Android 机器学习模型的轻量级框架 TensorFlow Lite

桂学

2023-12-01

TensorFlow Lite 简介

TensorFlow Lite 是一款用于在移动设备、嵌入式设备和物联网设备上运行机器学习模型的轻量级框架。它是 TensorFlow 在移动领域的延伸，旨在解决手机等设备上机器学习计算资源有限的问题。TensorFlow Lite 通过优化模型大小、量化和包含特定设备需求的内核等方式实现了高效运行模型的能力。

TensorFlow Lite 支持多种语言的开发，包括 Java、C++ 和 Python 等，可以将 TensorFlow 模型转换为 Lite 模型格式，并且提供丰富的 API 接口，方便开发者使用。除此之外，TensorFlow Lite 还支持加速器硬件（如 GPU、DSP）的使用，以进一步提高模型推理效率。

TensorFlow Lite 应用场景广泛，例如：智能家居中的语音识别、图像分类及物体检测；智能医疗中的病症诊断及病人监护；自动驾驶中的车辆控制等。由于其高效性和可移植性，TensorFlow Lite 已经成为手机等嵌入式设备上运行机器学习的主流框架之一。

TensorFlow Lite 的官方文档地址为：https://www.tensorflow.org/lite，在这个网站中，您可以找到 TensorFlow Lite 的使用指南、API 文档、示例代码以及有关使用 TensorFlow Lite 在移动设备和嵌入式系统上部署机器学习模型的最佳实践等内容。

TensorFlow Lite集成

将TensorFlow Lite集成到你的Android应用程序中，可以遵循以下步骤：

将TensorFlow Lite库添加到应用程序的Gradle构建文件中。在build.gradle（Module: app）文件中添加以下依赖项：

dependencies {
    implementation 'org.tensorflow:tensorflow-lite:2.5.0'
}

将模型文件（.tflite）复制到应用程序“assets”目录中。
在应用程序中加载模型。使用以下代码加载模型：

private Interpreter tflite;
tflite = new Interpreter(loadModelFile(), null);
    
private MappedByteBuffer loadModelFile() throws IOException {
    AssetFileDescriptor fileDescriptor = this.getAssets().openFd("model.tflite");
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream(fileDescriptor.getFileDescriptor());
    FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();
    long startOffset = fileDescriptor.getStartOffset();
    long declaredLength = fileDescriptor.getDeclaredLength();
    return fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, startOffset, declaredLength);
}

使用TensorFlow Lite解释器来运行推理。请参考TensorFlow Lite文档了解如何准备输入和获取输出。

TensorFlow Lite自训练模型

首先，您需要选择和训练一个适合您应用需求的机器学习模型。可以使用常见的深度学习库（如TensorFlow、PyTorch）来训练模型。
在训练完成后，您需要将模型转换为TensorFlow Lite平台支持的格式。在转换过程中，可以通过量化等技术优化模型以及减小模型的大小，使模型更适合部署到移动设备上。可以使用TensorFlow官方提供的TFLite Converter或TensorFlow Hub来完成模型的转换。
转换成功后，您就能够获得一个TensorFlow Lite模型文件（通常是.tflite文件）。该文件可以保存到本地磁盘中，也可以直接打包进您的应用程序的assets目录中。

希望这些步骤能帮助您成功获取和使用TensorFlow Lite模型文件。

TensorFlow Lite模型文件

Google官方的TensorFlow Lite模型文件集合可以在TensorFlow Hub网站上找到。您可以在该网站的搜索栏中输入关键词，例如“TensorFlow Lite”，然后按下回车键查找与您搜索相关的模型。

在搜索结果页面中，您可以浏览和筛选不同类型的模型，例如分类、目标检测或图像分割等。每个模型都有其自己的介绍和文档，包括如何使用该模型以及其性能指标等信息。如果您找到了感兴趣的模型，可以点击链接进入该模型的详情页面，其中可能会提供可下载的预训练权重或转换后的TensorFlow Lite模型文件。

访问TensorFlow Hub网站：https://tfhub.dev/

TensorFlow Lite示例

您可以在TensorFlow官方的GitHub仓库中找到Android使用TensorFlow Lite的官方示例。该示例演示如何使用TensorFlow Lite来识别图片中的物体，并将结果显示在应用中。

示例包含完整的项目代码、Gradle文件和模型文件等资源，您可以直接下载并运行该示例应用程序，也可以将其作为参考来构建自己的TensorFlow Lite Android应用程序。

