基于K210開發(fā)板的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)設(shè)計(jì)*

摘? 要? 以人工智能課程中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為例，設(shè)計(jì)基于人工智能開發(fā)板的應(yīng)用案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在幫助學(xué)生掌握算法理論的同時(shí)，有效培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞? 人工智能；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；K210開發(fā)板；機(jī)器學(xué)習(xí)；邊緣智能

中圖分類號(hào)：G633.67? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）17-0031-03

0? 引言

目前，人工智能課程教學(xué)已在中小學(xué)普遍實(shí)施，因課程專業(yè)理論體系涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟硬件等課程基礎(chǔ)，給課程的有效落地實(shí)施帶來一定難度。日常教學(xué)如單純等同于一般計(jì)算機(jī)語言教學(xué)，則會(huì)使學(xué)生感覺枯燥乏味；在教學(xué)實(shí)踐中如恰當(dāng)引入開源硬件單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，則會(huì)使課程實(shí)施達(dá)到事半功倍的效果。機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的訓(xùn)練通常在電源充足和計(jì)算性能強(qiáng)勁的遠(yuǎn)程服務(wù)器中及云端進(jìn)行，當(dāng)訓(xùn)練完成后，機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)就可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)分析新的數(shù)據(jù)即推演。機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的推演過程通常在本地即在邊緣設(shè)備完成。為此，為增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)實(shí)效，突出工程實(shí)踐性教學(xué)，教學(xué)中在通俗講解機(jī)器學(xué)習(xí)課程算法基礎(chǔ)和模型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)邊緣智能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從而極大對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和課堂教學(xué)質(zhì)量。以下從經(jīng)典的深度學(xué)習(xí)模型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析入手，基于K210開發(fā)板進(jìn)行邊緣智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1? 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析

通常數(shù)學(xué)卷積的卷積核需要翻轉(zhuǎn)，而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷積是提取圖像特征進(jìn)行加權(quán)求和，不翻轉(zhuǎn)，稱為互相關(guān)，也稱為不翻轉(zhuǎn)卷積，其卷積核是根據(jù)數(shù)據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)的參數(shù)，不是給定的，無論翻轉(zhuǎn)與否，對(duì)應(yīng)的都是待學(xué)習(xí)的未知參數(shù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）與全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）都屬于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其正向傳播的算法原理大致相同，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可看作一個(gè)復(fù)合函數(shù)。按照現(xiàn)有經(jīng)典著作講解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算損失函數(shù)關(guān)于權(quán)重參數(shù)梯度的常規(guī)算法非常煩瑣。為此，借鑒計(jì)算機(jī)進(jìn)行矩陣運(yùn)算轉(zhuǎn)為向量運(yùn)算這一思想，將卷積核和卷積層矩陣平鋪拼接為向量形式，就得到類似全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播公式，相應(yīng)的反向傳播求導(dǎo)就可以簡化。

1.1? 卷積圖像轉(zhuǎn)為列向量（求傳播誤差）

1.1.1? 前向傳播

將待卷積圖像矩陣（按行向量優(yōu)先）轉(zhuǎn)為列向量X（活性值）、卷積核W（按行向量優(yōu)先）拼接為行向量（與待卷積圖像矩陣元素不相關(guān)的對(duì)應(yīng)位置處以0為間隔拼接），以卷積子圖像數(shù)為矩陣行數(shù)轉(zhuǎn)換成新矩陣A，由矩陣相乘再加偏置向量b得到卷積后列向量Y（凈活性值），等價(jià)于卷積圖像與卷積核W做互相關(guān)運(yùn)算（特稱為正向卷積，為窄卷積）。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)l層的前向傳播公式變?yōu)椋篩=AXl+b，Xl=f（Yl-1）。

1.1.2? 反向傳播

卷積操作通過仿射變換（Y=AX）可實(shí)現(xiàn)由高維特征到低維特征的轉(zhuǎn)換，也可以轉(zhuǎn)置A實(shí)現(xiàn)低維到高維的反向映射。如果對(duì)上述卷積核經(jīng)鋪開拼接得到的矩陣A進(jìn)行轉(zhuǎn)置，然后與低維輸入向量Y做矩陣乘法即反向映射，得到高維輸出向量X，等價(jià)于卷積核W與正向卷積的輸出圖像做數(shù)學(xué)卷積運(yùn)算（稱為轉(zhuǎn)置卷積或反卷積，為寬卷積）[1]。

