学习笔记TF066 : TensorFlow 移动端应用，iOS、Android系统实践

TensorFlow对Android、iOS、树莓派都提供移动端支持。

移动端应用原理。移动端、嵌入式设备应用深度学习方式，一模型运行在云端服务器，向服务器发送请求，接收服务器响应；二在本地运行模型，PC训练模型，放到移动端预测。向服务端请求数据可行性差，移动端资源稀缺。本地运行实时性更好。加速计算，内存空间和速度优化。精简模型，节省内存空间，加快计算速度。加快框架执行速度，优化模型复杂度和每步计算速度。 精简模型，用更低权得精度，量化(quantization)、权重剪枝(weight pruning，剪小权重连接，把所有权值连接低于阈值的从网络移除)。加速框架执行，优化矩阵通用乘法(GEMM)运算，影响卷积层(先数据im2col运行，再GEMM运算)和全连接层。im2col，索引图像块重排列为矩阵列。先将大矩阵重叠划分多个子矩阵，每个子矩阵序列化成向量，得到另一个矩阵。

量化(quantitative)。《How to Quantize Neural Networks with TensorFlow》https://www.tensorflow.org/performance/quantization 。离散化。用比32位浮点数更少空间存储、运行模型，TensorFlow量化实现屏蔽存储、运行细节。神经网络预测，浮点影响速度，量化加快速度，保持较高精度。减小模型文件大小。存储模型用8位整数，加载模型运算转换回32位浮点数。降低预测过程计算资源。神经网络噪声健壮笥强，量化精度损失不会危害整体准确度。训练，反向传播需要计算梯度，不能用低精度格式直接训练。PC训练浮点数模型，转8位，移动端用8位模型预测。 量化示例。GoogleNet模型转8位模型例子。下载训练好GoogleNet模型，http://download.tensorflow.org/models/image/imagenet/inception-2015-12-05.tgz 。

bazel build tensorflow/tools/quantization:quantization_graph
bazel-bin/tensorflow/tools/quantization/quantization_graph \
--input=/tmp/classify_image_graph_def.pb \
--output_node_names="softmax" --output=/tmp/quantized_graph.pb \
--mode=eightbit

生成量化后模型大小只有原来的1/4。执行：

bazel build tensorflow/examples/label_image:label_image
bazel-bin/tensorflow/examples/label_image/label_image \
--image=/tmp/cropped_panda.jpg \
--graph=/tmp/quantized_graph.pb \
--labels=/tmp/imagenet_synset_to_human_label_map.txt \
--input_width=299 \
--input_height=299 \
--input_mean=128 \
--input_std=128 \
--input_layer="Mul:0" \
--output_layer="softmax:0"

量化过程实现。预测操作转换成等价8位版本操作实现。原始Relu操作，输入、输出浮点数。量化Relu操作，根据输入浮点数计算最大值、最小值，进入量化(Quantize)操作输入数据转换8位。保证输出层输入数据准确性，需要反量化(Dequantize)操作，权重转回32位精度，保证预测准确性。整个模型前向传播用8位整数支行，最后一层加反量化层，8位转回32位输出层输入。每个量化操作后执行反量化操作。

量化数据表示。浮点数转8位表示，是压缩问题。权重、经过激活函数处理上层输出，是分布在一个范围内的值。量化过程，找出最大值、最小值，将浮点数线性分布，做线性扩展。

优化矩阵乘法运算。谷歌开源小型独立低精度通用矩阵乘法(General Matrix to Matrix Multiplication,GEMM)库 gemmlowp。https://github.com/google/gemmlowp 。

iOS系统实践。

环境准备。操作系统Mac OS X，集成开发工具Xcode 7.3以上版本。编译TensorFlow核心静态库。tensorflow/contrib/makefiles/download_depencies.sh 。依赖库下载到tensorflow/contrib/makefile/downloads目录。eigen #C++开源矩阵计算工具。gemmlowp #小型独立低精度通用矩阵乘法(GEMM)库。googletest #谷歌开源C++测试框架。protobuf #谷歌开源数据交换格式协议。re2 #谷歌开源正则表达式库。

编译演示程度，运行。tensorflow/contrib/makefile/build_all_iso.sh。编译生成静态库，tensorflow/contrib/makefile/gen/lib：ios_ARM64、ios_ARMV7、ios_ARMV7S、ios_I386、ios_X86_64、libtensorflow-core.a。Xcode模拟器或iOS设备运行APP预测示例。TensorFlow iOS示例。https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/examples/ios/ 。3个目录。benchmark目录是预测基准示例。simple目录是图片预测示例。camera目录是视频流实时预测示例。下载Inception V1模型，能识别1000类图片，https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/models/inception5h.zip 。解压模型，复制到benchmark、simple、camera的data目录。运行目录下xcodeproj文件。选择iPhone 7 Plus模拟器，点击运行标志，编译完成点击Run Model按钮。预测结果见Xcode 控制台。

