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TensorFlow Lite 委托

简介

委托能够利用设备端的加速器(如 GPU 和数字信号处理器 (DSP) 来启用 TensorFlow Lite 模型的硬件加速。

默认情况下,TensorFlow Lite 会使用针对 ARM Neon 指令集进行了优化的 CPU 内核。但是,CPU 是一种多用途处理器,不一定会针对机器学习模型中常见的繁重计算(例如,卷积层和密集层中的矩阵数学)进行优化。

另一方面,大多数现代手机包含的芯片在处理这些繁重运算方面表现更好。将它们用于神经网络运算,可以在延迟和功率效率方面获得巨大好处。例如,GPU 可以在延迟方面提供高达 5 倍的加速,而 Qualcomm® Hexagon DSP 在我们的实验中显示可以降低高达 75% 的功耗。

这些加速器均具有支持自定义计算的相关 API,例如用于移动 GPU 的 OpenCLOpenGL ES,以及用于 DSP 的 Qualcomm® Hexagon SDK。通常情况下,您必须编写大量自定义代码才能通过这些接口运行神经网络。当考虑到每种加速器都各有利弊,并且无法执行神经网络中的所有运算时,事情就会变得更加复杂。TensorFlow Lite 的 Delegate API 通过作为 TFLite 运行时和这些较低级别 API 之间的桥梁,解决了这个问题。

runtime with delegates

选择委托

TensorFlow Lite 支持多种委托,每种委托都针对特定的平台和特定类型的模型进行了优化。通常情况下,会有多种委托适用于您的用例,这取决于两个主要标准:平台(Android 还是 iOS?),以及您要加速的模型类型(浮点还是量化?)。

按平台分类的委托

跨平台(Android 和 iOS)

  • GPU 委托 - GPU 委托在 Android 和 iOS 上均可使用。它经过了优化,可以在有 GPU 的情况下运行基于 32 位和 16 位浮点的模型。它还支持 8 位量化模型,并可提供与其浮点版本相当的 GPU 性能。有关 GPU 委托的详细信息,请参阅适用于 GPU 的 TensorFlow Lite。有关在 Android 和 iOS 上使用 GPU 委托的分步教程,请参阅 TensorFlow Lite GPU 委托教程

Android

  • 适用于较新 Android 设备的 NNAPI 委托 - NNAPI 委托可用于在具有 GPU、DSP 和/或 NPU 的设备上加速模型。它可在 Android 8.1 (API 27+) 或更高版本中使用。有关 NNAPI 委托的概述、分步说明和最佳做法,请参阅 TensorFlow Lite NNAPI 委托
  • 适用于较旧 Android 设备的 Hexagon 委托 - Hexagon 委托可用于在具有 Qualcomm Hexagon DSP 的 Android 设备上加速模型。它可以在运行较旧版本 Android(不支持 NNAPI)的设备上使用。请参阅 TensorFlow Lite Hexagon 委托,了解详细信息。

iOS

  • 适用于较新 iPhone 和 iPad 的 Core ML 委托 - 对于提供了 Neural Engine 的较新的 iPhone 和 iPad,您可以使用 Core ML 委托来加快 32 位或 16 位 浮点模型的推断。Neural Engine 适用于具有 A12 SoC 或更高版本的 Apple 移动设备。有关 Core ML 委托的概述和分步说明,请参阅 TensorFlow Lite Core ML 委托

按模型类型分类的委托

每种加速器的设计都考虑了一定的数据位宽。如果为仅支持 8 位量化运算的委托(例如 Hexagon 委托)提供浮点模型,它将拒绝其所有运算,并且模型将完全在 CPU 上运行。为了避免此类意外,下面提供了基于模型类型的委托支持情况一览表:

模型类型 GPU NNAPI Hexagon CoreML
浮点(32 位)
训练后 float16 量化
训练后动态范围量化
训练后整数量化
量化感知训练

验证性能

本部分的信息可作为一个粗略指南,用于筛选可以改进您的应用的委托。但是,需要注意的是,每种委托都有一组支持的预定义运算,且执行情况可能会因模型和设备而异;例如,NNAPI 委托可能会选择在 Pixel 手机上使用 Google 的 Edge-TPU,而在其他设备上使用 DSP。因此,通常建议您进行一些基准测试,以衡量委托对您的需求有多大用处。这还有助于判断与将委托附加到 TensorFlow Lite 运行时相关的二进制文件大小的增加是否合理。

