[Swift, Машинное обучение, Программирование, Разработка под iOS] Реализуем машинное обучение на iOS устройстве с использованием Core ML, Swift и Neural Engine (перевод)

Автор Сообщение
news_bot ®

Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286

Создавать темы news_bot ® написал(а)
30-Июл-2020 20:31

Привет, хабр! В преддверии старта продвинутого курса «Разработчик iOS», мы традиционно подготовили для вас перевод полезного материала.

Введение
Core ML — это библиотека машинного обучения, выпущенная в свет Apple на WWDC 2017.
Она позволяет iOS разработчикам добавлять в свои приложения персонализированный опыт в режиме реального времени с использованием передовых локальных моделей машинного обучения с помощью Neural Engine.
Обзор чипа A11 Bionic

Начинка чипа A11 Bionic
Количество транзисторов: 4.3 миллиарда
Количество ядер: 6 ядер ARM (64 бита) – 2 высокочастотных (2.4 ГГц) — 4 с низким энергопотреблением
Количество графических процессоров: 3
Neural Engine – 600 базовых операций в секунду

12 сентября 2017 Apple представила миру чип A11 Bionic с Neural Engine. Это нейросетевое аппаратное обеспечение может выполнять до 600 базовых операций в секунду (BOPS) и используется для FaceID, Animoji и других задач машинного обучения. Разработчики могут использовать Neural Engine с помощью Core ML API.
Core ML оптимизирует производительность на устройстве за счет использования ресурсов центрального процессора, графического процессора и Neural Engine, минимизируя объем памяти и энергопотребление.
Запуск модели локально на устройстве пользователя устраняет необходимость в сетевом подключении, что помогает сохранять конфиденциальность данных пользователя и улучшает отклик вашего приложения.

Core ML является основой для фреймворков и функционала данной предметной области. Core ML поддерживает Vision для анализа изображений, Natural Language для обработки текста, Speech для преобразования звука в текст и Sound Analysis для идентификации звуков в аудио.

Core ML API
Мы можем легко автоматизировать задачу построения моделей машинного обучения, что включают в себя обучение и тестирование модели, используя Playground, и интегрировать полученный файл модели в наш iOS проект.
Совет для новичков: Выделяйте отдельные метки для задач классификации.


Общая блок-схема Core ML
Ладно. Что мы будем создавать?
В этом уроке я покажу вам, как построить модель классификатора изображений с использованием Core ML, который может классифицировать изображения апельсинов (Orange) и клубники (Strawberry), и добавить эту модель в наше iOS приложение.

Модель классификатора изображений.
Подсказка для новичков: Классификация изображений относится к задачам обучения с учителем, в которых мы используем помеченные данные (в нашем случае метка (label) — название изображения).


Необходимый минимум:
  • Знание языка Swift
  • Основы iOS разработки
  • Понимание концепций объектно-ориентированного программирования

Прикладные программы:
  • X-code 10 или более поздняя версия
  • iOS SDK 11.0+
  • macOS 10.13+

Сбор данных

При сборе данных для классификации изображений следуйте следующим рекомендациям Apple.
  • Используйте минимум 10 изображений на категорию — чем больше, тем лучше.
  • Избегайте сильно несбалансированных наборов данных, подготовив примерно равное количество изображений на каждую категорию.
  • Сделайте вашу модель более надежной, включив параметры Create ML UI’s Augmentation: Crop, Rotate, Blur, Expose, Noise и Flip.
  • Не брезгуйте избыточностью для своих тренировочных наборов: снимайте много изображений под разными углами, с разным фоном и в разных условиях освещения. Имитируйте реальные условия съемки, включая шум и размытость изображения.
  • Сфотографируйте образцы объектов в ваших руках, чтобы имитировать реальных пользователей, которые пытаются классифицировать объекты в своих руках.
  • Исключайте из поля зрения другие объекты, особенно те, которые вы хотите классифицировать по-другому.

После того как вы собрали ваш набор данных (Data Set), разделите его на обучающий (Train) и проверочный (Test) наборы и поместите их в соответствующие папки

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ : Убедитесь что вы распределили изображения по соответствующим папкам внутри папки test. Потому что имя папки служит меткой для наших изображений.


