在 Flutter 中使用 TensorFlow Lite 插件实现文字分类

如果您希望能有一种简单、高效且灵活的方式把 TensorFlow 模型集成到 Flutter 应用里，那请您一定不要错过我们今天介绍的这个全新插件 tflite_flutter。这个插件的开发者是 Google Summer of Code(GSoC) 的一名实习生 Amish Garg，本文来自他在 Medium 上的一篇文章《在 Flutter 中使用 TensorFlow Lite 插件实现文字分类》。

tflite_flutter 插件的核心特性：

它提供了与 TFLite Java 和 Swift API 相似的 Dart API，所以其灵活性和在这些平台上的效果是完全一样的
通过 dart:ffi 直接与 TensorFlow Lite C API 相绑定，所以它比其它平台集成方式更加高效。
无需编写特定平台的代码。
通过 NNAPI 提供加速支持，在 Android 上使用 GPU Delegate，在 iOS 上使用 Metal Delegate。

本文中，我们将使用 tflite_flutter 构建一个 文字分类 Flutter 应用 带您体验 tflite_flutter 插件，首先从新建一个 Flutter 项目 text_classification_app 开始。

初始化配置

Linux 和 Mac 用户

将 install.sh 拷贝到您应用的根目录，然后在根目录执行 sh install.sh，本例中就是目录 text_classification_app/。

Windows 用户

将 install.bat 文件拷贝到应用根目录，并在根目录运行批处理文件 install.bat，本例中就是目录 text_classification_app/。

它会自动从 release assets 下载最新的二进制资源，然后把它放到指定的目录下。

请点击到 README 文件里查看更多关于初始配置的信息。

获取插件

在 pubspec.yaml 添加 tflite_flutter: ^<latest_version> （详情）。

下载模型

要在移动端上运行 TensorFlow 训练模型，我们需要使用 .tflite 格式。如果需要了解如何将 TensorFlow 训练的模型转换为 .tflite 格式，请参阅官方指南。

这里我们准备使用 TensorFlow 官方站点上预训练的文字分类模型，可从这里下载。

该预训练的模型可以预测当前段落的情感是积极还是消极。它是基于来自 Mass 等人的 Large Movie Review Dataset v1.0 数据集进行训练的。数据集由基于 IMDB 电影评论所标记的积极或消极标签组成，点击查看更多信息。

将 text_classification.tflite 和 text_classification_vocab.txt 文件拷贝到 text_classification_app/assets/ 目录下。

在 pubspec.yaml 文件中添加 assets/。

assets:    
  - assets/

现在万事俱备，我们可以开始写代码了。 🚀

实现分类器

预处理

正如文字分类模型页面里所提到的。可以按照下面的步骤使用模型对段落进行分类：

对段落文本进行分词，然后使用预定义的词汇集将它转换为一组词汇 ID；
将生成的这组词汇 ID 输入 TensorFlow Lite 模型里；
从模型的输出里获取当前段落是积极或者是消极的概率值。

我们首先写一个方法对原始字符串进行分词，其中使用 text_classification_vocab.txt 作为词汇集。

在 lib/ 文件夹下创建一个新文件 classifier.dart。

这里先写代码加载 text_classification_vocab.txt 到字典里。

import 'package:flutter/services.dart';

class Classifier {
  final _vocabFile = 'text_classification_vocab.txt';
  
  Map<String, int> _dict;

  Classifier() {
    _loadDictionary();
  }

  void _loadDictionary() async {
    final vocab = await rootBundle.loadString('assets/$_vocabFile');
    var dict = <String, int>{};
    final vocabList = vocab.split('\n');
    for (var i = 0; i < vocabList.length; i++) {
      var entry = vocabList[i].trim().split(' ');
      dict[entry[0]] = int.parse(entry[1]);
    }
    _dict = dict;
    print('Dictionary loaded successfully');
  }
  
}

加载字典

现在我们来编写一个函数对原始字符串进行分词。

import 'package:flutter/services.dart';

class Classifier {
  final _vocabFile = 'text_classification_vocab.txt';

  // 单句的最大长度
  final int _sentenceLen = 256;

  final String start = '<START>';
  final String pad = '<PAD>';
  final String unk = '<UNKNOWN>';

  Map<String, int> _dict;
  
  List<List<double>> tokenizeInputText(String text) {
    
    // 使用空格进行分词
    final toks = text.split(' ');
    
    // 创建一个列表，它的长度等于 _sentenceLen，并且使用 <pad> 的对应的字典值来填充
    var vec = List<double>.filled(_sentenceLen, _dict[pad].toDouble());

    var index = 0;
    if (_dict.containsKey(start)) {
      vec[index++] = _dict[start].toDouble();
    }

