发布于2024-12-26 阅读(0)
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译者 | 李睿
审校 | 重楼
科技进步需要具有特殊需求的人带来了新的解决方案。边缘机器学习(Edge ML)是一项开创性技术,它使用机器学习算法更接近数据源,从而减少延迟,并提高实时处理能力。
本文讨论了Edge ML在解决具有特殊需求的个人所面临的独特挑战方面的潜力。它阐明了Edge ML如何构建一个更具支持性和包容性的环境。并探讨了影响统一Edge ML模型发展的各种考虑因素、挑战和潜在改进。该模型侧重于两项任务:检测欺凌行为和提供安抚支持。
Edge+ML通 过直接在智能手机、平板电脑或物联网设备上采用机器学习算法来运行,而不仅仅依赖于集中式云计算服务器。这种分散的方法提供了适合特殊需求的几个优点:
许多智能手表都具有足够的计算能力,可以直接运行轻量级的机器学习模型。TensorFlow Lite是一个为边缘设备(包括智能手表)设计的框架,可以促进这种集成。以下是集成步骤的概述:
(1)选择轻量级模型:选择适合边缘设备的机器学习模型,特别是智能手表等资源有限的设备。
(2)将模型转换为TensorFlow Lite格式:使用针对移动设备和边缘设备优化的TensorFlow工具将训练好的模型转换为TensorFlow Lite格式。
将TensorFlow Lite整合到智能手表应用程序中,根据智能手表平台(例如Android的Wear OS,Apple Watch的watchOS),利用特定平台的API将TensorFlow Lite集成到应用程序中。
(4)预处理输入数据:调整输入数据(例如来自智能手表的传感器数据)。通过调整大小、规范化或其他转换来匹配模型的输入要求。
(5)运行推理:使用TensorFlow Lite在预处理数据上运行推理并获得模型的预测。
(6)后期处理输出数据:根据需要修改输出数据,解释预测并在智能手表应用程序中采取适当的行动。
(7)优化功率效率:优化机器学习模型和功率效率推理过程,考虑量化等技术。
(8)测试和迭代:彻底测试智能手表应用程序,根据需要迭代模型或应用程序设计,考虑用户体验和性能影响。
要实现用于语音识别的Edge ML,需要遵循以下步骤:
(1)选择语音识别模型:选择或训练为语音识别设计的机器学习模型,例如DeepSpeech或针对边缘设备优化的小型足迹神经网络。
(2)模型量化:通过模型量化减少计算负载和内存需求,将参数转换为较低精度(例如,从32位浮点数转换为8位整数)。
(3)与移动应用程序集成:开发一个移动应用程序(iOS或Android),使用用户友好的界面捕获语音输入。
(4)边缘设备部署:将量化语音识别模型嵌入移动应用程序中,无需持续的互联网连接即可部署边缘设备。
(5)实时语音处理:使用嵌入式模型在边缘设备上实现语音输入的实时处理,将语音输入转换为文本,并可能执行其他处理。
(6)个性化和自定义:允许用户根据自己的语音模式对模型进行微调,从而个性化应用程序。在边缘设备上本地更新模型,以提高准确性和响应能力。
(7)离线模式:在没有互联网连接的情况下实现功能的离线模式,这在互联网接入有限的情况下至关重要。
(8)隐私措施:结合隐私措施在边缘设备上本地处理敏感数据来,确保不会将其传输到外部服务器。清楚地传达这些隐私功能,以建立用户信任。
(9)反馈和干预:基于模型的分析,整合反馈机制或干预,提供即时提示,指导用户改进语音模式。
(10)持续改进:通过使用新数据和用户反馈定期更新模型,建立持续改进的机制,确保应用程序随着时间的推移能够更好地满足单个用户的需求。
为了适应Edge ML的代码,使用微控制器的TensorFlow Lite或类似的框架。需要注意的是,具体情况取决于目标边缘设备的功能和需求。
Python import numpy as np import tflite_micro_runtime.interpreter as tflite import sounddevice as sd import pygame import PySimpleGUI as sg import threading import time import os class BullyingDetectionSystem:def __init__(self, model_path):self.is_running = Falseself.log_file_path = 'bullying_log.txt'self.progress_meter = Noneself.threshold_slider = Noneself.timer_start = None self.model_path = model_pathself.threshold = 0.5 # Use TensorFlow Lite for Microcontrollersself.interpreter = tflite.Interpreter(model_path=model_path)self.interpreter.allocate_tensors() def reset_status(self): self.is_running = False self.progress_meter.update(0) self.timer_start.update('00:00') self.threshold_slider.update(value=self.threshold) self.window['Status'].update('') self.window['Output'].update('') def playback_audio(self, file_path): pygame.init() pygame.mixer.init() pygame.mixer.music.load(file_path) pygame.mixer.music.play() while pygame.mixer.music.get_busy(): pygame.time.Clock().tick(10) pygame.quit() def view_log(self): layout_log_viewer = [[sg.Multiline("", size=(60, 10), key='log_viewer', autoscroll=True)], [sg.Button("Close")]] window_log_viewer = sg.Window("Log Viewer", layout_log_viewer, finalize=True) # Read and display log file content try: with open(self.log_file_path, 'r') as log_file: log_content = log_file.read() window_log_viewer['log_viewer'].update(log_content) except FileNotFoundError: sg.popup_error("Log file not found.") while True: event_log_viewer, _ = window_log_viewer.read() if event_log_viewer == sg.WIN_CLOSED or event_log_viewer == "Close": break window_log_viewer.close() def simulate_smartwatch_gui(self): layout = [[sg.Text("Smartwatch Bullying Detection", size=(40, 1), justification="center", font=("Helvetica", 15), key="Title")], [sg.Button("Start", key="Start"), sg.Button("Stop", key="Stop"), sg.Button("Reset", key="Reset"), sg.Button("Exit", key="Exit")], [sg.Text("", size=(30, 1), key="Status", text_color="red")], [sg.ProgressBar(100, orientation='h', size=(20, 20), key='progress_meter')], [sg.Text("Recording Time:", size=(15, 1)), sg.Text("00:00", size=(5, 1), key='timer_start')], [sg.Slider(range=(0, 