В нашем случае у нас есть две папки, в каждой из которых лежат соответствующие изображения.
Создание модели


Не паникуйте! Apple значительно упростила эту задачу, автоматизировав основные этапы.
С Core ML вы можете использовать уже обученную модель для классификации входных данных или создать свою собственную. Для применения моделей классификации к изображениям и предварительной обработки этих изображений, и чтобы сделать задачи машинного обучения более простыми и надежными, с Core ML уже работает фреймворк Vision.
Просто следуйте этим шагам.
ШАГ 1: Откройте ваш X-code.
ШАГ 2: Создайте чистую Swift Playground.
ШАГ 3: Удалите код сгенерированный по умолчанию, добавьте следующую программу и запустите playground.
import CreateMLUI //Импортируем нужный модуль
   let builder = MLImageClassifierBuilder()
//Создаем инстанс MLImageClassifierBuilder
   builder.showInLiveView()
//Показывает интерфейс редактора Xcode Model builder

Описание:
Здесь мы открываем интерфейс билдера модели по умолчанию предоставленного XCode.
ШАГ 4: Перетащите папку с обучающей выборкой в область обучения.

Поместите папку с обучающей выборкой в область обучения, обозначенную пунктирными линиями.
Совет для новичков : Мы также можем указать произвольное имя для нашей модели, щелкнув стрелку вниз в области обучения.

Шаг 5: Xcode автоматически обработает изображение и начнет процесс обучения. По умолчанию на обучение модели уходит 10 итераций, в зависимости от характеристик вашего Mac и размера набора данных. Вы можете наблюдать за ходом обучения в окне терминала Playground.

Жду пока происходит обучение модели.
ШАГ 6: После завершения обучения вы можете проверить свою модель, перетащив папку Test в область тестирования. Xcode автоматически протестирует вашу модель и отобразит результат.

Как вы можете заметить, наша модель точно классифицировала изображения .
ШАГ 7: Сохраните вашу модель.


Интеграция в iOS приложение:
ШАГ 1: Откройте ваш X-code.
ШАГ 2: Создайте Single Page iOS приложение.
ШАГ 3: Откройте навигатор проекта.
ШАГ 4: Перетащите обученную модель в навигатор проекта.

Поместите вашу модель в навигатор проекта.
ШАГ 5: Откройте Main.storyboard и создайте простой интерфейс, как показано ниже, добавьте IBOutlets и IBActions для соответствующих представлений.

Добавьте UIImageView, UIButtons и UILabels.
ШАГ 6: Откройте файл ViewController.swift и добавьте следующий код в качестве расширения.
extension ViewController: UINavigationControllerDelegate, UIImagePickerControllerDelegate {
       func getimage() {
           let imagePicker = UIImagePickerController()
//Создайте объект UIImagePickerController()
           imagePicker.delegate = self //Установите контекст делегата
           imagePicker.sourceType = .photoLibrary  //Выбирете библиотеку фотографий пользователя в качестве источника
           imagePicker.allowsEditing = true  //Разрешите пользователю обрезать изображение
           present(imagePicker, animated: true)  //Всплывающее окно UIPickerView
       }
       func imagePickerController(_ picker: UIImagePickerController, didFinishPickingMediaWithInfo С: [UIImagePickerController.InfoKey: Any]) {
           let fimage = info[.editedImage] as!UIImage
//Получает выбранное пользователем изображение с ключом .editedImage из словаря info
           //Приведение типа изображения к UIImage
           fruitImageView.image = fimage
//Установите выбранное изображение в UIImageView
           dismiss(animated: true, completion: nil)  //Закрывает окно выбора изображений, когда пользователь выбрал изображение
       }
       func imagePickerControllerDidCancel(_ picker: UIImagePickerController) {
           dismiss(animated: true, completion: nil)
//Если пользователь не хочет выбирать изображение, закрывает представление средства выбора изображений
       }
   }

Описание: Здесь мы создаем расширение для нашего класса ViewController и реализуем UINavigationControllerDelegate и UIImagePickerControllerDelegate, чтобы отобразить UIImagePickerView когда пользователь нажимает PickImage UIButton. Убедитесь, что вы установили контекст делегата.

