Compilar em um ARM Cortex-M uma rede neural para detectar comandos de voz

O material foi traduzido e desenvolvido com base no tutorial da arm.

O código adquire amostra de áudio do microfone integrado do STM32F7. O áudio passa por uma transformada rápida de Fourier para criar um espectograma. O espectograma é introduzido em um modelo de machine learning pré-treinado. O modelo usa uma rede neural convolucional para identificar se a amostra representa o comando "yes", "no", silêncio, ou desconhecido.

Requisitos

Recomendamos que sigam o tutorial em um sistema Linux. Os comando nas próximas seções serão para o terminal bash.

• Git;
• Mercurial;
• pyenv: para gerenciar a versão do python (2.7);
• pipenv: para gerenciar as dependências;
• Mbed CLI;
• STM327 discovery kit.

Caso você já tenha esses requisistos instalados pode pular para a seção Começando.

Instalação

Git

Instale com:

sudo apt-get install git

Configure com:

git config --global user.name "Seu Nome completo"

git config --global user.email "seu.email@gmail.com

Mercurial

Instale com:

sudo apt-get install mercurial

Pyenv

Baixe com:

git clone https://github.com/pyenv/pyenv.git ~/.pyenv

Defina a ambiente de variável no bash com:

echo 'export PYENV_ROOT="$HOME/.pyenv"' >> ~/.bash_profile
echo 'export PATH="$PYENV_ROOT/bin:$PATH"' >> ~/.bash_profile

Caso vc use Zsh, troque ~/.bash_profile por ~/.zshenv

Adicione o pyenv init para o Shell com:

echo -e 'if command -v pyenv 1>/dev/null 2>&1; then\n  eval "$(pyenv init -)"\nfi' >> ~/.bash_profile

Reinicie o Shell para aplicar as modificações com:

exec "$SHELL"

Verifique que a instalação deu certo com:

pyenv -v

O comando deve ser reconhecido respondendo com algo parecido a: pyenv 1.2.13-12-g8a56fe64

Instale a versão 2.7 do python que usaremos nesse tutorial com:

pyenv install 2.7.16

Crie uma pasta para o tutorial:

mkdir C106
cd C106

Defina versão do python instala como a padrão para está pasta com:

pyenv local 2.7.16

Pipenv

Instale pipenv com:

sudo apt install pipenv

Verifique que pipenv foi instalado corretamente com

pipenv --version

O comando deve ser reconhecido respondendo com algo parecido a: pipenv, version 2018.11.26.

Ainda dentro da pasta C106 execute para criar e ativar um ambiente virtual:

pipenv shell
pipenv install

Verifique que a versão do python está correta executando:

python -V

A seguinte resposta deverá ser obtida Python 2.7.16.

Mbed-cli

Instale Mbed CLI com pip:

pip install mbed-cli

Para verificar que Mbed CLI instalou corretamente, run

mbed --help.

Baixar o compilador

Baixe o compilador deste link em Downloads.

Extraia o compilador com:

tar xjf ~/Downloads/gcc-arm-none-eabi-8-2019-q3-update-linux.tar.bz2 -C ~/

Talvez a versão baixada mude e portanto o nome do arquivo também. Verifique antes de rodar o comando a cima.

Coloque o compilado no PATH com: $ $

echo 'export PATH="$PATH:~/gcc-arm-none-eabi-8-2019-q3-update/bin"' >> ~/.bash_profile
exec "$SHELL"

Caso vc use Zsh, troque ~/.bash_profile por ~/.zshenv

Verifique que tudo deu certo com:

arm-none-eabi-gcc

O comando deve ser reconhecido e a seguinte resposta deve ser obtida:

arm-none-eabi-gcc: fatal error: no input files
compilation terminated.

Configure o compilador para o mbed

Por fim, configure o compilador do mbed com:

mbed config -G GCC_ARM_PATH	"~/gcc-arm-none-eabi-8-2019-q3-update/bin/arm-none-eabi-gcc"

Começando

Com o ambiente virtual criado e ativado, clone o repositório do TensorFlow com

git clone https://github.com/tensorflow/tensorflow.git

Assim que o projeto for baixado, você pode rodar o seguinte comando para navegar no directório do projeto e buildar ele:

cd tensorflow

make -f tensorflow/lite/experimental/micro/tools/make/Makefile TARGET=mbed TAGS="disco_f746ng" generate_micro_speech_mbed_project

Isso vai criar uma pasta em tensorflow/lite/experimental/micro/tools/make/gen/mbed_cortex-m4/prj/micro_speech/mbed contendo o código fonte os arquivos header, os driver Mbed e um README.

Aqui tem a descrição de alguns arquivos interessantes:

• disco_f746ng/audio_provider.cc adquire a amostra de áudio do microfone interno.
• micro_features/micro_features_generator.cc usa a transformada rápida de Fourier para criar um espectograma do áudio.
• micro_features/tiny_conv_micro_features_model_data.cc esse arquivo é o modelo de machine learno, representado por um grande array com valores do tipo unsigned char.
• command_responder.cc é chamado toda vez que é identificado um potencial commando de voz.
• main.cc esse arquivo é o ponto de entrada do programa Mbed, que roda o modelo de machine learning usando TensorFlow Lite para microcontroladores.

Para configurar o programa Mbed e baixar as depêndencias rode:

cd tensorflow/lite/experimental/micro/tools/make/gen/mbed_cortex-m4/prj/micro_speech/mbed
mbed config root .
mbed deploy

Como o TensorFlow exige C++ 11, você tera que atualizar o seu perfil para refletir isso. Aqui tem um pequeno script em Python que faz isso. Rode isso na linha de comando:

python -c 'import fileinput, glob;

for filename in glob.glob("mbed-os/tools/profiles/*.json"):

  for line in fileinput.input(filename, inplace=True):

    print line.replace("\"-std=gnu++98\"","\"-std=c++11\", \"-fpermissive\"")'

Depois que essas configurações forem atualizadas você pode compilar o projeto com:

mbed compile -m DISCO_F746NG -t GCC_ARM

Agora que a compilação completou, você pode implementar o binario na placa STM32F7 e testar para ver se funciona.

Conecte a placa STM32F7 via USB. A placa deve aparecer na sua maquina como o espaço de disco. Copie o arquivo binário criado com o último comando para dentro da pasta da placa. O binário está em /BUILD/DISCO_F746NG/GCC_ARM/. Ou utilize o seguinte comando

cp ./BUILD/DISCO_F746NG/GCC_ARM/mbed.bin /Volumes/DIS_F746NG/

Quando você copiar o arquivo, a placa deve reiniciar com o programa rodando, você deve ver o programa agora interpretando os comandos de voz.

Resolução de problemas

#to-do