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Android概述

在Android应用中使用深度学习和神经网络

在Android应用中使用深度学习和神经网络

内容

一般来说，训练一个神经网络是一项最适合有多个GPU的强大计算机的任务。但如果你想在你简陋的安卓手机或平板电脑上做呢？好吧，这绝对是可能的。然而，考虑到一个普通的Android设备的规格，它很可能会相当慢。如果这对你来说不是问题，继续读下去。

在本教程中，我将向您展示如何使用 Deeplearning4J，一个流行的基于Java的深度学习库，在Android设备上创建和训练神经网络。

先决条件

为了获得最佳效果，您需要以下各项：

  • 运行API级别21或更高的安卓设备或模拟器，内部存储空间大约为200 MB。我强烈建议您首先使用模拟器，因为您可以快速调整它，以防内存或存储空间不足。

  • Android Studio 2.2 或更新版本

  • 这里可以找到在Android应用程序中使用DL4J的更深入的研究。本指南涵盖依赖项、内存管理、保存设备训练模型以及在应用程序中加载预先训练的模型。

配置你的Android Studio项目

要在项目中使用Deeplearning4J，请将以下实现依赖项添加到应用程序模块的build.gradle文件中：

implementation (group: 'org.deeplearning4j', name: 'deeplearning4j-core', version: '{{page.version}}') {
    exclude group: 'org.bytedeco', module: 'opencv-platform'
    exclude group: 'org.bytedeco', module: 'leptonica-platform'
    exclude group: 'org.bytedeco', module: 'hdf5-platform'
}
implementation group: 'org.nd4j', name: 'nd4j-native', version: '{{page.version}}'
implementation group: 'org.nd4j', name: 'nd4j-native', version: '{{page.version}}', classifier: "android-arm"
implementation group: 'org.nd4j', name: 'nd4j-native', version: '{{page.version}}', classifier: "android-arm64"
implementation group: 'org.nd4j', name: 'nd4j-native', version: '{{page.version}}', classifier: "android-x86"
implementation group: 'org.nd4j', name: 'nd4j-native', version: '{{page.version}}', classifier: "android-x86_64"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'openblas', version: '0.3.7-1.5.2'
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'openblas', version: '0.3.7-1.5.2', classifier: "android-arm"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'openblas', version: '0.3.7-1.5.2', classifier: "android-arm64"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'openblas', version: '0.3.7-1.5.2', classifier: "android-x86"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'openblas', version: '0.3.7-1.5.2', classifier: "android-x86_64"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'opencv', version: '4.1.2-1.5.2'
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'opencv', version: '4.1.2-1.5.2', classifier: "android-arm"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'opencv', version: '4.1.2-1.5.2', classifier: "android-arm64"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'opencv', version: '4.1.2-1.5.2', classifier: "android-x86"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'opencv', version: '4.1.2-1.5.2', classifier: "android-x86_64"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'leptonica', version: '1.78.0-1.5.2'
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'leptonica', version: '1.78.0-1.5.2', classifier: "android-arm"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'leptonica', version: '1.78.0-1.5.2', classifier: "android-arm64"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'leptonica', version: '1.78.0-1.5.2', classifier: "android-x86"
implementation group: 'org.bytedeco', name: 'leptonica', version: '1.78.0-1.5.2', classifier: "android-x86_64"

如果选择将依赖项的快照版本与gradle一起使用，则需要在根目录中创建pom.xml文件，并从终端对其运行 mvn -U compile 。您还需要在build.gradle文件的repository{}块中包含mavenLocal()。下面提供了一个pom.xml文件示例。

<project>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>snapshots</artifactId>
    <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
    <dependencies>
       <dependency>
            <groupId>org.nd4j</groupId>
            <artifactId>nd4j-native-platform</artifactId>
            <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
            <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId>
            <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
        </dependency>
    </dependencies>
    <repositories>
        <repository>
            <id>sonatype-nexus-snapshots</id>
            <url>https://oss.sonatype.org/content/repositories/snapshots</url>
            <releases>
                <enabled>false</enabled>
            </releases>
            <snapshots>
                <enabled>true</enabled>
                <updatePolicy>always</updatePolicy>
            </snapshots>
        </repository>
    </repositories>
</project>

Android Studio 3.0引入了新的Gradle，现在也应该定义annotationProcessors如果您正在使用它，请向Gradle依赖项添加以下代码：

NeuralNetConfiguration.Builder nncBuilder = new NeuralNetConfiguration.Builder();
nncBuilder.updater(Updater.ADAM);

如您所见，DL4J依赖于ND4J，Java的N维缩写，它是一个提供快速N维数组的库。ND4J在内部依赖于一个名为OpenBLAS的库，该库包含特定于平台的本地代码。因此，您必须加载与您的Android设备架构相匹配的OpenBLAS和ND4J版本。

DL4J和ND4J的依赖项有几个同名的文件。为了避免构建错误，请将以下排除参数添加到packagingOptions中。

packagingOptions {
    exclude 'META-INF/DEPENDENCIES'
    exclude 'META-INF/DEPENDENCIES.txt'
    exclude 'META-INF/LICENSE'
    exclude 'META-INF/LICENSE.txt'
    exclude 'META-INF/license.txt'
    exclude 'META-INF/NOTICE'
    exclude 'META-INF/NOTICE.txt'
    exclude 'META-INF/notice.txt'
    exclude 'META-INF/INDEX.LIST'
}

