邊緣計算AI之夢：如果小型機器有視覺、聽覺功能會如何？
2022/8/23 14:55:07 點擊：
人工智能技術(shù)大有前途——它讓機器可以根據(jù)周圍的世界做出決策，像人一樣處理信息，甚至處理方式還會優(yōu)于人類。但是，如果細想上述事例，便會發(fā)現(xiàn)目前的很多人工智能，只能通過“大型機器”來實現(xiàn)——這些機器發(fā)熱量高、擁有線路功耗、體積巨大，而且昂貴。像Alexa和Netflix依靠云端的大型、高耗電服務器來分析用戶的意圖。而自動駕駛汽車則要依賴電池供電，考慮到電池必須能夠驅(qū)動車輪和轉(zhuǎn)向，因此需要提供很高的容量，與非常昂貴的人工智能決策相比，同樣也要消耗大量能源。
目前，人工智能技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，但是人工智能的“小型化，邊緣化”卻明顯滯后。那些由小型電池供電或存在成本和尺寸限制的設備無法實現(xiàn)機器的視覺和聽覺分析功能。目前，這些小型機器只能利用簡單的人工智能技術(shù)：也許只是聽一個關(guān)鍵詞，或者分析低維信號，比如用光容積描記術(shù)(PPG)來測量心率。
如果小型機器有視覺和聽覺功能會怎么樣？
事實上，小型設備一旦能夠看到和聽到，是否有實用價值呢？思考一下，像門鈴攝像頭這樣的小產(chǎn)品需要使用自動駕駛或自然語言處理等高階人工智能技術(shù)嗎？似乎也沒有必要。因此可以考慮采用不太復雜、處理強度不大的小型化的、邊緣的人工智能計算，比如詞匯識別、語音識別和圖像分析。
普通的門鈴攝像頭和消費類安保攝像頭經(jīng)常會被一些無關(guān)緊要的事件觸發(fā)，比如刮風引起的植物擺動、云彩引起的劇烈光線變化、甚至是狗或貓在攝像頭前跑動。這些事件可能會導致誤觸發(fā)，從而需要房主去操作忽視并清除此類觸發(fā)事件。尤其糟糕的是，如果房主正好在世界其它地方旅行，而家里的攝像頭卻對日出、云彩、日落造成的光線變化發(fā)出了誤警報會影響他們睡眠和旅行。但一個智能攝像頭卻能夠基于更具體的事件進行觸發(fā)，例如在所監(jiān)控的畫面中出現(xiàn)了一個人。
門鎖或其它出入口可使用面部識別，甚至是語音識別來授予人員訪問權(quán)限，在某些情況下不需要鑰匙或胸卡。
很多攝像頭都希望在發(fā)生某些特定事件時才觸發(fā)：例如，跟蹤攝像頭可能希望在畫面中出現(xiàn)鹿時被觸發(fā)，安保攝像頭可能希望在畫面中有人或出現(xiàn)開門或腳步聲等噪音時被觸發(fā)，而個人攝像頭可能希望通過語音命令來觸發(fā)。
雖然有很多“Hey Alexa”這樣的簡單解決方案，但多詞匯量命令在很多應用中都非常有用。如果具備識別20個或更多單詞的詞匯表，就可以在工業(yè)設備、家居自動化、烹飪設備和大量其它設備中應用，以簡化人機交互。
盡管這些例子只觸及表層：讓小型機器看到、聽到和解決過去需要人為干預的問題，但實際上這是一種顛覆性思路，因為人們每天都不斷發(fā)現(xiàn)可智能化創(chuàng)造的新場景。
讓小機器具備視覺和聽覺功能，面臨哪些挑戰(zhàn)？
既然人工智能對小型機器具有如此實用價值，為何沒有被大量開發(fā)呢？答案是受限于算力。人工智能推理是神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算的結(jié)果。可以把神經(jīng)網(wǎng)絡模型看作是大腦處理圖像或聲音的粗略近似形態(tài)，將其分解為非常小的片段，然后在這些小碎片組合在一起時識別出模型。現(xiàn)代化視覺問題的主要模型是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN)。這類模型在圖像分析方面非常出色，在音頻分析方面也非常有用。問題在于，這些模型需要數(shù)百萬或數(shù)十億次的數(shù)學計算。對于傳統(tǒng)硬件設計，這些應用在實施時卻會面臨一些困難抉擇：
使用低成本、低功耗的微控制器解決方案。雖然平均功耗可能很低，但卷積神經(jīng)網(wǎng)絡可能需要幾秒鐘時間來計算，這意味著人工智能推理不是實時的，并會消耗大量的電池電量。
購置一個昂貴的高性能處理器，能在規(guī)定延遲內(nèi)完成這些數(shù)學運算。不過，這些處理器通常很大，需要很多外部組件，包括散熱器或類似的冷卻組件。好處是，它們執(zhí)行人工智能推理的速度非常快。
低功耗微控制器解決方案的速度太慢，無法發(fā)揮作用，而高性能處理器方法會超出成本、尺寸和電源預算，可以說上述兩種方案都不夠理想，難以實施。
由此可見，人們需要的是一種全新的嵌入式人工智能解決方案，盡可能減少卷積神經(jīng)網(wǎng)絡計算所需的能耗。人工智能推理需要以比傳統(tǒng)微控制器或處理器解決方案更少的能量來執(zhí)行，并且無需借助能耗高、尺寸大、成本大的外部組件（如存儲器）。如果人工智能推理解決方案實際上能夠消除機器視覺的能量損失，那么即便是最小的設備也能看到并識別周圍世界發(fā)生的事情。
