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マイクロコントローラを使ってみる

このドキュメントは、マイクロコントローラ向けTensorFlow Liteを使用するのを手助けします。フレームワークのアプリケーション例の動かし方を説明し、それからマイクロコントローラ上で推論を実行する簡単なアプリケーションのコードを始めから終わりまで見ていきます。

サポートされているデバイスを入手する

このガイドにしたがっていくには、サポートされたハードウェアデバイスが必要です。使用するサンプルのアプリケーションは下記デバイスで検証されています。

Arduino Nano 33 BLE Sense (Arduino IDEを使います)
SparkFun Edge (ソースから直接ビルドします)
STM32F746 Discovery kit (Mbedを使います)
Adafruit EdgeBadge (Arduino IDEを使います)
Adafruit TensorFlow Lite for Microcontrollers Kit (Arduino IDEを使います)
Adafruit Circuit Playground Bluefruit (Arduino IDEを使います)
Espressif ESP32-DevKitC (ESP IDFを使います)
Espressif ESP-EYE (ESP IDFを使います)

TensorFlow Lite for Microcontrollersで、サポートされたプラットフォームについてさらに学べます。

サンプルを探索する

マイクロコントローラ向けTensorFlow Liteはいくつかのサンプルのアプリケーションが付属しており、それらはさまざまなタスクへの適用の仕方を実際の例によって示します。記述にあたっては、下記が役に立ちます。

Hello World - マイクロコントローラ向けTensorFlow Liteの使い方の基本を実演します。
Micro speech - マイクロフォンで音を取り込み、"yes"と"no"という単語を検出します。
Person detection - 撮像センサでカメラデータを取り込み、人が居るか否かを検出します。
Magic wand - 加速度データを取り込み、3つの異なるジェスチャーに分類します。

各アプリケーション例には、README.mdファイルがあり、サポートされたプラットフォームへのデプロイの仕方を説明しています。

以降では、アプリケーションのサンプルとしてHello World を例に見ていきます。

Hello World の例

このサンプルではマイクロコントローラ向けTensorFlow Liteの使い方の基本を実演します。このサンプルは、モデルの訓練から、TensorFlow Liteと共に使うためのモデル変換、そしてマイクロコントローラ上での推論実行までの始めから終わりまでのワークフローを含んでいます。

この例では、モデルは正弦波関数を再現するように訓練されています。１つの数を入力として、正弦波の数値を出力します。マイクロコントローラにデプロイされると、その予測は、LEDを点滅させたりアニメーションを制御したりすることに使用されます。

この例は下記を含みます。

モデルの訓練と変換の仕方を実演するJupyter notebook
モデルを使って推論を実行するC++ 11 アプリケーション。そのアプリケーションは、Arduino、SparkFun Edge、STM32F746G discovery kit、そしてmacOSで動作検証されています
推論処理を実演する単体テスト

サンプルを動かす

各デバイスのサンプルを実行するために、README.mdの指示を見ていきます。 Hello World README.md

推論を実行する方法

以下の節は Hello World サンプルの hello_world_test.ccを見ていきます。これは、マイクロコントローラ向けTensorFlow Liteを使って推論を実行する方法を実演します。

検証はモデルを読み込み、それを使い何回か推論を実行します。

ライブラリをインクルードする

マイクロコントローラ向けTensorFlow Liteライブラリを使うために、以下のヘッダーファイルをインクルードする必要があります。

#include "tensorflow/lite/micro/kernels/all_ops_resolver.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_error_reporter.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_interpreter.h"
#include "tensorflow/lite/schema/schema_generated.h"
#include "tensorflow/lite/version.h"

all_ops_resolver.h モデルを実行するインタープリタで使用される演算を提供します。
micro_error_reporter.h デバッグ情報を出力します。
micro_interpreter.h モデルを読み込んで実行するコードを含みます。
schema_generated.h TensorFlow Lite FlatBuffer モデルファイルフォーマットのスキーマを含みます。
version.h TensorFlow Lite スキーマのバージョン情報を提供します。