编译后的代码将有超过65536个方法。要处理此情况，请在defaultConfig中添加以下选项：

multiDexEnabled true

现在，按Sync now更新项目。最后，确保APK不同时包含lib/armeabi和lib/armeabi-v7a子目录。如果是，请将所有文件移动到其中一个或另一个，因为某些Android设备将同时存在这两个文件。

启动异步任务

训练神经网络是CPU密集型的，这就是为什么您不想在应用程序的UI线程中进行训练。我不太确定DL4J是否在默认情况下异步训练其网络。为了安全起见，我现在将使用AsyncTask类生成一个单独的线程。

AsyncTask.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        createAndUseNetwork();
    }
});

因为createAndUseNetwork()方法还不存在，所以创建它。

private void createAndUseNetwork() {
}

创建一个神经网络

DL4J有一个非常直观的API。现在让我们用它来创建一个简单的多层感知器与隐藏层。它将获取两个输入值，并输出一个输出值。要创建层，我们将使用DenseLayer和OutputLayer类。相应地，将以下代码添加到在上一步中创建的createAndUseNetwork()方法中：

DenseLayer inputLayer = new DenseLayer.Builder()
        .nIn(2)
        .nOut(3)
        .name("Input")
        .build();
DenseLayer hiddenLayer = new DenseLayer.Builder()
        .nIn(3)
        .nOut(2)
        .name("Hidden")
        .build();
OutputLayer outputLayer = new OutputLayer.Builder()
        .nIn(2)
        .nOut(1)
        .name("Output")
        .build();

现在我们的层已经准备好了，让我们创建一个NeuralNetConfiguration.Builder对象来配置我们的神经网络。

NeuralNetConfiguration.Builder nncBuilder = new NeuralNetConfiguration.Builder();
nncBuilder.updater(Updater.ADAM);

我们现在必须创建一个NeuralNetConfiguration.ListBuilder对象来实际连接我们的层并指定它们的顺序。

NeuralNetConfiguration.ListBuilder listBuilder = nncBuilder.list();
listBuilder.layer(0, inputLayer);
listBuilder.layer(1, hiddenLayer);
listBuilder.layer(2, outputLayer);

另外，通过添加以下代码启用反向传播：

listBuilder.backprop(true);

此时，我们可以将神经网络生成并初始化为多层网络类的实例。

MultiLayerNetwork myNetwork = new MultiLayerNetwork(listBuilder.build());
myNetwork.init();

创建训练数据

为了创建我们的训练数据，我们将使用ND4J提供的INDArray类

INPUTS      EXPECTED OUTPUTS
------      ----------------
0,0         0
0,1         1
1,0         1
1,1         0

正如你可能已经猜到的，我们的神经网络将表现得像一个异或门。训练数据有四个样本，您必须在代码中提到它。

final int NUM_SAMPLES = 4;

现在，为输入和预期输出创建两个INDArray对象，并用零初始化它们。

INDArray trainingInputs = Nd4j.zeros(NUM_SAMPLES, inputLayer.getNIn());
INDArray trainingOutputs = Nd4j.zeros(NUM_SAMPLES, outputLayer.getNOut());

注意，输入数组中的列数等于输入层中的神经元数。类似地，输出数组中的列数等于输出层中的神经元数。

用训练数据填充这些数组很容易。只需使用putScalar()方法：

// If 0,0 show 0
trainingInputs.putScalar(new int[]{0, 0}, 0);
trainingInputs.putScalar(new int[]{0, 1}, 0);
trainingOutputs.putScalar(new int[]{0, 0}, 0);
// If 0,1 show 1
trainingInputs.putScalar(new int[]{1, 0}, 0);
trainingInputs.putScalar(new int[]{1, 1}, 1);
trainingOutputs.putScalar(new int[]{1, 0}, 1);
// If 1,0 show 1
trainingInputs.putScalar(new int[]{2, 0}, 1);
trainingInputs.putScalar(new int[]{2, 1}, 0);
trainingOutputs.putScalar(new int[]{2, 0}, 1);
// If 1,1 show 0
trainingInputs.putScalar(new int[]{3, 0}, 1);
trainingInputs.putScalar(new int[]{3, 1}, 1);
trainingOutputs.putScalar(new int[]{3, 0}, 0);

我们不会直接使用INDArray对象。相反，我们将把它们转换成一个DataSet。

DataSet myData = new DataSet(trainingInputs, trainingOutputs);

此时，我们可以通过调用神经网络的fit()方法并将数据集传递给它来开始训练。for循环控制通过网络的数据集的迭代。在本例中，它被设置为1000次迭代。

for(int l=0; l<=1000; l++) {
    myNetwork.fit(myData);
}

就这些。你的神经网络已经可以使用了。

结论

在本教程中，您看到了在Android Studio项目中使用Deeplearning4J库创建和训练神经网络是多么容易。不过，我想提醒你的是，在低功耗、电池供电的设备上训练神经网络可能并不总是一个好主意。

第二个例子DL4J Android应用程序包括一个用户界面可以在这里找到。这个例子使用Anderson的iris数据集在设备上训练一个神经网络，用于iris类型分类。该应用程序包括用户输入的测量值，并返回这些测量值属于三种iris类型（Iris serosa, Iris versicolor, 和 Iris virginica）之一的概率。

移动设备处理能力和电池寿命的限制使得训练健壮、多层网络不可行。作为在设备上训练网络的替代方法，应用程序使用的神经网络可以在桌面机上训练，通过ModelSerializer保存，然后作为预先训练的模型加载到应用程序中。第三个例子DL4J Android应用程序可以在这里找到，它加载一个预先训练的MNIST网络，并使用它对用户绘制的数字进行分类。

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