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基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

2018年01月30日 10:01 次阅读

  我们可以对神经网络架构进行优化,使之适配微控制器的内存和计算限制范围,并且不会影响精度。我们将在本文中解释和探讨深度可分离卷积神经网络在 Cortex-M 处理器上实现关键词识别的潜力。

  基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

  关键词识别 (KWS) 对于在智能设备上实现基于语音的用户交互十分关键,需要实时响应和高精度,才能确保良好的用户体验。最近,神经网络已经成为 KWS 架构的热门选择,因为与传统的语音处理算法相比,神经网络的精度更胜一筹。

  基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

  关键词识别神经网络管道

  由于要保持“永远在线”,KWS 应用的功耗预算受到很大限制。虽然 KWS 应用也可在专用 DSP 或高性能 CPU 上运行,但更适合在 Arm Cortex-M 微控制器上运行,有助于最大限度地降低成本,Arm Cortex-M 微控制器经常在物联网边缘用于处理其他任务。

  但是,要在基于 Cortex-M 的微控制器上部署基于神经网络的 KWS,我们面临着以下挑战:

  1. 有限的内存空间

  典型的 Cortex-M 系统最多提供几百 KB 的可用内存。这意味着,整个神经网络模型,包括输入/输出、权重和激活,都必须在这个很小的内存范围内运行。

  2. 有限的计算资源

  由于 KWS 要保持永远在线,这种实时性要求限制了每次神经网络推理的总运算数量。

  以下是适用于 KWS 推理的典型神经网络架构:

  • 深度神经网络 (DNN)

  DNN 是标准的前馈神经网络,由全连接层和非线性激活层堆叠而成。

  • 卷积神经网络 (CNN)

  基于 DNN 的 KWS 的一大主要缺陷是无法为语音功能中的局域关联性、时域关联性、频域关联性建模。CNN 则可将输入时域和频域特征当作图像处理,并且在上面执行 2D 卷积运算,从而发现这种关联性。

  • 循环神经网络 (RNN)

  RNN 在很多序列建模任务中都展现出了出色的性能,特别是在语音识别、语言建模和翻译中。RNN 不仅能够发现输入信号之间的时域关系,还能使用“门控”机制来捕捉长时依赖关系。

  • 卷积循环神经网络 (CRNN)

  卷积循环神经网络是 CNN 和 RNN 的混合,可发现局部时间/空间关联性。CRNN 模型从卷积层开始,然后是 RNN,对信号进行编码,接下来是密集全连接层。

  • 深度可分离卷积神经网络 (DS-CNN)

  最近,深度可分离卷积神经网络被推荐为标准 3D 卷积运算的高效替代方案,并已用于实现计算机视觉的紧凑网络架构。

  DS-CNN 首先使用独立的 2D 滤波,对输入特征图中的每个通道进行卷积计算,然后使用点态卷积(即 1x1),合并纵深维度中的输出。通过将标准 3D 卷积分解为 2D和后续的 1D,参数和运算的数量得以减少,从而使得更深和更宽的架构成为可能,甚至在资源受限的微控制器器件中也能运行。

  在 Cortex-M 处理器上运行关键词识别时,内存占用和执行时间是两个最重要因素,在设计和优化用于该用途的神经网络时,应该考虑到这两大因素。以下所示的神经网络的三组限制分别针对小型、中型和大型 Cortex-M 系统,基于典型的 Cortex-M 系统配置。

  基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

  KWS 模型的神经网络类别 (NN) 类别,假定每秒 10 次推理和 8 位权重/激活

  要调节模型,使之不超出微控制器的内存和计算限制范围,必须执行超参数搜索。下表显示了神经网络架构及必须优化的相应超参数。

  基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

  神经网络超参数搜索空间

  首先执行特征提取和神经网络模型超参数的穷举搜索,然后执行手动选择以缩小搜索空间,这两者反复执行。下图总结了适用于每种神经网络架构的最佳性能模型及相应的内存要求和运算。DS-CNN 架构提供最高的精度,而且需要的内存和计算资源也低得多。

