玩转TensorFlow Lite:有道云笔记实操案例分享

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简介: 这一两年来,在移动端实现实时的人工智能已经形成了一波潮流。去年,谷歌推出面向移动端和嵌入式的神经网络计算框架TensorFlow Lite,将这股潮流继续往前推。TensorFlow Lite如何进行操作?本文将介绍TFLite在有道云笔记中用于文档识别的实践过程,以及 TFLite 都有些哪些特性,供大家参考。

近年来,有道技术团队在移动端实时 AI 能力的研究上,做了很多探索及应用的工作。2017 年 11 月 Google 发布 TensorFlow Lite (TFLlite) 后,有道技术团队第一时间跟进 TFLite 框架,并很快将其用在了有道云笔记产品中。

以下是TFLite在有道云笔记中用于文档识别的实践过程。

文档识别工作的介绍

1. 文档识别的定义

文档识别最初是开发有道云笔记的文档扫描功能时面对的一个问题。文档扫描功能希望能在用户拍摄的照片中,识别出文档所在的区域,进行拉伸 (比例还原),识别出其中的文字,最终得到一张干净的图片或是一篇带有格式的文字版笔记。实现这个功能需要以下这些步骤:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9识别文档区域: 将文档从背景中找出来,确定文档的四个角;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9拉伸文档区域,还原宽高比: 根据文档四个角的坐标,根据透视原理,计算出文档原始宽高比,并将文档区域拉伸还原成矩形;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9色彩增强: 根据文档的类型,选择不同的色彩增强方法,将文档图片的色彩变得干净清洁;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9布局识别: 理解文档图片的布局,找出文档的文字部分;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9OCR: 将图片形式的“文字”识别成可编码的文字;

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9生成笔记: 根据文档图片的布局,从 OCR 的结果中生成带有格式的笔记。

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文档识别就是文档扫描功能的第一步,也是场景最复杂的一个部分

2. 文档识别在有道 AI 技术矩阵中的角色

有道近年来基于深度神经网络算法,在自然语言、图像、语音等媒体数据的处理和理解方面做了一系列工作,产出了基于神经网络的多语言翻译、OCR(光学字符识别)、语音识别等技术。在这些技术的合力之下,我们的产品有能力让用户以他们最自然最舒服的方式去记录内容,用技术去理解这些内容,并将其统一转化为文本以待下一步处理。从这个角度来看,我们的各种技术组成了以自然语言为中心,多种媒体形式相互转换的网络结构。

文档识别是从图像转化为文本的这条转换链上,不起眼却又不可缺少的一环。有了它的存在,我们可以在茫茫图海中,准确找到需要处理的文档,并将其抽取出来进行处理。

3. 文档识别的算法简介

我们的文档识别算法基于 FCNN (Fully Convolutional Neural Network) ,这是一种特别的 CNN(卷积神经网络),其特点是对于输入图片的每一个像素点,都对应着一个输出(相对的,普通的 CNN 网络则是每一张输入图片对应着一个输出)。因此,我们可以标记一批包含文档的图片,将图片中文档边缘附近的像素标注为正样本,其他部分标注为副样本。训练时,以图片作为 FCNN 的输入,将输出值与标注值作对比得到训练惩罚,从而进行训练。关于文档识别算法的更多细节,可以参见有道技术团队的《文档扫描:深度神经网络在移动端的实践》这篇文章。

由于算法的主体是 CNN,因此文档扫描算法中主要用到的算子(Operator)包括卷积层、Depthwise 卷积层、全连接层、池化层、Relu 层这些 CNN 中常用的算子。

4. 文档识别与 TensorFlow

能够训练和部署 CNN 模型的框架非常多。我们选择使用 TensorFlow 框架,是基于以下几方面的考虑的:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9TensorFlow 提供的算子全面且数量众多,自己创建新的算子也并不麻烦。在算法研发的初期会需要尝试各种不同的模型网络结构,用到各种奇奇怪怪的算子。此时一个提供全面算子的框架能够节省大量的精力;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9TensorFlow 能够较好的覆盖服务器端、Android 端、iOS 端等多个平台,并在各个平台上都有完整的算子支持;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9TensorFlow 是一个比较主流的选择,这意味着当遇到困难时,更容易在互联网上找到现成的解决办法。

5. 为什么想在文档识别中用 TFLite

在 TFLite 发布之前,有道云笔记中的文档识别功能是基于移动端 TensorFlow 库 (TensorFlow Mobile) 的。当 TFLite 发布后,我们希望迁移到 TFLite 上。促使我们迁移的主要动力是链接库的体积。

经过压缩后,Android 上的 TensorFlow 动态库的体积大约是 4.5M 左右。如果希望满足 Android 平台下的多种处理器架构,可能需要打包 4 个左右的动态库,加起来体积达到 18M 左右;而 tflite 库的体积在 600K 左右,即便是打包 4 个平台下的链接库,也只需要占用 2.5M 左右的体积。这在寸土寸金的移动 App 上,价值是很大的。