1.2? 卷積核轉(zhuǎn)為列向量（求參數(shù)梯度）

1.2.1? 前向傳播? 將卷積核矩陣所有行拼接為一個(gè)列向量（W），將輸入圖像X每個(gè)卷積子圖像（按照行優(yōu)先）拼接為一個(gè)行向量，所有卷積子圖像形成的行向量按原定的卷積順序組合形成矩陣A（矩陣行數(shù)為卷積子圖像數(shù)），前向傳播公式等價(jià)為：Y=AW+b。

1.2.2? 反向傳播

同樣可以借助轉(zhuǎn)置卷積，此轉(zhuǎn)置卷積等價(jià)于輸入卷積圖像與卷積輸出圖像做互相關(guān)運(yùn)算（為窄卷積）。根據(jù)卷積核或卷積圖像轉(zhuǎn)為列向量的前向傳播公式對(duì)偏置向量求導(dǎo)，為便于與對(duì)W求偏導(dǎo)數(shù)相統(tǒng)一，借助將卷積核轉(zhuǎn)為列向量的前向傳播公式Y(jié)=AW+b求導(dǎo)。

1.3? 匯聚層求導(dǎo)

因匯聚層為下采樣操作，當(dāng)?shù)趌層為匯聚層時(shí)，采取上采樣由l層的損失函數(shù)誤差得到第l-1層的損失函數(shù)誤差。上采樣之后，由于匯聚是一個(gè)線性函數(shù)的過程，因此要求針對(duì)上一層的Yl-1的梯度，中間只有一個(gè)上一層的Yl-1到Xl的激活函數(shù)。匯聚層下采樣有平均匯聚和最大匯聚兩種方法。

2? 邊緣智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

剖析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法原理后，便可以借助TensorFlow等深度學(xué)習(xí)開發(fā)框架進(jìn)行模型訓(xùn)練和測試，通常將由TensorFlow保存的HDF5模型轉(zhuǎn)換為TFLite格式，在正式進(jìn)入邊緣智能實(shí)驗(yàn)之前，由于NNC模型量化工具對(duì)TFLite格式支持較好，故需在電腦上將訓(xùn)練完成的模型轉(zhuǎn)換為TFLite格式后再進(jìn)行量化，生成KModel格式模型（由NNCase

工具轉(zhuǎn)換）供K210單片機(jī)調(diào)用。K210芯片架構(gòu)包含一個(gè)自研的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速器KPU以便進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算。KPU支持主流訓(xùn)練框架按照特定限制規(guī)則訓(xùn)練出來的定點(diǎn)化模型。教學(xué)實(shí)踐中以亞博智能K210開發(fā)板為載體，下載已在外部設(shè)備訓(xùn)練好的普適模型，基于開發(fā)板自帶傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試預(yù)測，從而實(shí)現(xiàn)一定功能。以下以亞博智能K210開發(fā)板（技術(shù)資料參考亞博智能K210開發(fā)板套件）為例，搭建基于C（亞博智能K210開發(fā)板隨機(jī)資料只提供C語言學(xué)習(xí)代碼）和Python兩種嵌入式開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)，調(diào)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)人臉識(shí)別案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)。

2.1? 基于C語言的環(huán)境搭建

人臉檢測技術(shù)，一是判斷圖片中是否包含人臉區(qū)域；二是如果圖片中存在人臉，將人臉的位置預(yù)測出來。推薦在Win10系統(tǒng)下通過VSCode編輯器搭建K210的開發(fā)環(huán)境。

2.1.1? 人臉檢測技術(shù)代碼流程及代碼

1）系統(tǒng)內(nèi)部初始化：①系統(tǒng)時(shí)鐘初始化；②串口初始化；③硬件引腳初始化；④IO電壓設(shè)置； ⑤系統(tǒng)中斷初始化；⑥Flash初始化。

2）外部硬件初始化：①LCD初始化；②OV2640（攝像頭）初始化。

3）人臉檢測初始化：①模型加載；②人臉檢測層配置初始化。

4）人臉檢測業(yè)務(wù)邏輯層：①等待攝像頭采集完成；②傳入攝像頭采集的圖像到KPU運(yùn)行模型；③等待KPU處理完成；④獲取KPU最終處理的結(jié)果；⑤把KPU處理的結(jié)果帶入?yún)^(qū)域?qū)佑?jì)算最終