自定义模型编译、运行。https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/15b1cf025da5c6ac2bcf4d4878ee222fca3aec4a/tensorflow/docs_src/tutorials/image_retraining.md 。下载花卉数据 http://download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz 。郁金香(tulips)、玫瑰(roses)、浦公英(dandelion)、向日葵(sunflowers)、雏菊(daisy)5种花卉文件目录，各800张图片。 训练原始模型。下载预训练Inception V3模型 http://download.tensorflow.org/models/image/imagenet/inception-2015-12-05.tgz 。

python tensorflow/examples/image_retraining/retrain.py \
--bottlenectk_dir=/tmp/bottlenecks/ \
--how_many_training_steps 10 \
--model_dir=/tmp/inception \
--output_graph=/tmp/retrained_graph.pb \
--output_labels=/tmp/retrained_labels.txt \
--image_dir /tmp/flower_photos

训练完成，/tmp目录有模型文件retrained_graph.pb、标签文件上retrained_labels.txt。“瓶颈”(bottlenecks)文件，描述实际分类最终输出层前一层(倒数第二层)。倒数第二层训练很好，瓶颈值是有意义紧凑图像摘要，包含足够信息使分类选择。第一次训练，retrain.py文件代码先分析所有图片，计算每张图片瓶颈值存储下来。每张图片被使用多次，不必重复计算。

编译iOS支持模型。https://petewarden.com/2016/09/27/tensorflow-for-mobile-poets/。原始模型到iOS模型，先去掉iOS系统不支持操作，优化模型，再将模型量化，权重变8位常数，缩小模型，最后模型内存映射。 去掉iOS系统不支持操作，优化模型。iOS版本TensorFlow仅支持预测阶段常见没有大外部依赖关系操作。支持操作列表：https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/contrib/makefile/tf_op_files.txt 。DecodeJpeg不支持，JPEG格式图片解码，依赖libjpeg。从摄像头实时识别花卉种类，直接处理相机图像缓冲区，不存JPEG文件再解码。预训练模型Inception V3 从图片数据集训练，包含DecodeJpeg操作。输入数据直接提供(feed)Decode后Mul操作，绕过Decode操作。优化加速预测，显式批处理规范化(explicit batch normalization)操作合并到卷积权重，减少计算次数。

bazel build tensorflow/python/tools:optimize_for_inference
bazel-bin/tensorflow/python/tools/optimize_for_inference \
--input=/tmp/retrained_graph.pb \
--output=/tmp/optimized_graph.pb \
--input_names=Mul \
--output_names=final_result \

label_image命令预测：

bazel-bin/tensorflow/examples/label_image/label_image \
--output_layer=final_result \
--labels=/tmp/output_labels.txt \
--image=/tmp/flower_photos/daisy/5547758_eea9edfd54_n.jpg
--graph=/tmp/output_graph.pb \
--input_layer=Mul \
--input_mean=128 \
--input_std=128 \

量化模型。苹果系统在.ipa包分发应用程度，所有应用程度资源都用zip压缩。模型权重从浮点数转整数(范围0~255)，损失准确度，小于1%。

bazel build tensorflow/tools/quantization:quantization_graph
bazel-bin/tensorflow/tools/quantization/quantization_graph \
--input=/tmp/optimized_graph.pb \
--output=/tmp/rounded_graph.pb \
--output_node_names=final_result \
--mode=weights_rounded

内存映射 memory mapping。物理内存映射到进程地址空间内，应用程序直接用输入/输出地址空间，提高读写效率。模型全部一次性加载到内存缓冲区，会对iOS RAM施加过大压力，操作系统会杀死内存占用过多程序。模型权值缓冲区只读，可映射到内存。重新排列模型，权重分部分逐块从主GraphDef加载到内存。

bazel build tensorflow/contrib/util:convert_graphdef_memmapped_format
bazel-bin/tensorflow/contrib/util/convert_graphdef_memmapped_format \
--in_graph=/tmp/rounded_graph.pb \
--out_graph=/tmp/mmapped_graph.pb

生成iOS工程文件运行。视频流实进预测演示程序例子。https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/examples/ios/camera。模型文件、标记文件复制到data目录。修改CameraExampleViewController.mm，更改加载模型文件名称、输入图片尺寸、操作节点名字、缩放像素大小。