Шаги связанные с доступом к модели Core ML в iOS приложении


ШАГ 1: Убедитесь, что вы импортировали следующие библиотеки.
import CoreML
import Vision

ШАГ 2: Создайте экземпляр нашего класса Core ML модели.
let modelobj = ImageClassifier()

ШАГ 3: Чтобы заставить Core ML произвести классификацию, мы должны сначала сформировать запрос типа VNCoreMLRequest (VN обозначает Vision)
var myrequest: VNCoreMLRequest?
//Создает экземпляр VNCoreMLRequest
myrequest = VNCoreMLRequest(model: fruitmodel, completionHandler: { (request, error) in
//Инстанцируется посредством передачи объекта модели
               //Этот обработчик вызывается, когда запрос был выполнен Core ML
               self.handleResult(request: request, error: error)
//Вызов пользовательской функции
                                                     })

ШАГ 4: Убедитесь, что вы обрезали изображение так, чтобы оно было совместимо с моделью Core ML.
myrequest!.imageCropAndScaleOption = .centerCrop

ШАГ 5: Поместите вышеуказанный код в пользовательскую функцию, которая возвращает объект запроса.
func mlrequest() - > VNCoreMLRequest {
        var myrequest: VNCoreMLRequest ?
            let modelobj = ImageClassifier()
        do {
            let fruitmodel =
                try VNCoreMLModel(
                    for: modelobj.model)
           myrequest = VNCoreMLRequest(model: fruitmodel, completionHandler: {
                (request, error) in self.handleResult(request: request, error: error)
           })
       } catch {
           print("Unable to create a request")
       }
       myrequest!.imageCropAndScaleOption = .centerCrop
        return myrequest!
    }

ШАГ 6: Теперь мы должны преобразовать наш UIImage в CIImage (CI:CoreImage), чтобы его можно было использовать в качестве входных данных для нашей Core ML модели. Это можно легко сделать, создав экземпляр CIImage, передав UIImage в конструкторе.
guard  let ciImage = CIImage(image: image)  else {
       return
    }

ШАГ 7: Теперь мы можем обработать наш VNCoreMLRequest, создав обработчик запроса и передав ciImage.
let handler = VNImageRequestHandler(ciImage: ciImage)

ШАГ 8: Запрос может быть выполнен с помощью вызова метода perform() и передачи в качестве параметра VNCoreMLRequest.
DispatchQueue.global(qos: .userInitiated).async {
       let handler = VNImageRequestHandler(ciImage: ciImage)
       do {
           try handler.perform([self.mlrequest()])
       } catch {
           print("Failed to get the description")
       }
   }

Описание: DispatchQueue — это объект, который управляет выполнением задач последовательно (или одновременно) в основном (или фоновом) потоке вашего приложения.
ШАГ 10: Поместите вышеуказанный код в пользовательскую функцию, как показано ниже.
func excecuteRequest(image: UIImage) {
            guard
            let ciImage = CIImage(image: image)
            else {
                return
            }
            DispatchQueue.global(qos: .userInitiated).async {
                let handler = VNImageRequestHandler(ciImage: ciImage)
                do {
                    try handler.perform([self.mlrequest()])
                } catch {
                    print("Failed to get the description")
                }
            }

ШАГ 11: Создайте пользовательскую функцию с именем handleResult(), которая принимает объект VNRequest и объект ошибки в качестве параметров. Эта функция будет вызываться после завершения VNCoreMLRequest.
func handleResult(request: VNRequest, error: Error ? ) {
       if let classificationresult = request.results as ? [VNClassificationObservation] {// Приведение типа запроса к массиву VNClassificationObservation
           DispatchQueue.main.async {
               self.fruitnamelbl.text = classificationresult.first!.identifier//Обновление UILabel идентификатором первого элемента в массиве путем доступа к тексту prperty
                print(classificationresult.first!.identifier)
            }
        }
        else {
            print("Unable to get the results")
        }
    }

Примечание: DispatchQueue.main.async используется для обновления объектов UIKit (в нашем случае это UILabel) с использованием UI Thread или Main Thread, поскольку все задачи классификации выполняются в фоновом потоке (background thread).


