  - Tworzenie testu Bazel
  - Dodanie swojego operatora do obiektu AllOpsResolver
  - Kompilacja testu pliku Makefile
- Podsumowanie
Rozdział 14. Projektowanie własnych aplikacji TinyML
- Projektowanie
- Czy potrzebny jest mikrokontroler, czy może być większe urządzenie?
- Co jest możliwe?
- Podążanie czyimiś śladami
- Podobne modele do trenowania
- Sprawdzenie danych
- Magia Czarnoksiężnika z krainy Oz
- Poprawnie działająca wersja na komputerze jako pierwszy etap
Rozdział 15. Optymalizacja prędkości działania programu
- Prędkość modelu a prędkość ogólna aplikacji
- Zmiany sprzętu
- Ulepszenia modelu
  - Ocena opóźnienia modelu
  - Przyspieszanie modelu
- Kwantyzacja
- Etap projektowania produktu
- Optymalizacje kodu
  - Profilowanie wydajności
    - Miganie
    - Metoda strzelby
    - Wyświetlanie informacji z przebiegu programu
    - Analizator stanów logicznych
    - Licznik
    - Profilowanie
- Optymalizowanie operacji
  - Implementacje już zoptymalizowane
  - Tworzenie własnej zoptymalizowanej implementacji
  - Wykorzystanie funkcjonalności sprzętu
  - Akceleratory i koprocesory
- Wnoszenie swojego wkładu do kodu z otwartym źródłem
- Podsumowanie
Rozdział 16. Optymalizacja poboru mocy
- Rozwijanie intuicji
  - Pobór mocy standardowych elementów
  - Wybór sprzętu
- Pomiar rzeczywistego poboru mocy
- Oszacowanie poboru mocy modelu
- Ulepszenia związane z zużyciem energii
  - Cykl pracy
  - Projektowanie kaskadowe
- Podsumowanie
Rozdział 17. Optymalizacja modelu i rozmiaru pliku binarnego
- Zrozumienie ograniczeń własnego systemu
- Oszacowanie zużycia pamięci
  - Zużycie pamięci flash
  - Zużycie pamięci RAM
- Szacunkowe wartości dokładności i rozmiaru modelu przy różnych problemach
  - Model rozpoznający słowa wybudzające
  - Model predykcyjnego utrzymania
  - Wykrywanie obecności człowieka
- Wybór modelu
- Zmniejszenie rozmiaru pliku wykonywalnego
  - Mierzenie rozmiaru kodu
  - Ile miejsca zajmuje TensorFlow Lite dla mikrokontrolerów?
  - OpResolver
  - Rozmiar pojedynczych funkcji
  - Stałe w platformie TensorFlow Lite
- Naprawdę malutkie modele
- Podsumowanie
Rozdział 18. Debugowanie
- Różnica w dokładności między treningiem a wdrożeniem
  - Różnice we wstępnym przetwarzaniu danych
  - Debugowanie wstępnego przetwarzania danych
  - Ocena działania programu na urządzeniu docelowym
- Różnice liczbowe
  - Czy różnice stanowią problem?
  - Ustalenie wskaźnika
  - Punkt odniesienia
  - Zamiana implementacji
- Tajemnicze awarie
  - Debugowanie na pulpicie
  - Sprawdzanie rejestru
  - Debugowanie metodą strzelby
  - Błędy związane z pamięcią
- Podsumowanie
Rozdział 19. Przenoszenie modelu z TensorFlow do TensorFlow Lite
- Określenie wymaganych operacji
- Operacje obsługiwane w TensorFlow Lite
- Przeniesienie wstępnego i końcowego przetwarzania do kodu aplikacji
- Implementacja niezbędnych operacji
- Optymalizacja operacji
- Podsumowanie
Rozdział 20. Prywatność, bezpieczeństwo i wdrażanie
- Prywatność
  - PDD
    - Zbieranie danych
    - Wykorzystanie danych
    - Dzielenie się danymi i ich przechowywanie
    - Zgoda
  - Używanie PDD
- Bezpieczeństwo
  - Ochrona modeli
- Wdrożenie
  - Przejście od płytki do produktu
- Podsumowanie
Rozdział 21. Poszerzanie wiedzy
- Fundacja TinyML
- SIG Micro
- Strona internetowa TensorFlow
- Inne platformy programistyczne
- Twitter
- Przyjaciele TinyML
- Podsumowanie
Dodatek A Używanie i tworzenie biblioteki Arduino w formacie ZIP
Dodatek B Przechwytywanie dźwięku na Arduino
- O autorach
- Kolofon