连上iPhone手机，双击tensorflow/contrib/ios_examples/camera/camera_example.xcodeproj编译运行。手机安装好APP，打开APP，找到玫瑰花识别。训练迭代次数10000次后，识别率99%以上。模拟器打包，生成打包工程文件位于/Users/libinggen/Library/Developer/Xcode/DeriveData/camera_example-dhfdsdfesfmrwtfb1fpfkfjsdfhdskf/Build/Products/Debug-iphoneos。打开CameraExample.app，有可执行文件CameraExample、资源文件模型文件mmapped_graph.pb、标记文件retrained_labels.txt。

Android系统实践。

环境准备。MacBook Pro。Oracle官网下载JDK1.8版本。http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jdk8-downloads-2133151.html 。jdk-8u111-macosx-x64.dmg。双击安装。设置Java环境变量：

JAVA_HOME='/usr/libexec/java_home'
export JAVA_HOME

搭建Android SDK环境。Android官网下载Android SDK，https://developer.android.com 。25.0.2版本。android-sdk_r25.0.2-macosx.zip。解压到~/Library/Android/sdk目录。build-tools、extras、patcher、platform-tools #各版本SDK 根据API Level划分SDK版本、platforms、sources、system-images、temp #临时文件夹 在SDK更新安装时用到、tools #各版本通用SDK工具 有adb、aapt、aidl、dx文件。 搭建Android NDK环境。Android官网下载Android NDK Mac OS X版本，https://developer.android.com/ndk/downloads/index.html 。android-ndk-r13b-darwin-x86_64.zip文件。解压，CHANGELOG.md、build、ndk-build、ndk-depends、ndk-gdb、ndk-stack、ndk-which、platforms、prebuilt、python-packages、shader-tools、simpleperf、source.properties、sources、toolchains。搭建Bazel。brew安装bazel:

brew install bazel

更新bazel:

brew upgrade bazel

编译演示程序运行。修改tensorflow-1.1.0根目录WORKSPACE文件。android_sdk_repository、android_ndk_repository配置改为用户自己安装目录、版本。

android_sdk_repository(
    name = "androidsdk",
    api_level = 25,
    build_tools_version = "25.0.2",
    # Replace with path to Android SDK on your system
    path = "~/Library/Android/sdk"
)
android_ndk_repository(
    name = "androidndk",
    api_level = 23,
    path = "~/Downloads/android-ndk-r13b"
)

在根目录用bazel构建：

bazel build // tensorflow/examples/android:tensorflow_demo

编译成功，默认在tensorflow-1.1.0/bazel-bin/tensorflow/examples/android目录生成TensorFlow演示程序。 运行。生成apk文件传输到手机，手机摄像头看效果。Android 6.0.1。开启“开发者模式”。手机用数据线与计算机相连，进入SDK所在目录，进入platform-tools文件夹，找到adb命令，执行：

./adb install tensorflow-0.12/bazel-bin/tensorflow/examples/android/tensorflow_demo.apk

tensorflow_demo.apk自动安装到手机。打开TF Detec App。App 调起手机摄像头，摄像头返回数据流实时监测。

自定义模型编译运行。训练原始模型、编译Android系统支持模型、生成Android apk文件运行。 训练原始模型、编译Android系统支持模型。用项目根目录tensorflow/python/tools/optimize_for_inference.py、tensorflow/tools/quantization/quantize_graph.py、tensorflow/contrib/util/convert_graphdef_memmapped_format.cc对模型优化。将第一步生成原始模型文件retrained_graph.pb、标记文件retrained_labels.txt放在tensorflow/examples/android/assets目录。修改tensorflow/examples/android/src/org/tensorflow/demo/TensorFlowImageClassifier.java要加载模型文件名称，输入图片尺寸、操作节点名字、缩放像素大小。

重新编译apk，连接Android手机，安装apk：

bazel buld //tensorflow/examples/android:tensorflow_demo
adb install -r -g bazel-bin/tensorflow/examples/android/tensorflow_demo.apk

树莓派实践。

Tensorflow可以在树莓派(Raspberry Pi)运行。树莓派，只有信用卡大小微型电脑，系统基于Linux，有音频、视频功能。应用，输入1万张自己的面部图片，在树莓派训练人脸识别模型，教会它认识你，你进入家门后，帮你开灯、播放音乐各种功能。树莓派编译方法和直接在Linux环境上用相似。

参考资料： 《TensorFlow技术解析与实战》

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