TFLite的介绍

1. TFLite 是什么

TFLite 是 Google I/O 2017 推出的面向移动端和嵌入式的神经网络计算框架,于2017年11月5日发布开发者预览版本 (developer preview)。相比与 TensorFlow,它有着这样一些优势:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9轻量级。 如上所述,通过 TFLite 生成的链接库体积很小;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9没有太多依赖。 TensorFlow Mobile 的编译依赖于 protobuf 等库,而 tflite 则不需要大的依赖库;

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9可以用上移动端硬件加速。TFLite 可以通过 Android Neural Networks API (NNAPI) 进行硬件加速,只要加速芯片支持 NNAPI,就能够为 TFLite 加速。不过目前在大多数 Android 手机上,Tflite 还是运行在 CPU 上的。

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TensorFlow Lite的架构设计

2. TFLite 的代码结构

作为 TFLite 的使用者,我们也探索了一下 TFLite 的代码结构,这里分享一下。

目前,TFLite 的代码位于 TensorFlow 工程中 "tensorflow/contrib/lite" 文件夹下。文件夹下有若干头/源文件和一些子文件夹。

其中,一些比较重要的头文件有:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9model.h: 和模型文件相关的一些类和方法。其中 FlatBufferModel 这个类是用来读取并存储模型内容的,InterpreterBuilder 则可以解析模型内容;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9Interpreter.h: 提供了用以推断的类 Interpreter,这是我们最常打交道的类;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9context.h: 提供了存储 Tensors 和一些状态的 struct TfLiteContext。实际使用时一般会被包装在 Interpreter 中;

此外,有一些比较重要的子文件夹:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9kernels: 算子就是在这里被定义和实现的。其中 regester.cc 文件定义了哪些算子被支持,这个是可以自定义的。
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9downloads: 一些第三方的库,主要包括:
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9 abseil: Google 对 c++ 标准库的扩展;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9 eigen: 一个矩阵运算库;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9 farmhash: 做 hash 的库;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9 flatbuffers: TFLite 所使用的 FlatBuffers 模型格式的库;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9 gemmlowp: Google 开源的一个低精度矩阵运算库;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9 neon_2_sse: 把 arm 上的 neon 指令映射到相对应的 sse 指令。
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9java: 主要是 Android 平台相关的一些代码;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9nnapi: 提供了 nnapi 的调用接口。如果想自己实现 nnapi 可以看一看;
d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9schema: TFLite 所使用的 FlatBuffers 模型格式的具体定义;

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9toco: protobuf 模型转换到 FlatBuffers 模型格式的相关代码。

我们是怎么用TFLite的?

1. TFLite 的编译

TFLite 可以运行在 Android 和 iOS 上,官方给出了不同的编译流程。

在 Android 上,我们可以使用 bazel 构建工具进行编译。bazel 工具的安装和配置就不再赘述了,有过 TensorFlow 编译经验的同学应该都熟悉。依照官方文档,bazel 编译的 target 是 "//tensorflow/contrib/lite/java/demo/app/src/main:TfLiteCameraDemo",这样得到的是一个 demo app。如果只想编译库文件,可以编译 "//tensorflow/contrib/lite/java:tensorflowlite" 这个 target,得到的是 libtensorflowlite_jni.so 库和相应的 java 层接口。

更多细节见官方文档:

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/docs_src/mobile/tflite/demo_android.md

在 iOS 上,则需要使用 Makefile 编译。在 mac 平台上运行 build_ios_universal_lib.sh,会编译生成 tensorflow/contrib/lite/gen/lib/libtensorflow-lite.a 这个库文件。这是个 fat library,打包了 x86_64, i386, armv7, armv7s, arm64 这些平台上的库。

更多细节见官方文档:

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/docs_src/mobile/tflite/demo_ios.md

两个平台上 TFLite 库的调用接口也有所不同:Android 上提供了 Java 层的调用接口,而 iOS 上则是 c++ 层的调用接口。

当然,TFLite 的工程结构是比较简单的,如果你熟悉了 TFLite 的结构,也可以用自己熟悉的编译工具来编译 TFLite。

2. 模型转换

TFLite 不再使用旧的 protobuf 格式(可能是为了减少依赖库),而是改用 FlatBuffers 。因此需要把训练好的 protobuf 模型文件转换成 FlatBuffers 格式。

TensorFlow 官方给出了模型转化的指导。首先,由于 TFLite 支持的算子比较少,更不支持训练相关的算子,因此需要提前把不需要的算子从模型中移除,即 Freeze Graph ;接着就可以做模型格式转换了,使用的工具是 tensorflow toco。这两个工具也是通过 bazel 编译得到。

更多细节见官方文档:

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/docs_src/mobile/tflite/devguide.md

3. 缺失的算子

TFLite 目前仅提供有限的算子,主要以 CNN 中使用到的算子为主,如卷积、池化等。我们的模型是全卷积神经网络,大部分算子 TFLite 都有提供,但 conv2d_transpose(反向卷积)算子并没有被提供。幸运的该算子出现在网络模型的末端,因此我们可以将反向卷积之前的计算结果取出,自己用 c++ 实现一个反向卷积,从而计算出最终的结果。由于反向卷积的运算量并不大,所以基本没有影响到运行速度。