幸運的是，人們現(xiàn)在已經(jīng)處于這場“小型機器”革命的開端。目前，ADI已經(jīng)在市場上推出了相關(guān)產(chǎn)品，能夠消除人工智能推理的能源成本，并實現(xiàn)電池供電的機器視覺功能。
目前，人工智能技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，但是人工智能的“小型化，邊緣化”卻明顯滯后。那些由小型電池供電或存在成本和尺寸限制的設備無法實現(xiàn)機器的視覺和聽覺分析功能。目前，這些小型機器只能利用簡單的人工智能技術(shù)：也許只是聽一個關(guān)鍵詞，或者分析低維信號，比如用光容積描記術(shù)(PPG)來測量心率。
如果小型機器有視覺和聽覺功能會怎么樣？
事實上，小型設備一旦能夠看到和聽到，是否有實用價值呢？思考一下，像門鈴攝像頭這樣的小產(chǎn)品需要使用自動駕駛或自然語言處理等高階人工智能技術(shù)嗎？似乎也沒有必要。因此可以考慮采用不太復雜、處理強度不大的小型化的、邊緣的人工智能計算，比如詞匯識別、語音識別和圖像分析。
普通的門鈴攝像頭和消費類安保攝像頭經(jīng)常會被一些無關(guān)緊要的事件觸發(fā)，比如刮風引起的植物擺動、云彩引起的劇烈光線變化、甚至是狗或貓在攝像頭前跑動。這些事件可能會導致誤觸發(fā)，從而需要房主去操作忽視并清除此類觸發(fā)事件。尤其糟糕的是，如果房主正好在世界其它地方旅行，而家里的攝像頭卻對日出、云彩、日落造成的光線變化發(fā)出了誤警報會影響他們睡眠和旅行。但一個智能攝像頭卻能夠基于更具體的事件進行觸發(fā)，例如在所監(jiān)控的畫面中出現(xiàn)了一個人。
門鎖或其它出入口可使用面部識別，甚至是語音識別來授予人員訪問權(quán)限，在某些情況下不需要鑰匙或胸卡。
很多攝像頭都希望在發(fā)生某些特定事件時才觸發(fā)：例如，跟蹤攝像頭可能希望在畫面中出現(xiàn)鹿時被觸發(fā)，安保攝像頭可能希望在畫面中有人或出現(xiàn)開門或腳步聲等噪音時被觸發(fā)，而個人攝像頭可能希望通過語音命令來觸發(fā)。
雖然有很多“Hey Alexa”這樣的簡單解決方案，但多詞匯量命令在很多應用中都非常有用。如果具備識別20個或更多單詞的詞匯表，就可以在工業(yè)設備、家居自動化、烹飪設備和大量其它設備中應用，以簡化人機交互。
盡管這些例子只觸及表層：讓小型機器看到、聽到和解決過去需要人為干預的問題，但實際上這是一種顛覆性思路，因為人們每天都不斷發(fā)現(xiàn)可智能化創(chuàng)造的新場景。
讓小機器具備視覺和聽覺功能，面臨哪些挑戰(zhàn)？
既然人工智能對小型機器具有如此實用價值，為何沒有被大量開發(fā)呢？答案是受限于算力。人工智能推理是神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算的結(jié)果。可以把神經(jīng)網(wǎng)絡模型看作是大腦處理圖像或聲音的粗略近似形態(tài)，將其分解為非常小的片段，然后在這些小碎片組合在一起時識別出模型。現(xiàn)代化視覺問題的主要模型是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN)。這類模型在圖像分析方面非常出色，在音頻分析方面也非常有用。問題在于，這些模型需要數(shù)百萬或數(shù)十億次的數(shù)學計算。對于傳統(tǒng)硬件設計，這些應用在實施時卻會面臨一些困難抉擇：
使用低成本、低功耗的微控制器解決方案。雖然平均功耗可能很低，但卷積神經(jīng)網(wǎng)絡可能需要幾秒鐘時間來計算，這意味著人工智能推理不是實時的，并會消耗大量的電池電量。
購置一個昂貴的高性能處理器，能在規(guī)定延遲內(nèi)完成這些數(shù)學運算。不過，這些處理器通常很大，需要很多外部組件，包括散熱器或類似的冷卻組件。好處是，它們執(zhí)行人工智能推理的速度非常快。
低功耗微控制器解決方案的速度太慢，無法發(fā)揮作用，而高性能處理器方法會超出成本、尺寸和電源預算，可以說上述兩種方案都不夠理想，難以實施。
由此可見，人們需要的是一種全新的嵌入式人工智能解決方案，盡可能減少卷積神經(jīng)網(wǎng)絡計算所需的能耗。人工智能推理需要以比傳統(tǒng)微控制器或處理器解決方案更少的能量來執(zhí)行，并且無需借助能耗高、尺寸大、成本大的外部組件（如存儲器）。如果人工智能推理解決方案實際上能夠消除機器視覺的能量損失，那么即便是最小的設備也能看到并識別周圍世界發(fā)生的事情。
幸運的是，人們現(xiàn)在已經(jīng)處于這場“小型機器”革命的開端。目前，ADI已經(jīng)在市場上推出了相關(guān)產(chǎn)品，能夠消除人工智能推理的能源成本，并實現(xiàn)電池供電的機器視覺功能。
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