你知道嗎？在 iOS 設(shè)備上也可以直接訓(xùn)練 LeNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而且性能一點(diǎn)也不差，iPhone 和 iPad 也能化為實(shí)實(shí)在在的生產(chǎn)力。
機(jī)器學(xué)習(xí)要想在移動(dòng)端上應(yīng)用一般分為如下兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是訓(xùn)練模型，第二個(gè)階段是部署模型。常規(guī)的做法是在算力強(qiáng)大的 GPU 或 TPU 上對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，之后再使用一系列模型壓縮的方法，將其轉(zhuǎn)換為可在移動(dòng)端上運(yùn)行的模型，并與 APP 連通起來。Core ML 主要解決的就是最后的模型部署這一環(huán)節(jié)，它為開發(fā)者提供了一個(gè)便捷的模型轉(zhuǎn)換工具，可以很方便地將訓(xùn)練好的模型轉(zhuǎn)換為 Core ML 類型的模型文件，實(shí)現(xiàn)模型與 APP 數(shù)據(jù)的互通。
以上是常規(guī)的操作。然而，隨著 iOS 設(shè)備計(jì)算性能的提升，坊間不斷產(chǎn)生一些 iPad Pro 算力超過普通筆記本的言論。于是乎，就出現(xiàn)了這么一位「勇者」，開源了可以直接在 iOS 設(shè)備上訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目。
項(xiàng)目作者在 macOS、iOS 模擬器和真實(shí)的 iOS 設(shè)備上進(jìn)行了測(cè)試。用 60000 個(gè) MNIST 樣本訓(xùn)練了 10 個(gè) epoch，在模型架構(gòu)與訓(xùn)練參數(shù)完全相同的前提下，使用 Core ML 在 iPhone 11 上訓(xùn)練大概需要 248 秒，在 i7 MacBook Pro 上使用 TensorFlow 2.0 訓(xùn)練需要 158 秒（僅使用 CPU 的情況下），但準(zhǔn)確率都超過了 0.98。
當(dāng)然，在 248 秒和 158 秒之間還有非常大的差距，但進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的并不是比速度，而是為了探索用移動(dòng)設(shè)備或可穿戴設(shè)備在本地進(jìn)行訓(xùn)練的可行性，因?yàn)檫@些設(shè)備中的數(shù)據(jù)往往比較敏感，而且涉及隱私，本地訓(xùn)練可以提供更好的安全性。
項(xiàng)目地址：https://github.com/JacopoMangiavacchi/MNIST-CoreML-Training
MNIST 數(shù)據(jù)集
在這篇文章中，作者介紹了如何使用 MNIST 數(shù)據(jù)集部署一個(gè)圖像分類模型，值得注意的是，這個(gè) Core ML 模型是在 iOS 設(shè)備上直接訓(xùn)練的，而無需提前在其他 ML 框架中進(jìn)行訓(xùn)練。
作者在這里使用了一個(gè)很有名的數(shù)據(jù)集——MNIST 手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集。它提供了 60000 個(gè)訓(xùn)練樣本和 10000 個(gè)測(cè)試樣本，都是從 0 到 9 的 28x28 手寫數(shù)字黑白圖像。
LeNet CNN 架構(gòu)
如果你想了解 CNN 的細(xì)節(jié)和優(yōu)勢(shì)，從 LeNet 架構(gòu)著手是一個(gè)再好不過的起點(diǎn)。LeNet CNN+MNIST 數(shù)據(jù)集的組合是機(jī)器學(xué)習(xí)「訓(xùn)練」的標(biāo)準(zhǔn)組合，簡(jiǎn)直相當(dāng)于深度學(xué)習(xí)圖像分類的「Hello, World」。
這篇文章主要著眼于如何在 iOS 設(shè)備上直接為 MNIST 數(shù)據(jù)集構(gòu)建和訓(xùn)練一個(gè) LeNet CNN 模型。接下來，研究者將把它與基于著名的 ML 框架（如 TensorFlow）的經(jīng)典「Python」實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行比較。
在 Swift 中為 Core ML 的訓(xùn)練準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
在討論如何在 Core ML 中創(chuàng)建及訓(xùn)練 LeNet CNN 網(wǎng)絡(luò)之前，我們可以先看一下如何準(zhǔn)備 MNIST 訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以將其正確地 batch 至 Core ML 運(yùn)行中去。
在下列 Swift 代碼中，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的 batch 是專門為 MNIST 數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備的，只需將每個(gè)圖像的「像素」值從 0 到 255 的初始范圍歸一化至 0 到 1 之間的「可理解」范圍即可。
為 Core ML 模型（CNN）訓(xùn)練做準(zhǔn)備
處理好訓(xùn)練數(shù)據(jù)的 batch 并將其歸一化之后，現(xiàn)在就可以使用 SwiftCoreMLTools 庫在 Swift 的 CNN Core ML 模型中進(jìn)行一系列本地化準(zhǔn)備。
在下列的 SwiftCoreMLTools DSL 函數(shù)構(gòu)建器代碼中，還可以查看在相同的情況中如何傳遞至 Core ML 模型中。同時(shí)，也包含了基本的訓(xùn)練信息、超參數(shù)等，如損失函數(shù)、優(yōu)化器、學(xué)習(xí)率、epoch 數(shù)、batch size 等等。
使用 Adam 優(yōu)化器訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體參數(shù)如下：
接下來是構(gòu)建 CNN 網(wǎng)絡(luò)，卷積層、激活與池化層定義如下：
再使用一組與前面相同的卷積、激活與池化操作，之后輸入 Flatten 層，再經(jīng)過兩個(gè)全連接層后使用 Softmax 輸出結(jié)果。
得到的模型
剛剛構(gòu)建的 Core ML 模型有兩個(gè)卷積和最大池化嵌套層，在將數(shù)據(jù)全部壓平之后，連接一個(gè)隱含層，最后是一個(gè)全連接層，經(jīng)過 Softmax 激活后輸出結(jié)果。
基準(zhǔn) TensorFlow 2.0 模型
為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，尤其是運(yùn)行時(shí)間方面的訓(xùn)練效果，作者還使用 TensorFlow 2.0 重新創(chuàng)建了同一 CNN 模型的精確副本。
下方的的 Python 代碼展示了 TF 中的同一模型架構(gòu)和每層 OutPut Shape 的情況：
可以看到，這里的層、層形狀、卷積過濾器和池大小與使用 SwiftCoreMLTools 庫在設(shè)備上創(chuàng)建的 Core ML 模型完全相同。
比較結(jié)果
在查看訓(xùn)練執(zhí)行時(shí)間性能之前，首先確保 Core ML 和 TensorFlow 模型都訓(xùn)練了相同的 epoch 數(shù)（10），用相同的超參數(shù)在相同的 10000 張測(cè)試樣本圖像上獲得非常相似的準(zhǔn)確度度量。
從下面的 Python 代碼中可以看出，TensorFlow 模型使用 Adam 優(yōu)化器和分類交叉熵?fù)p失函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，測(cè)試用例的最終準(zhǔn)確率結(jié)果大于 0.98。
Core ML 模型的結(jié)果如下圖所示，它使用了和 TensorFlow 相同的優(yōu)化器、損失函數(shù)以及訓(xùn)練集和測(cè)試集，可以看到，其識(shí)別準(zhǔn)確率也超過了 0.98。
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