如果不巧,你的模型需要但 TFLite 缺少的算子并非出现在网络的末端,该怎么办呢?你可以自定义一个 TFLite 算子,将其注册在 TFLite 的 kernels 列表中,这样编译得到的 TFLite 库就可以处理该算子了。同时,在模型转换时,还需要加上 --allow_custom_ops 选项,将 TFLite 默认不支持的算子也保留在模型中。

更多细节见官方文档:

https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/contrib/lite/g3doc/custom_operators.md

TFLite 优缺点

优点:在库的大小、开发方便程度、跨平台性、性能之间达成一个平衡

作为对比,有道技术团队选取了一些其他的移动端深度学习框架,分别分析其在“开发方便程度、跨平台性、库的大小、性能”四个方面的表现:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9TensorFlow Mobile,由于和 server 上的 TensorFlow 是同一套代码,所以可以直接使用 server 上训练得到的模型,开发非常方便;能支持 Android, iOS, 跨平台性没问题;如前所述,库的大小比较大;性能主流。

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9caffe2,可以比较方便的从 caffe 训练出的模型转换到 caffe2 ,但缺少一些算子, 开发方便程度一般;能支持 Android, iOS,跨平台性没问题;库编译出来比较大,但是是静态库可以压缩;性能主流。

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9Mental/Accelerate,这两个都是 iOS 上的框架。比较底层,需要模型转换&自己写 inference 代码,开发比较痛苦;仅支持 iOS;库是系统自带,不涉及库大小问题;速度很快。

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9CoreML,这个是 WWDC17 发布的 iOS 11 上的框架。有一些模型转换工具,只涉及通用算子时开发不算痛苦,涉及自定义算子时就很难办了;仅支持 iOS 11 以上;库是系统自带,不涉及库大小问题;速度很快。

最后是 TFLite:

d47e62d2b349aca45e42305ed6714efbe5ed61d9TFLite,其模型可以由 TensorFlow 训练得到的模型转换而来,但缺少一些算子, 开发方便程度一般;能支持 Android, iOS,跨平台性没问题;库编译出来很小;就我们的实验来看,速度比TensorFlow 快一点。

可以看到,TensorFlow Mobile 开发方便,通用性好,但链接库大,性能主流(其他 server 端神经网络框架的 mobile 版也都有类似的特点);Mental/Accelerate 这些比较底层的库速度很快,但不能跨平台,开发比较痛苦;caffe2、TFLite 这类有为移动端优化过的神经网络框架则比较平衡,虽然初时会有算子不全的问题,但只要背后的团队不断支持推进框架的开发,这个问题未来会得到解决。

优点:相对容易扩展

由于 TFLite 的代码(相对于 TensorFlow)比较简单,结构比较容易理清,所以可以相对容易的去扩展。如果你想增加一个 TFLite 上没有而 TensorFlow 上有的算子,你可以增加一个自定义的类;如果你想增加一个 TensorFlow 上也没有的算子,你也可以直接去修改 FlatBuffers 模型文件。

缺点:ops 不够全面

如前所述,TFLite 目前主要支持 CNN 相关的算子 ,对其他网络中的算子还没有很好的支持。因此,如果你想迁移 rnn 模型到移动端,TFLite 目前是不 OK 的。

不过根据最新的 Google TensorFlow 开发者峰会,Google 和 TensorFlow 社区正在努力增加 ops 的覆盖面,相信随着更多开发者的相似需求, 更多的模型会被很好的支持。这也是我们选择 TensorFlow 这样的主流社区的原因之一。

缺点:目前还不能支持各种运算芯片

虽然 TFLite 基于 NNAPI,理论上是可以利用上各种运算芯片的,但目前还没有很多运算芯片支持 NNAPI。期待未来 TFLite 能够支持更多的运算芯片,毕竟在 CPU 上优化神经网络运行速度是有上限的,用上定制芯片才是新世界的大门。

总结

这一两年来,在移动端实现实时的人工智能似乎已经形成了一波潮流。有道技术团队在移动端 AI 算法的研究上,也做了诸多尝试,推出了离线神经网络翻译 (离线 NMT) 、离线文字识别 (离线 OCR) 以及离线文档扫描等移动端实时 AI 能力,并在有道词典、有道翻译官、有道云笔记中进行产品化应用。由于目前移动端 AI 尚处在蓬勃发展阶段,各种框架、计算平台等都尚不完善。

在这里,我们以有道云笔记中的离线文档识别功能作为实践案例,看到了 TFLite 作为一个优秀的移动端AI框架,能够帮助开发者相对轻松地在移动端实现常见的神经网络。后续我们也会为大家带来更多有道技术团队结合 TFLite 在移动端实时 AI 方面的技术探索以及实际产品应用。


原文发布时间为:2018-04-19

本文来自云栖社区合作伙伴新智元,了解相关信息可以关注“AI_era”。

原文链接:玩转TensorFlow Lite:有道云笔记实操案例分享

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