    // 对于句子里的每个单词在 dict 里找到相应的 index 值
    for (var tok in toks) {
      if (index > _sentenceLen) {
        break;
      }
      vec[index++] = _dict.containsKey(tok)
          ? _dict[tok].toDouble()
          : _dict[unk].toDouble();
    }

    // 按照我们的解释器输入 tensor 所需的形状 [1,256] 返回 List<List<double>>
    return [vec];
  }
}

使用 tflite_flutter 进行分析

这是本文的主体部分，这里我们会讨论 tflite_flutter 插件的用途。

这里的分析是指基于输入数据在设备上使用 TensorFlow Lite 模型的处理过程。要使用 TensorFlow Lite 模型进行分析，需要通过 解释器 来运行它，了解更多。

创建解释器，加载模型

tflite_flutter 提供了一个方法直接通过资源创建解释器。

static Future<Interpreter> fromAsset(String assetName, {InterpreterOptions options})

由于我们的模型在 assets/ 文件夹下，需要使用上面的方法来创建解析器。对于 InterpreterOptions 的相关说明，请参考这里。

import 'package:flutter/services.dart';

// 引入 tflite_flutter
import 'package:tflite_flutter/tflite_flutter.dart';

class Classifier {
  // 模型文件的名称
  final _modelFile = 'text_classification.tflite';

  // TensorFlow Lite 解释器对象
  Interpreter _interpreter;

  Classifier() {
    // 当分类器初始化以后加载模型
    _loadModel();
  }

  void _loadModel() async {
    
    // 使用 Interpreter.fromAsset 创建解释器
    _interpreter = await Interpreter.fromAsset(_modelFile);
    print('Interpreter loaded successfully');
  }

}

创建解释器的代码

如果您不希望将模型放在 assets/ 目录下，tflite_flutter 还提供了工厂构造函数创建解释器，更多信息。

我们开始进行分析！

现在用下面方法启动分析：

void run(Object input, Object output);

注意这里的方法和 Java API 中的是一样的。

Object input 和 Object output 必须是和 Input Tensor 与 Output Tensor 维度相同的列表。

要查看 input tensors 和 output tensors 的维度，可以使用如下代码：

_interpreter.allocateTensors();
// 打印 input tensor 列表
print(_interpreter.getInputTensors());
// 打印 output tensor 列表
print(_interpreter.getOutputTensors());

在本例中 text_classification 模型的输出如下：

InputTensorList:
[Tensor{_tensor: Pointer<TfLiteTensor>: address=0xbffcf280, name: embedding_input, type: TfLiteType.float32, shape: [1, 256], data:  1024]
OutputTensorList:
[Tensor{_tensor: Pointer<TfLiteTensor>: address=0xbffcf140, name: dense_1/Softmax, type: TfLiteType.float32, shape: [1, 2], data:  8]

现在，我们实现分类方法，该方法返回值为 1 表示积极，返回值为 0 表示消极。

int classify(String rawText) {
    
    //  tokenizeInputText 返回形状为 [1, 256] 的 List<List<double>>
    List<List<double>> input = tokenizeInputText(rawText);
   
    // [1,2] 形状的输出
    var output = List<double>(2).reshape([1, 2]);
    
    // run 方法会运行分析并且存储输出的值
    _interpreter.run(input, output);

    var result = 0;
    // 如果输出中第一个元素的值比第二个大，那么句子就是消极的
    
    if ((output[0][0] as double) > (output[0][1] as double)) {
      result = 0;
    } else {
      result = 1;
    }
    return result;
  }

用于分析的代码

在 tflite_flutter 的 extension ListShape on List 下面定义了一些使用的扩展：

// 将提供的列表进行矩阵变形，输入参数为元素总数 // 保持相等 
// 用法：List(400).reshape([2,10,20]) 
// 返回  List<dynamic>

List reshape(List<int> shape)
// 返回列表的形状
List<int> get shape
// 返回列表任意形状的元素数量
int get computeNumElements

最终的 classifier.dart 应该是这样的：

import 'package:flutter/services.dart';

// 引入 tflite_flutter
import 'package:tflite_flutter/tflite_flutter.dart';

class Classifier {
  // 模型文件的名称
  final _modelFile = 'text_classification.tflite';
  final _vocabFile = 'text_classification_vocab.txt';

  // 语句的最大长度
  final int _sentenceLen = 256;

  final String start = '<START>';
  final String pad = '<PAD>';
  final String unk = '<UNKNOWN>';

