当深度学习遇上嵌入式资源困境，特征空间如何破局？

近年来，随着人工智能（AI）技术的迅猛发展，深度学习（Deep Learning）成为最热门的研究领域之一。在语音识别、图像识别、自然语言处理等领域，深度学习取得了显著成果。从原理上看，深度学习通过多层神经网络的非线性变换拟合规律，理论上几乎可以描述和模拟一切规律，但实际上该过程效率极低 —— 其计算复杂度往往呈指数级增长。这一特性使得深度学习与端侧设备的资源约束存在根本性矛盾，导致其在端侧 AI 实施过程中屡屡碰壁。
 
端侧 AI 应用对模型的可解释性要求极高，而深度学习构建的多层抽象体系，本质上是用计算资源换取表征能力。这种逐层抽象机制需通过大量隐藏节点构建复杂映射，不仅可解释性差，在资源受限场景下的实际效果也不佳。因此，对于嵌入式 AI 和资源受限的应用场景，利用特征空间成为更优的解决方案，瑞萨电子的 Reality AI 工具便是典型实践。
 

深度学习不再是 “万能钥匙”

深度学习在诸多领域的突破性进展，曾使其被视作 “万能钥匙”，尤其是在生成式人工智能（AIGC）领域，已成为解决复杂问题的核心技术之一。
 
作为机器学习领域的重要分支，深度学习利用多层神经网络模拟数据的复杂模式。与传统机器学习方法不同，深度学习通过自学习方式从数据中提取特征，并进行多层次非线性变换，以解决图像识别、语音处理等复杂问题。以图像识别为例，底层网络学习边缘检测，中层组合纹理特征，高层完成语义理解，这种逐层抽象机制在理论上能拟合任何复杂规律。
 
下图展示了利用深度学习识别猫图片的应用示例：深度网络的最低层学习识别边缘、明暗梯度等视觉特征；更高层次网络将这些特征组合成各种模式；再高层次网络学习这些模式组合形成的标志性形态；最高层次网络进一步组合这些形态，从而识别出猫。
 

 
通过该示例可见，在拥有足够时间和数据的前提下，深度学习确实具备强大能力。然而，“足够的时间和数据” 这一前提条件，使其在资源和数据受限且实时性要求高的嵌入式 AI 领域暴露出明显缺陷。例如，由于缺乏足够训练数据，在云端数小时即可完成的模型训练，移植到嵌入式设备可能需要数周甚至无法收敛；即便完成训练，深度学习得到的算法模型体量通常较大，一方面嵌入式 MCU 的存储资源难以承载，另一方面深度学习矩阵运算密集型特性会导致嵌入式设备功耗激增，而嵌入式设备往往注重低功耗，无法承受如此大的开销。
 
因此，在嵌入式 AI 中直接使用深度学习算法框架，通常会出现两种结果：一是因资源不足无法实现；二是虽能实现，但需以极低效率为代价。以工程师熟悉的快速傅里叶变换（FFT）为例，在描述和监测旋转设备工作状况时，典型方法是使用 FFT，因为频率是振动和旋转的天然属性特征，FFT 能够从频谱中精确分析出设备运行状态是否正常。
 
如果此时简单使用深度学习算法，工程师实际上是希望在深度学习算法网络的最底层模拟出 FFT。不过，FFT 算法用于实现离散傅里叶变换（DFT），DFT 是一种线性矩阵运算。神经网络需要用非线性激活函数构建多层结构来逼近这一运算，不仅需要海量样本覆盖全频率空间，否则无法训练出完备的网络，而且即便得到完备网络，也需要 N² 次乘法运算，而 FFT 仅需 N log₂(N) 次运算。很多工程师将这种情况形容为 “用高射炮打蚊子” 。
 

特征空间的破局之道

从上述示例可以得出结论：深度学习在嵌入式 AI 领域仍有用武之地，比如执行复杂决策。但在实时性要求高、数据规模小、资源有限的情况下，明智的做法是利用已知高效算法提取数据特征，基于由此发现的特征空间进行机器学习，这样既能发挥机器学习在复杂决策方面的优势，又能避免深度学习的资源消耗问题。
 
在嵌入式 AI 的资源约束困境中，特征空间是一套行之有效的方法论。通过将已知的数学规律或工程经验转化为 “特征提取前端”，可以重构 AI 模型架构，实现传统算法的高效性与机器学习的适应性相结合。前文提到的 DFT 案例就是一个极具代表性的例子。引入特征空间方法后，嵌入式 AI 的算法模型从端到端学习模型转变为 “特征工程层 + 轻量级机器学习模型” 的分层解耦结构，计算资源和存储资源能够得到指数级优化。
 
同时，特征空间的引入对嵌入式 AI 还有一个巨大价值：将深度学习的 “黑箱拟合” 转化为 “白盒设计”。单纯的深度学习通过多层神经网络的权重矩阵隐含特征映射，输入与输出之间的关系隐藏在大量参数中，无法直接追溯决策逻辑。而特征空间将已知的数学规律或工程经验显式编码为特征提取算法，使模型决策基于可解释的物理 / 数学指标。这种可解释性对嵌入式 AI 至关重要，例如在医疗场景中，可解释性是合规的基础。
 
瑞萨电子的 Reality AI 工具采用基于自动化的智能特征提取技术，帮助工程师实现特征空间的应用。该工具包含一系列分析功能，可用于寻找最佳传感器或最佳传感器组合、确定传感器放置位置以及自动生成组件规格，还具备完全可解释的时域 / 频域模型功能。借助 Reality AI 工具，工程师可以探索数学和工程领域中丰富且已被充分理解的特征空间，并应用稀疏编码等机制，相比直接使用深度学习，能够更快地收敛到相关特征，并更高效地表达这些特征。
 
基于特征空间进行机器学习，不仅能发挥机器学习在复杂决策方面的优势，工程师还可以部署更简单的算法，如支持向量机（SVM）、决策树或规模较小的神经网络。因此，与深度学习相比，采用 Reality AI 工具能大幅节省资源。
 

结语

嵌入式 AI 的发展已摆脱对深度学习 “端到端黑箱拟合” 的路径依赖，在特征空间方法论中找到了效率与可解释性的平衡点。通过将工程经验、数学规律与轻量级机器学习模型深度融合，不仅破解了资源受限场景下的计算困局，更让嵌入式 AI 决策逻辑回归可追溯的物理本质。瑞萨电子 Reality AI 工具所代表的自动化特征工程方案，正是这一趋势的最佳实践 —— Reality AI 工具凭借智能提取、高效表达、白盒设计三重优势，推动嵌入式 AI 从 “蛮力计算” 向 “智慧设计” 进化，为工业监测、医疗设备等对实时性与可靠性要求严苛的场景，开辟了一条兼顾技术落地与成本控制的务实之路。