位置；⑥根據(jù)獲取的人臉個(gè)數(shù)進(jìn)行逐一標(biāo)記。

核心代碼：

int main（void）

{

sysclock_init（）;? ?/*系統(tǒng)時(shí)鐘初始化*/

uarths_init（）;? ? ?/*串口初始化*/

hardware_init（）;? ?/*硬件引腳初始化*/

io_set_power（）;? ? /*設(shè)置IO口電壓*/

plic_init（）;? ? ? ?/*系統(tǒng)中斷初始化*/

printf（“flash init＼n”）;

w25qxx_init（3， 0）;? ? ? ? ? ?/*Flash init*/

w25qxx_enable_quad_mode（）;? ?/*Flash 四

倍模式開啟*/

/*KModel加載方式：1.分開燒錄模式；

2.直接與代碼合并編譯*/

#if LOAD_KMODEL_FROM_FLASH

model_data = （uint8_t*）malloc（KMODEL_

SIZE + 255）;

uint8_t *model_data_align（uint8_t*）（（（uintptr_t）model_data+255）&（～255））;

#else

uint8_t *model_data_align = model_data;

#endif

ov2640_init（）;

/*加載KModel，需要與NNCase配合使用*/

if （kpu_load_kmodel（&face_detect_task， model_

data_align） ！= 0）

{

printf（“＼nmodel init error＼n”）;

while （1）;

}

2.1.2? 代碼編譯? 把K210隨機(jī)資料中的 face_

detection文件夾復(fù)制到SDK中的src目錄下，然后進(jìn)入build目錄，刪除build目錄下所有文件，最后運(yùn)行以下命令編譯：

cmake .. -DPROJ=face_detection -G “MinGW Makefiles”?make

編譯完成后在build文件夾下生成對(duì)應(yīng)文件名的待燒寫二進(jìn)制文件。

2.1.3? 代碼燒錄

打開kflash下載程序?qū)⑸傻拇裏龑懚M(jìn)制文件燒錄到K210開發(fā)板。

2.2? 基于MicroPython的環(huán)境搭建

下載MaixPy固件到K210開發(fā)板（相當(dāng)于給開發(fā)板燒錄系統(tǒng)），MaixPy使用MicroPython腳本語法[2]，不像C語言一樣需要編譯，要使用MaixPy IDE，開發(fā)板固件必須是V0.3.1版本以上，否則MaixPy IDE連接不上開發(fā)板，使用前盡量都更新到最新版以保障能正常使用。通常一個(gè)固件文件中至少有四個(gè)文件，以“maixpy_v0.5.0_31_gd3e71c0”固件為例，具體說明如下。

1）eif_maixpy_v0.5.0_31_gd3e71c0.7z：普通用戶不用關(guān)心，用于死機(jī)調(diào)試。

2）maixpy_v0.5.0_31_gd3e71c0_m5stickv：M5STACK環(huán)境。

3）maixpy_v0.5.0_31_gd3e71c0_minimum：MaixPy固件最小集合，不支持MaixPy IDE，不包含OpenMV的相關(guān)算法。

4）maixpy_v0.5.0_31_gd3e71c0.bin：完整版的MaixPy固件。

正常使用的完整版MaixPy固件，搭建步驟如下所示。

1）確定開發(fā)板：工具—選擇開發(fā)板—kendryte?KD233。

2）安裝驅(qū)動(dòng)，選擇端口：工具—打開終端—串行端口—COM3—115200。

3）連接：圖標(biāo)綠色變紅色表示已連接。

主要代碼為：

import sensor

import image

import lcd

import KPU as kpu

import time

from Maix import FPIOA， GPIO

import gc

from fpioa_manager import fm

from board import board_info

import utime

task_fd = kpu.load（0x300000）

task_ld = kpu.load（0x400000）

task_fe = kpu.load（0x500000）

lcd.init（）

sensor.reset（）

sensor.set_pixformat（sensor.RGB565）

sensor.set_framesize（sensor.QVGA）

sensor.set_hmirror（0）

sensor.set_vflip（0）

sensor.skip_frames（）? ? /*跳過一些幀數(shù)，因?yàn)閿z像頭啟動(dòng)時(shí)圖像沒穩(wěn)定*/

lcd.init（invert=1）

sensor.run（1）

3? 結(jié)束語

在機(jī)器學(xué)習(xí)課程中引入邊緣智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以彌補(bǔ)教學(xué)實(shí)施“重軟輕硬”（即重視基礎(chǔ)理論教學(xué)，忽視實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)）的不足，引導(dǎo)一線教師重視邊緣智能實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)，有效提升人工智能課程的教學(xué)效益，為培養(yǎng)軟硬能力兼?zhèn)涞募夹g(shù)應(yīng)用人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱錫鵬.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020：115-129.

[2] 邵子揚(yáng).MicroPython入門指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018：6-22.

*項(xiàng)目來源：2021年度山東省教育教學(xué)研究一般課題“中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施范例研究”（課題編號(hào)：2021JXY383）。

作者：穆明，淄博市基礎(chǔ)教育研究院，高級(jí)教師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)算法（255033）。