  基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

  最佳神经网络模型中内存与运算/推理的关系

  KWS 应用部署在基于 Cortex-M7 的 STM32F746G-DISCO 开发板上(如下图所示),使用包含 8 位权重和 8 位激活的 DNN 模型,KWS 在运行时每秒执行 10 次推理。每次推理(包括内存复制、MFCC 特征提取、DNN 执行)花费大约 12 毫秒。为了节省功耗,可让微控制器在余下时间处于等待中断 (WFI) 模式。整个 KWS 应用占用大约 70 KB 内存,包括大约 66 KB 用于权重、大约 1 KB 用于激活、大约 2 KB 用于音频 I/O 和 MFCC 特征。

  基于Cortex-M处理器上实现高精度关键词语音识别

  Cortex-M7 开发板上的 KWS 部署

  总而言之,Arm Cortex-M 处理器可以在关键词识别应用中达到很高的精度,同时通过调整网络架构来限制内存和计算需求。DS-CNN 架构提供最高的精度,而且需要的内存和计算资源也低得多。

  代码、模型定义和预训练模型可从 github.com/ARM-software 获取。

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发表于 2018-03-13 09:22 439次阅读
美国谷歌日前发布72量子比特处理器“狐尾松”

前安卓阵营的第一旗舰三星s8遇上iphonex会...

作为目前安卓阵营的第一旗舰,三星S9当之无愧,除了彪悍的性能外,其还全球首发了骁龙845处理器,现在...

发表于 2018-03-12 15:35 649次阅读
前安卓阵营的第一旗舰三星s8遇上iphonex会...

5G将打破手机处理器一家独大局面

紫光集团旗下的紫光展锐凭借在手机市场的杰出表现,跃升全球第十Fabless,成为国内唯二进入前十榜单...

发表于 2018-03-12 13:32 557次阅读
5G将打破手机处理器一家独大局面

AMD专用晶圆格芯预计2019年推出7nm第2代...

外媒报导指出,处理器大厂 AMD 的第 2 代 Ryzen 2000 系列处理器相关参数,以及价格正...

发表于 2018-03-11 20:11 144次阅读
AMD专用晶圆格芯预计2019年推出7nm第2代...

处理器一条指令需要几个时钟周期

 时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时...

发表于 2018-03-11 09:58 148次阅读
处理器一条指令需要几个时钟周期

全新奥迪A6的七大核心技术解析

透过全新奥迪A6技术盘点,我想我应该解答了不少你心中的疑问。没错,它更轻、更运动,也更有科技感,甚至...

发表于 2018-03-11 01:44 396次阅读
全新奥迪A6的七大核心技术解析

大师教你如何制作一个简单的16位CPU

与mv指令类似,mvi指令也将一个数据送入Rx当中,只不过这次的数据存在指令当中,是立即数,所以Rx...

发表于 2018-03-09 14:23 1077次阅读
大师教你如何制作一个简单的16位CPU

分析一个案例:MSP432 MCU语音识别器库

感应应用的物理体积越来越小。无论您是设计出需要在工厂中收集的远程工业传感器节点(图1),抑或是下一个...

发表于 2018-03-08 09:18 1885次阅读
分析一个案例:MSP432 MCU语音识别器库

一个改变人机交互方式的全新切入点:语音接口

发表于 2018-03-06 18:25 594次阅读
一个改变人机交互方式的全新切入点:语音接口

CPU、MCU、FPGA、SoC芯片

目前世界上有两种文明,一种是人类社会组成的的碳基文明,一种是各种芯片组成的硅基文明。

发表于 2018-03-05 15:34 769次阅读
CPU、MCU、FPGA、SoC芯片

为什么不看好科大讯飞

从2013年来,资本市场对于科大讯飞未来的发展前景充满了期待,特别是在“中国移动”入股以后,普遍认为...