モデルをインクルードする

マイクロコントローラ向けTensorFlow Lite インタープリタは、モデルがC++配列で提供されることを期待しています。Hellow World サンプルでは、モデルは sine_model_data.h と sine_model_data.cc で定義されています。ヘッダーは以下の行で含まれます。

#include "tensorflow/lite/micro/examples/hello_world/sine_model_data.h"

単体テストを用意する

見ていくコードは単体テストで、それはマイクロコントローラ向けTensorFlow Liteフレームワークの単体テストフレームワークを使います。フレームワークを読み込むため、以下のファイルをインクルードします。

#include "tensorflow/lite/micro/testing/micro_test.h"

テストは以下のマクロを使って定義されます。

TF_LITE_MICRO_TESTS_BEGIN

TF_LITE_MICRO_TEST(LoadModelAndPerformInference) {

コードの残り部分は、モデルの読み込みと推論を実演します。

ログ取得を準備する

ログ取得の準備をするために、tflite::MicroErrorReporter インスタンスへのポインタを持つ、tflite::ErrorReporter ポインタが作成されます。

tflite::MicroErrorReporter micro_error_reporter;
tflite::ErrorReporter* error_reporter = &micro_error_reporter;

この変数はインタープリタに渡され、ログに書くことを許可します。マイクロコントローラはしばしばログ取得のさまざまな機構をもつので、tflite::MicroErrorReporter の実装は、デバイス固有にカスタマイズされるように設計されています。

モデルを読み込む

以下のコードでは、モデルは char 配列、つまり sine_model_data.h で宣言された g_sine_model_data からのデータを使って実体化されます。モデルを検査し、そのスキーマ・バージョンが我々が使用しているバージョンと互換性があることを確認します。

const tflite::Model* model = ::tflite::GetModel(g_sine_model_data);
if (model->version() != TFLITE_SCHEMA_VERSION) {
  error_reporter->Report(
      "得られたモデルはスキーマ・バージョン%dであり、"
      "サポートされたバージョン%dと一致しません。",
      model->version(), TFLITE_SCHEMA_VERSION);
}

演算子リゾルバを実体化する

AllOpsResolver インスタンスが宣言されています。これは、モデルで使用されている演算にアクセスするためにインタープリタが使います。

tflite::ops::micro::AllOpsResolver resolver;

AllOpsResolver は、マイクロコントローラ向けTensorFlow Liteで利用可能なすべての演算を読み込むため多くのメモリを使用します。通常、モデルが必要とするのはこれらの演算のうちの一部のため、現実世界に適用する際には必要な演算のみを読み込むことが推奨されます。

これは別のクラス、MicroMutableOpResolver を使用して実施されます。 Micro speech micro_speech_test.cc の例で使い方を見ることができます。

メモリを割り当てる

適当な量のメモリを入力、出力、そして中間配列に事前に割り当てる必要があります。これは、tensor_arena_size の大きさの uint8_t 配列として提供されます。

const int tensor_arena_size = 2 * 1024;
uint8_t tensor_arena[tensor_arena_size];

要求される大きさは使用するモデルに依存し、実験によって決める必要があるかもしれません。

インタープリタを実体化する

tflite::MicroInterpreter インスタンスを作成し、事前に作成した変数を渡します。

tflite::MicroInterpreter interpreter(model, resolver, tensor_arena,
                                     tensor_arena_size, error_reporter);

テンソルを割り当てる

インタープリタに対し、 tensor_arena からモデルのテンソルにメモリを割り当てるように指示します。

interpreter.AllocateTensors();

入力の形を検証する

MicroInterpreter インスタンスは、.input(0) を呼ぶことで、モデルの入力テンソルへのポインタを提供します。 0 は最初の（そして唯一の）入力テンソルであることを表します。

  // モデルの入力テンソルへポインタを取得する
  TfLiteTensor* input = interpreter.input(0);