1), orientation='h', resolution=0.01, default_value=0.5, key='threshold_slider', enable_events=True)], [sg.Button("Playback", key="Playback"), sg.Button("View Log", key="View Log")], [sg.Canvas(size=(400, 200), background_color='white', key='canvas')], [sg.Output(size=(60, 10), key="Output")]] self.window = sg.Window("Smartwatch Simulation", layout, finalize=True) self.progress_meter = self.window['progress_meter'] self.timer_start = self.window['timer_start'] self.threshold_slider = self.window['threshold_slider'] while True: event, values = self.window.read(timeout=100) if event == sg.WIN_CLOSED or event == "Exit": break elif event == "Start": self.is_running = True threading.Thread(target=self.run_detection_system).start() elif event == "Stop": self.is_running = False elif event == "Reset": self.reset_status() elif event == "Playback": selected_file = sg.popup_get_file("Choose a file to playback", file_types=(("Audio files", "*.wav"), ("All files", "*.*"))) if selected_file: self.playback_audio(selected_file) elif event == "View Log": self.view_log() elif event == "threshold_slider": self.threshold = values['threshold_slider'] self.window['Output'].update(f"Threshold adjusted to: {self.threshold}\n") self.update_gui() self.window.close() def update_gui(self): if self.is_running: self.window['Status'].update('System is running', text_color='green') else: self.window['Status'].update('System is stopped', text_color='red') self.window['threshold_slider'].update(value=self.threshold) def run_detection_system(self): while self.is_running: start_time = time.time() audio_data = self.record_audio() self.bullying_detected = self.predict_bullying(audio_data) end_time = time.time() elapsed_time = end_time - start_time self.timer_start.update(f"{int(elapsed_time // 60):02d}:{int(elapsed_time % 60):02d}") if self.bullying_detected: try: with open(self.log_file_path, 'a') as log_file: log_file.write(f"Bullying detected at {time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}\n") except Exception as e: sg.popup_error(f"Error writing to log file: {e}") self.progress_meter.update_bar(10) def record_audio(self): # Implement audio recording logic using sounddevice # Replace the following code with your actual audio recording implementation duration = 5 # seconds sample_rate = 44100 recording = sd.rec(int(duration * sample_rate), samplerate=sample_rate, channels=1, dtype='int16') sd.wait() return recording.flatten() def predict_bullying(self, audio_data): # Implement model inference logic using TensorFlow Lite for Microcontrollers # Replace the following code with your actual model inference implementation input_tensor_index = self.interpreter.input_details[0]['index'] output_tensor_index = self.interpreter.output_details[0]['index'] input_data = np.array(audio_data, dtype=np.int16) # Assuming int16 audio data input_data = np.expand_dims(input_data, axis=0) self.interpreter.set_tensor(input_tensor_index, input_data) self.interpreter.invoke() output_data = self.interpreter.get_tensor(output_tensor_index) # Replace this with your actual logic for determining bullying detection return output_data[0] > self.threshold if __name__ == "__main__": model_path = 'your_model.tflite' detection_system = BullyingDetectionSystem(model_path) detection_system.simulate_smartwatch_gui()
尽管统一模型提供了一个全面的方法,但重要的是要承认其潜在的局限性。需要高度专门化响应的微妙场景可能会带来挑战,使得迭代细化变得至关重要。
为了增强个性化和适应性,可以将强化学习集成到统一模型中。这允许基于孩子的反应和外部反馈的动态适应。
在追求技术创新的过程中,道德考量发挥着核心作用。确保负责任地部署统一的Edge ML模型涉及解决隐私问题、避免偏见和促进包容性。
统一模型不是静态的,而是随着技术进步和对现实世界的洞察而发展的动态框架。开发人员、教育工作者和护理人员之间的协作有助于促进持续的创新。
总之,Edge ML是一个强大的工具,可以显著地增强对有特殊需求的个人的支持。通过负责任地整合技术和协作改进模型,可以确保对特殊需求的支持采用更具包容性和适应性的方法。
原文标题:Empowering Inclusivity: Utilizing Edge ML to Support Individuals With Special Needs
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