  Map<String, int> _dict;

  // TensorFlow Lite 解释器对象
  Interpreter _interpreter;

  Classifier() {
    // 当分类器初始化的时候加载模型
    _loadModel();
    _loadDictionary();
  }

  void _loadModel() async {
    // 使用 Intepreter.fromAsset 创建解析器
    _interpreter = await Interpreter.fromAsset(_modelFile);
    print('Interpreter loaded successfully');
  }

  void _loadDictionary() async {
    final vocab = await rootBundle.loadString('assets/$_vocabFile');
    var dict = <String, int>{};
    final vocabList = vocab.split('\n');
    for (var i = 0; i < vocabList.length; i++) {
      var entry = vocabList[i].trim().split(' ');
      dict[entry[0]] = int.parse(entry[1]);
    }
    _dict = dict;
    print('Dictionary loaded successfully');
  }

  int classify(String rawText) {
    // tokenizeInputText  返回形状为 [1, 256] 的 List<List<double>>
    List<List<double>> input = tokenizeInputText(rawText);

    //输出形状为 [1, 2] 的矩阵
    var output = List<double>(2).reshape([1, 2]);

    // run 方法会运行分析并且将结果存储在 output 中。
    _interpreter.run(input, output);

    var result = 0;
    // 如果第一个元素的输出比第二个大，那么当前语句是消极的

    if ((output[0][0] as double) > (output[0][1] as double)) {
      result = 0;
    } else {
      result = 1;
    }
    return result;
  }

  List<List<double>> tokenizeInputText(String text) {
    // 用空格分词
    final toks = text.split(' ');

    // 创建一个列表，它的长度等于 _sentenceLen，并且使用 <pad> 对应的字典值来填充
    var vec = List<double>.filled(_sentenceLen, _dict[pad].toDouble());

    var index = 0;
    if (_dict.containsKey(start)) {
      vec[index++] = _dict[start].toDouble();
    }

    // 对于句子中的每个单词，在 dict 中找到相应的 index 值
    for (var tok in toks) {
      if (index > _sentenceLen) {
        break;
      }
      vec[index++] = _dict.containsKey(tok)
          ? _dict[tok].toDouble()
          : _dict[unk].toDouble();
    }

    // 按照我们的解释器输入 tensor 所需的形状 [1,256] 返回 List<List<double>>
    return [vec];
  }
}

现在，可以根据您的喜好实现 UI 的代码，分类器的用法比较简单。

// 创建 Classifier 对象
Classifer _classifier = Classifier();
// 将目标语句作为参数，调用 classify 方法
_classifier.classify("I liked the movie");
// 返回 1 （积极的）
_classifier.classify("I didn't liked the movie");
// 返回 0 （消极的）

请在这里查阅完整代码：Text Classification Example app with UI。

Text Classification Example App

文字分类示例应用

了解更多关于 tflite_flutter 插件的信息，请访问 GitHub repo: am15h/tflite_flutter_plugin。

答疑

问：`tflite_flutter` 和 `tflite v1.0.5` 有哪些区别？

tflite v1.0.5 侧重于为特定用途的应用场景提供高级特性，比如图片分类、物体检测等等。而新的 tflite_flutter 则提供了与 Java API 相同的特性和灵活性，而且可以用于任何 tflite 模型中，它还支持 delegate。

由于使用 dart:ffi (dart ↔️ (ffi) ↔️ C)，tflite_flutter 非常快 (拥有低延时)。而 tflite 使用平台集成 (dart ↔️ platform-channel ↔️ (Java/Swift) ↔️ JNI ↔️ C)。

问：如何使用 tflite_flutter 创建图片分类应用？有没有类似 TensorFlow Lite Android Support Library 的依赖包？

更新（07/01/2020）: TFLite Flutter Helper 开发库已发布。

TensorFlow Lite Flutter Helper Library 为处理和控制输入及输出的 TFLite 模型提供了易用的架构。它的 API 设计和文档与 TensorFlow Lite Android Support Library 是一样的。更多信息请参考这里。

以上是本文的全部内容，欢迎大家对 tflite_flutter 插件进行反馈，请在这里上报 bug 或提出功能需求。

谢谢关注。

感谢 Michael Thomsen。

致谢

译者：Yuan，谷创字幕组
审校：Xinlei、Lynn Wang、Alex，CFUG 社区。

本文联合发布在 TensorFlow 线上讨论区、101.dev 和 Flutter 中文文档，以及 Flutter 社区线上渠道。