发表于 2018-03-05 14:16 1065次阅读
为什么不看好科大讯飞

MWC2018未来旗舰处理器预测 骁龙845是...

每一代的骁龙800系列移动平台都集创新设计和强大功能于一身,其所带来的性能和功效均超乎想象,它不但赋...

发表于 2018-03-02 16:24 636次阅读
 MWC2018未来旗舰处理器预测 骁龙845是...

语音市场正在迅猛成长 正在改变旅游产业

EyeforTravel最新报告《Can Voice Change the Way We Trave...

发表于 2018-03-01 08:41 95次阅读
语音市场正在迅猛成长 正在改变旅游产业

一文了解人机交互中语音识别技术

语音控制和操作的游戏和玩具、帮助残疾人的语音识别系统、车辆行驶中一些非关键功能的语音控制,如车载交通...

发表于 2018-02-28 08:54 1549次阅读
一文了解人机交互中语音识别技术

高通推处理器AI引擎 GPU和DSP组件首先启用

目前,大多数移动机器学习(ML)任务(如图像或语音识别)都在云中执行。智能手机将数据发送到云端,并将...

发表于 2018-02-26 19:47 269次阅读
高通推处理器AI引擎 GPU和DSP组件首先启用

【AD新闻】联发科靠全新P系列处理器反扑:小米OV捧场

发表于 2018-02-26 12:33 722次阅读
【AD新闻】联发科靠全新P系列处理器反扑:小米OV捧场

中科院和阿里云发布11比特的云接入超导量子处理器

量子计算具有划时代意义,近日报道中科院阿里云发布11比特云超导量子处理器,不仅能用于了解处理器的性能...

发表于 2018-02-26 12:03 211次阅读
中科院和阿里云发布11比特的云接入超导量子处理器

联发科反击战打响 P系列处理器决战2018

今年的联发科将会迎来不一样的发展,将改去年的萎靡,上演一场精彩的反扑大戏。据悉联发科的订单将从今年3...

发表于 2018-02-24 14:49 565次阅读
联发科反击战打响 P系列处理器决战2018

未来智能家居的“Dreaam House”

而能让整个家庭都实现智能化,每样东西都能与你的各种终端设备紧密相连,这就依靠了英特尔® 物联网技术开...

发表于 2018-02-23 10:54 1176次阅读
未来智能家居的“Dreaam House”

通过printf从目标板到调试器的输出

发表于 2017-09-13 12:21 637次阅读
通过printf从目标板到调试器的输出

半导体芯片64位与32位,究竟有何不同?

发表于 2017-09-07 10:31 841次阅读
半导体芯片64位与32位,究竟有何不同?

组装手机的格调似乎不太高,不如再搞件大事,做一枚处理器玩玩。

发表于 2017-08-12 15:26 742次阅读
组装手机的格调似乎不太高,不如再搞件大事,做一枚处理器玩玩。

初创公司该怎样在语音识别领域(AI)寻找到自己的乐园?

发表于 2017-07-17 12:59 447次阅读
初创公司该怎样在语音识别领域(AI)寻找到自己的乐园?

【MYS-6ULX-IoT试用体验】虚拟机安装与配置编译工具

发表于 2017-06-26 11:40 8142次阅读
【MYS-6ULX-IoT试用体验】虚拟机安装与配置编译工具

ARM处理器的节能优势

发表于 2017-06-18 10:27 567次阅读
ARM处理器的节能优势

全球首颗非冯诺伊曼架构处理器即将面世,到底哪种工作模式更有优势?

发表于 2017-06-14 09:26 2899次阅读
全球首颗非冯诺伊曼架构处理器即将面世,到底哪种工作模式更有优势?

【Orange Pi Zero Plus2试用体验】香橙派创客神器开箱鉴赏

发表于 2017-06-12 17:34 2280次阅读
【Orange Pi Zero Plus2试用体验】香橙派创客神器开箱鉴赏

iMX8方案服务- 辰汉

发表于 2017-06-12 17:13 994次阅读
iMX8方案服务- 辰汉