Листинг ViewController.Swift
import UIKit
    import CoreML
    import Vision
    class ViewController: UIViewController {
        var name: String = ""
        @IBOutlet weak
        var fruitnamelbl: UILabel!@IBOutlet weak
        var fruitImageView: UIImageView!override func viewDidLoad() {
            super.viewDidLoad()
            // Выполняйте любую дополнительную настройку после загрузки представления.
        }
        @IBAction func classifybtnclicked(_ sender: Any) {
            excecuteRequest(image: fruitImageView.image!)
        }
        @IBAction func piclimage(_ sender: Any) {
            getimage()
        }
        func mlrequest() - > VNCoreMLRequest {
            var myrequest: VNCoreMLRequest ?
                let modelobj = ImageClassifier()
           do {
                let fruitmodel =
                    try VNCoreMLModel(
                        for: modelobj.model)
                myrequest = VNCoreMLRequest(model: fruitmodel, completionHandler: {
                    (request, error) in self.handleResult(request: request, error: error)
                })
            } catch {
                print("Unable to create a request")
            }
            myrequest!.imageCropAndScaleOption = .centerCrop
            return myrequest!
        }
        func excecuteRequest(image: UIImage) {
            guard
            let ciImage = CIImage(image: image)
            else {
                return
            }
            DispatchQueue.global(qos: .userInitiated).async {
                let handler = VNImageRequestHandler(ciImage: ciImage)
                do {
                    try handler.perform([self.mlrequest()])
                } catch {
                    print("Failed to get the description")
                }
            }
        }
        func handleResult(request: VNRequest, error: Error ? ) {
            if let classificationresult = request.results as ? [VNClassificationObservation] {
                DispatchQueue.main.async {
                    self.fruitnamelbl.text = classificationresult.first!.identifier
                    print(classificationresult.first!.identifier)
                }
            }
            else {
                print("Unable to get the results")
            }
        }
    }
    extension ViewController: UINavigationControllerDelegate, UIImagePickerControllerDelegate {
        func getimage() {
            let imagePicker = UIImagePickerController()
            imagePicker.delegate = self
            imagePicker.sourceType = .photoLibrary
            imagePicker.allowsEditing = true
            present(imagePicker, animated: true)
        }
        func imagePickerController(_ picker: UIImagePickerController, didFinishPickingMediaWithInfo info: [UIImagePickerController.InfoKey: Any]) {
            let fimage = info[.editedImage] as!UIImage
            fruitImageView.image = fimage
            dismiss(animated: true, completion: nil)
        }
        func imagePickerControllerDidCancel(_ picker: UIImagePickerController) {
            dismiss(animated: true, completion: nil)
        }
    }

Все готово!

Теперь запустите ваш Simulator и протестируйте приложение.
Примечание: Убедитесь что в библиотеке фотографий вашего Simulator у вас есть фото апельсинов и клубники.


Нажмите кнопку Pick Image

Выберите любое изображение

Нажмите кнопку Classify

Выберите другую картинку и нажмите Classify
Ура:
Вы создали свое первое IOS приложение с использованием Core ML.
Еще:

===========
Источник:
habr.com
===========

===========
Автор оригинала: Sai Balaji
===========
Похожие новости: Теги для поиска: #_swift, #_mashinnoe_obuchenie (Машинное обучение), #_programmirovanie (Программирование), #_razrabotka_pod_ios (Разработка под iOS), #_swift, #_ios, #_coreml, #_blog_kompanii_otus._onlajnobrazovanie (
Блог компании OTUS. Онлайн-образование
)
, #_swift, #_mashinnoe_obuchenie (
Машинное обучение
)
, #_programmirovanie (
Программирование
)
, #_razrabotka_pod_ios (
Разработка под iOS
)
Профиль  ЛС 
Показать сообщения:     

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы

Текущее время: 22-Ноя 17:57
Часовой пояс: UTC + 5