以下是示例项目的GitHub仓库地址：
https://github.com/tensorflow/examples/tree/master/lite/examples/object_detection/android

以下是使用 TensorFlow Lite 官方模型文件进行物体检测识别的示例代码：

导入 TensorFlow Lite 库

implementation 'org.tensorflow:tensorflow-lite:+'

加载模型文件

private MappedByteBuffer loadModelFile(Activity activity, String modelPath) throws IOException {
    AssetFileDescriptor fileDescriptor = activity.getAssets().openFd(modelPath);
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream(fileDescriptor.getFileDescriptor());
    FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();
    long startOffset = fileDescriptor.getStartOffset();
    long declaredLength = fileDescriptor.getDeclaredLength();
    return fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, startOffset, declaredLength);
}

进行预处理

private Bitmap preprocess(Bitmap bitmap) {
    int width = bitmap.getWidth();
    int height = bitmap.getHeight();
    int inputSize = 300;

    Matrix matrix = new Matrix();
    float scaleWidth = ((float) inputSize) / width;
    float scaleHeight = ((float) inputSize) / height;
    matrix.postScale(scaleWidth, scaleHeight);

    Bitmap resizedBitmap = Bitmap.createBitmap(bitmap, 0, 0, width, height, matrix, false);

    return resizedBitmap;
}

执行推理

private void runInference(Bitmap bitmap) {
    try {
        // 加载模型文件
        MappedByteBuffer modelFile = loadModelFile(this, "detect.tflite");

        // 初始化解析器
        Interpreter.Options options = new Interpreter.Options();
        options.setNumThreads(4);
        Interpreter tflite = new Interpreter(modelFile, options);

        // 获取输入和输出 Tensor
        int[] inputs = tflite.getInputIds();
        int[] outputs = tflite.getOutputIds();
        int inputSize = tflite.getInputTensor(inputs[0]).shape()[1];

        // 进行预处理
        Bitmap resizedBitmap = preprocess(bitmap);
        ByteBuffer inputBuffer = convertBitmapToByteBuffer(resizedBitmap, inputSize);

        // 执行推理，并获取输出结果
        Object[] inputArray = {inputBuffer};
        Map<Integer, Object> outputMap = new HashMap<>();
        float[][][] locations = new float[1][100][4];
        float[][] classes = new float[1][100];
        float[][] scores = new float[1][100];
        float[] numDetections = new float[1];
        outputMap.put(outputs[0], locations);
        outputMap.put(outputs[1], classes);
        outputMap.put(outputs[2], scores);
        outputMap.put(outputs[3], numDetections);
        tflite.runForMultipleInputsOutputs(inputArray, outputMap);

        // 输出识别结果
        for (int i = 0; i < 100; ++i) {
            if (scores[0][i] > THRESHOLD) {
                int id = (int) classes[0][i];
                String label = labels[id + 1];
                float score = scores[0][i];
                RectF location = new RectF(
                        locations[0][i][1] * bitmap.getWidth(),
                        locations[0][i][0] * bitmap.getHeight(),
                        locations[0][i][3] * bitmap.getWidth(),
                        locations[0][i][2] * bitmap.getHeight()
                );
                Log.d(TAG, "Label: " + label + ", Confidence: " + score + ", Location: " + location);
            }
        }

        // 释放资源
        tflite.close();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

private ByteBuffer convertBitmapToByteBuffer(Bitmap bitmap, int inputSize) {
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(inputSize * inputSize * 3);
    byteBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder());
    Bitmap resizedBitmap = Bitmap.createScaledBitmap(bitmap, inputSize, inputSize, true);
    for (int y = 0; y < inputSize; ++y) {
        for (int x = 0; x < inputSize; ++x) {
            int pixelValue = resizedBitmap.getPixel(x, y);
            byteBuffer.putFloat((((pixelValue >> 16) & 0xFF) - IMAGE_MEAN) / IMAGE_STD);
            byteBuffer.putFloat((((pixelValue >> 8) & 0xFF) - IMAGE_MEAN) / IMAGE_STD);
            byteBuffer.putFloat(((pixelValue & 0xFF) - IMAGE_MEAN) / IMAGE_STD);
        }
    }
    return byteBuffer;
}

以上代码示例适用于 TensorFlow Lite 官方提供的物体检测模型，具体模型使用方式和输入输出 Tensor 可以根据实际情况进行调整。

Android 机器学习模型的轻量级框架 TensorFlow Lite

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TensorFlow Lite自训练模型

TensorFlow Lite模型文件

TensorFlow Lite示例

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