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当 TensorFlow Lite 遇到有道翻译王 2.0 Pro

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文 / 有道 AI 技术团队


2018 年 9 月 6 日下午,网易有道发布了有道翻译王 2.0 Pro。随后在 9 月 20 日举办的 Google 开发者大会上,有道技术总监林会杰分享了端侧 AI 在智能硬件产品上的重要性,并且现场演示了有道翻译王基于端侧 AI 技术实现的全离线语音翻译功能。与云侧 AI 相比,端侧 AI 具有无网络延迟、更高的稳定性、数据隐私性、响应实时性, 这些特性使得端侧 AI 满足超低延迟场景,如文档扫描、AR 翻译、实时语音翻译等。



在这场发布会之前,有道技术团队已经在移动端离线 AI 技术上做了很多努力和探索。尤其是在端侧 AI 部分应用了 Google 发布的 TensorFlow Lite,本文将介绍有道翻译王的 AI 技术,以及 TensorFlow Lite 在有道翻译王上的应用。

有道翻译王主要用到的 AI 技术有 OCR(光学字符识别)、NMT(神经机器翻译)、ASR(自动语音识别)、TTS(语音合成)。这些技术满足了一个翻译机的基本要求,通过在 TensorFlow Lite 框架上实现和加速,使得应用效果更加优异。

一台有道翻译王包括多少种 AI 技术?

OCR
光学字符识别(Optical Character Recognition,OCR)是指对文本资料的图像文件进行分析识别处理,获取文字及版面信息的过程。亦即将图像中的文字进行识别,并以文本的形式返回。有道 OCR 主要分为两个部分,一个是检测部分,另一个是识别部分。检测部分是指在一张图片上寻找文字所在区域并框选出来,然后将标出的区域送入识别部分从而得出结果。

NMT
近年来,深度学习技术的发展为解决上述挑战提供了新的思路。将深度学习应用于机器翻译任务的方法大致分为两类:

仍以统计机器翻译系统为框架,只是利用神经网络来改进其中的关键模块,如语言模型、调序模型等;

不再以统计机器翻译系统为框架,而是直接用神经网络将源语言映射到目标语言,即端到端的神经网络机器翻译(End-to-End Neural Machine Translation,End-to-End NMT),简称为 NMT 模型。


ASR
自动语音识别技术 ( Automatic Speech Recognition,ASR ) 是一种将人的语音转换为文本的技术。语音识别是一个多学科交叉的领域,它与声学、语音学、语言学、数字信号处理理论、信息论、计算机科学等众多学科紧密相连。由于语音信号的多样性和复杂性,语音识别系统目前只能在一定的限制条件下获得满意的性能,或者说只能应用于某些特定的场合。

TTS
语音合成(Text To Speech,TTS)技术将文本转化为声音,目前广泛应用于语音助手、智能音箱、地图导航等场景。TTS 的实现涉及到语言学、语音学的诸多复杂知识,因合成技术的区别,不同的 TTS 系统在准确性、自然度、清晰度、还原度等方面也有着不一样的表现。

以上这些 AI 技术会用到 CNN、RNN 等神经网络,这些网络会用到较为常用的算子,如卷积层、全连接层、池化层、Relu 层。由于 TensorFlow 工作流程相对容易,API 稳定,兼容性好,并且 TensorFlow 与 Numpy 完美结合,使其较为容易上手,所以我们在训练模型时主要采用 TensorFlow 框架,可以大大的降低成本和节省精力。

有道首个运用 TensorFlow Lite 技术的智能硬件设备

TensorFlow Lite 简介
TensorFlow Lite 是 TensorFlow 针对移动和嵌入式设备的轻量级解决方案。它为设备上的机器学习预测降低了延迟,减小了二进制大小。TensorFlow Lite 还支持硬件加速的 Android NNAPI。这样一来,就对算法的开发和部署有了很大的优势。

TensorFlow Lite 优势
  • 轻量级:允许小 binary size 和快速初始化/启动的设备端机器学习模型进行推断。
  • 跨平台:运行时的设计使其可以在不同的平台上运行,如目前支持的 Android 和 iOS。
  • 快速:专为移动设备进行优化,包括大幅提升模型加载时间,支持硬件加速。

TensorFlow Lite 集成 Android 项目
(1) 首先添加 TensorFlow Lite 库到项目中:
compile ‘org.tensorflow:tensorflow-lite:+’

(2) 然后导入 TFlite interpreter:
import org.tensorflow.lite.Interpreter;

(3) 这样就可以创建一个 Interpreter:
protected Interpreter tflite;
tflite = new Interpreter(loadModelFile(activity));

(4) 载入模型函数示例:
/** Memory-map the model file in Assets. */
private MappedByteBuffer loadModelFile(Activity activity) throws IOException {
    AssetFileDescriptor fileDescriptor = activity.getAssets().openFd(getModelPath());
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream(fileDescriptor.getFileDescriptor());
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel(); long startOffset = fileDescriptor.getStartOffset();
    long declaredLength = fileDescriptor.getDeclaredLength();
    return fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, startOffset, declaredLength);
}
(5) 执行模型:
tflite.run(imgData, labelProbArray);

模型速度测试及比较
我们测试了常用的深度学习模型在 TensorFlow 和 TensorFlow Lite 上的运行速度, 模型分别为 InceptionV3、MobileNetV1、MobileNetV2。



同时,在 TensorFlow Lite 平台上,对浮点模型和量化模型进行速度测试比较。



TensorFlow 和 TensorFlow Lite 具有良好的通用性,除此之外,对于专有硬件平台,我们还对比了高通公司的SNPE ( Snapdragon Neural Processing Engine),测试 InceptionV3 模型运行在骁龙 835 芯片的 CPU、GPU、DSP 上的速度。



测试有道 OCR Detection 模型在 TensorFlow、TensorFlow Lite 和高通 SPNE 上的运行情况。



由此可见,SNPE 的 CPU 运行速度要比 TensorFlow 的 CPU 速度慢了很多,但是在 DSP 上的运行速度明显优于 CPU 和 GPU。虽然各大芯片厂商积极推出了高效能的神经网络处理器(NPU),但在模型转换和平台集成方面不尽如人意,其通用性和便利性远远不如 TensorFlow Lite。

TensorFlow Lite + 有道翻译王  探索更多可能性

近年来,网易有道在 AI 领域已经做出了很多尝试和探索,积累了很多经验,同时也创造了很多价值。随着深度学习的模型所需算力的增加,在移动端流畅运行模型则成为了一大挑战,为了解决这一大问题,各大硬件厂商推出神经网络加速芯片,软件厂商也通过各种优化来提高速度。Google 也为此做出了努力, 推出了 TensorFlow Lite,优化了模型体积,提高了运行速度,还可以通过 NNAPI 实现硬件加速。

由于 TensorFlow Lite 具有良好的通用性,可以适应多种不同的硬件平台,所以在模型适配上节省了很多成本。目前 TensorFlow Lite 对 LSTM 的支持在不断完善,有道未来打算进一步完成相关模型的迁移和适配。同时也希望 TensorFlow Lite 能通过 Android NNAPI 可以集成更多的硬件平台,包括 Google 最新发布的 Edge TPU 等, 充分利用不同硬件平台的神经网络芯片加速,从而能够使得更多的 AI 技术能够更加高效率、低功耗、低延迟的运行在各种智能硬件设备上,真正实现让 AI 无处不在。

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