TensorFlow Lite 拥有丰富的性能和准确率评估工具,可以让开发者有信心在其应用中使用委托。下一部分将讨论这些工具。

评估工具

延迟和内存占用

TensorFlow Lite 的基准测试工具可以使用合适的参数来评估模型性能,包括平均推断延迟、初始化开销、内存占用等。此工具支持多个标志,以确定模型的最佳委托配置。例如,可以使用 --use_gpu 指定 --gpu_backend=gl,以衡量 OpenGL 的 GPU 执行情况。详细文档中定义了受支持的委托参数的完整列表。

下面是一个通过 adb 使用 GPU 运行量化模型的示例:

adb shell /data/local/tmp/benchmark_model \
  --graph=/data/local/tmp/mobilenet_v1_224_quant.tflite \
  --use_gpu=true

您可以在此处下载该工具的 Android 64 位 ARM 架构预构建版本(详细信息)。

准确率和正确性

委托通常会以不同于 CPU 的精度执行计算。因此,在利用委托进行硬件加速时,会有(通常较小的)精度折衷。请注意,情况并不总是这样;例如,由于 GPU 会使用浮点精度来运行量化模型,精度可能会略有提升(例如,ILSVRC 图像分类 Top-5 提升 <1%)。

TensorFlow Lite 有两种类型的工具来衡量委托对于给定模型的行为准确性:基于任务的工具和与任务无关的工具。本节描述的所有工具都支持前一部分基准测试工具使用的高级委托参数。请注意,下面的小节关注的是委托评估(委托是否与 CPU 性能相同)而非模型评估(模型本身是否适合任务)。

基于任务的评估

TensorFlow Lite 具有用于评估两个基于图像的任务的正确性的工具:

这些工具(Android,64 位 ARM 架构)的预构建二进制文件以及文档可在以下位置找到:

下面的示例演示了在 Pixel 4 上利用 Google 的 Edge-TPU 使用 NNAPI 进行的图像分类评估

adb shell /data/local/tmp/run_eval \
  --model_file=/data/local/tmp/mobilenet_quant_v1_224.tflite \
  --ground_truth_images_path=/data/local/tmp/ilsvrc_images \
  --ground_truth_labels=/data/local/tmp/ilsvrc_validation_labels.txt \
  --model_output_labels=/data/local/tmp/model_output_labels.txt \
  --output_file_path=/data/local/tmp/accuracy_output.txt \
  --num_images=0 # Run on all images. \
  --use_nnapi=true \
  --nnapi_accelerator_name=google-edgetpu

预期的输出是一个从 1 到 10 的 Top-K 指标列表:

Top-1 Accuracy: 0.733333
Top-2 Accuracy: 0.826667
Top-3 Accuracy: 0.856667
Top-4 Accuracy: 0.87
Top-5 Accuracy: 0.89
Top-6 Accuracy: 0.903333
Top-7 Accuracy: 0.906667
Top-8 Accuracy: 0.913333
Top-9 Accuracy: 0.92
Top-10 Accuracy: 0.923333

与任务无关的评估

对于没有现成设备端评估工具的任务,或者如果您在尝试使用自定义模型,TensorFlow Lite 提供了 Inference Diff 工具。(Android,64 位 ARM 二进制架构二进制文件见此处

Inference Diff 会比较以下两种设置的 TensorFlow Lite 执行情况(在延迟和输出值偏差方面):

  • 单线程 CPU 推断
  • 用户定义的推断 - 由这些参数定义

为此,该工具会生成随机高斯数据,并将其传递给两个 TFLite 解释器:一个运行单线程 CPU 内核,另一个通过用户参数进行参数化。

它会以每个元素为基础,测量两者的延迟,以及每个解释器的输出张量之间的绝对差。

对于具有单个输出张量的模型,输出可能如下所示:

Num evaluation runs: 50
Reference run latency: avg=84364.2(us), std_dev=12525(us)
Test run latency: avg=7281.64(us), std_dev=2089(us)
OutputDiff[0]: avg_error=1.96277e-05, std_dev=6.95767e-06

这意味着,对于索引 0 处的输出张量,CPU 输出的元素与委托输出的元素平均相差 1.96e-05

请注意,解释这些数字需要对模型和每个输出张量的含义有更深入的了解。如果它是确定某种得分或嵌入向量的简单回归,那么差异应该很小(否则为委托错误)。然而,像 SSD 模型中的“检测类”这样的输出有点难以解释。例如,使用此工具可能会显示出差异,但这并不意味着委托真的有什么问题:请考虑两个(假)类:“TV (ID: 10)”,“Monitor (ID:20)”。如果某个委托稍微偏离了黄金真理,并且显示的是 Monitor 而非 TV,那么这个张量的输出差异可能会高达 20-10 = 10。