このテンソルを検証し、形と型が期待したものであることを確認します。

// 入力は期待するプロパティを持つことを確認する
TF_LITE_MICRO_EXPECT_NE(nullptr, input);
// プロパティ "dims" はテンソルの形を教えてくれる。
// それは次元ごとに1つの要素を持つ。我々の入力は2次元のテンソルで1つの要素を含むので、
// "dims" の次元数は2であるべきである。
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(2, input->dims->size);
// 要素ごとの値は、対応するテンソルの長さを与える。
// 我々は2つのテンソルを期待する。（一方は他方に含まれる。）
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(1, input->dims->data[0]);
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(1, input->dims->data[1]);
// 入力は32bit浮動小数点数である。
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(kTfLiteFloat32, input->type);

enum値 kTfLiteFloat32 は、TensorFlow Lite のデータ型のうちの一つへの参照であり、 common.h. で定義されています。

入力値を提供する

入力をモデルに提供するために、入力テンソルの内容を以下のとおり設定します。

input->data.f[0] = 0.;

この場合、0 を表す浮動小数点数を入力しています。

モデルを実行する

モデルを実行するために、 tflite::MicroInterpreter インスタンス上で Invoke() を呼びます。

TfLiteStatus invoke_status = interpreter.Invoke();
if (invoke_status != kTfLiteOk) {
  error_reporter->Report("Invoke failed\n");
}

戻り値 TfLiteStatus を確認でき、実行が成功したかどうか決定できます。 TfLiteStatus の取りうる値は、 common.hで定義されており、 kTfLiteOk と kTfLiteError です。

下記コードは値が、推論がうまく実行されたことを意味する、kTfLiteOkであることを知らせています。

TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(kTfLiteOk, invoke_status);

出力を取得する

モデルの出力テンソルは、tflite::MicroIntepreter 上で output(0) を呼ぶことで取得できます。 0 は最初の（そして唯一の）出力テンソルであることを表します。

サンプルでは、モデルの出力は1つの2次元テンソルに含まれる1つの浮動小数点数です。

TfLiteTensor* output = interpreter.output(0);
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(2, output->dims->size);
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(1, input->dims->data[0]);
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(1, input->dims->data[1]);
TF_LITE_MICRO_EXPECT_EQ(kTfLiteFloat32, output->type);

出力テンソルから直接値を読むこともでき、それが期待するものであるか評価することもできます。

// テンソルから出力値を取得する
float value = output->data.f[0];
// 出力値が期待値から0.05以内であるかを検査する
TF_LITE_MICRO_EXPECT_NEAR(0., value, 0.05);

推論を再度実行する

コードの残りの部分は、推論をさらに何回も実行します。インスタンス毎に、入力テンソルに値を割り当て、インタープリタを呼び、そして出力テンソルから結果を読み取ります。

input->data.f[0] = 1.;
interpreter.Invoke();
value = output->data.f[0];
TF_LITE_MICRO_EXPECT_NEAR(0.841, value, 0.05);

input->data.f[0] = 3.;
interpreter.Invoke();
value = output->data.f[0];
TF_LITE_MICRO_EXPECT_NEAR(0.141, value, 0.05);

input->data.f[0] = 5.;
interpreter.Invoke();
value = output->data.f[0];
TF_LITE_MICRO_EXPECT_NEAR(-0.959, value, 0.05);

アプリケーションのコードを読む

この単体テストを一度ひととおり読み終えたら、 main_functions.cc にあるサンプルアプリケーションのコードを理解できるはずです。おなじような処理を行いますが、実行された推論の数に基づいて入力値を生成し、それからデバイス固有の関数を呼び、モデルの出力をユーザーに表示します

次のステップ

ライブラリがさまざまなモデルやアプリケーションと共にどのように利用できるかを知るためには、ほかのサンプルをデプロイし、そのコードを初めから終わりまで見てみることをお薦めします。

GitHubのサンプルアプリケーション

あなた自身のプロジェクト内でのライブラリの使い方を学ぶためには、 C++ライブラリについてを読んでみましょう。

マイクロコントローラにデプロイするためのモデルの訓練と変換に関する情報は、モデルの構築と変換を行うを読んでみましょう。