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移動平台深度神經網路實戰:原理、架構與優化

移動平台深度神經網路實戰:原理、架構與優化

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內容簡介

本書精講移動平臺深度學習系統所需核心演算法、硬體級指令集、系統設計與程式設計實戰、海量資料處理、業界流行框架裁剪與產品級性能優化策略等,深入、翔實。

深度學習基礎(第1~4章),介紹開發機器學習系統所需重要知識點,以及開發移動平臺機器學習系統演算法基石,諸如人工神經網路、稀疏自編碼器、深度網路、卷積神經網路等。

移動平臺深度學習基礎(第5~6章),介紹移動平臺開發環境搭建、移動平臺開發基礎、ARM指令集加速技術,以及羽量級網路的實現原理與實戰。

深入理解深度學習(第7~8章),剖析資料預處理原理與方法,高性能即時處理系統開發,以及基於深度神經網路的物體檢測與識別。本篇是下一篇內容的前導與“基石”。

深入理解移動平臺深度學習(第9~12章),本篇應用前述章節的框架與技術,實現移動平臺深度學習系統的實現與集成,具體涵蓋:① 移動平臺性能優化,資料獲取與訓練,為開發移動平臺圖像分類系統建立基礎;② 深入剖析TensorFlow Lite代碼體系、構建原理、集成方法以及核心代碼與裁剪分析,模型處理工具,並完成移動平臺系統集成;③ 結合實戰分析主流移動平臺機器學習框架、介面,並展望未來。
 
 

作者介紹

盧譽聲
Autodesk資料平臺和計算平臺資深工程師,負責平臺架構研發工作。工作內容涵蓋大規模分散式系統的伺服器後端、前端以及SDK的設計與研發,在資料處理、即時計算、分散式系統設計與實現、性能調優、高可用性和自動化等方面積累了豐富的經驗。擅長C/C++、JavaScript開發,此外對 Scala、Java以及移動平臺等也有一定研究。

著有《移動平臺深度神經網路實戰:原理、架構與優化》、《分散式即時處理系統:原理架構與實現》,並譯有《高級C/C++編譯技術》和《JavaScript程式設計精解(原書第2版)》等。
 
 

目錄

序一
序二
前言

第一篇 深度學習基礎
第1章 向未來問好 2
1.1 機器學習即正義 2
1.1.1 照本宣科 3
1.1.2 關鍵概念概述 4
1.1.3 數學之美 5
1.2 機器學習的場景和任務 6
1.3 機器學習演算法 8
1.4 如何掌握機器學習 10
1.4.1 學習曲線 10
1.4.2 技術棧 11
1.5 深度學習 12
1.6 走進移動世界的深度學習 25
1.7 本書框架 26
1.8 本章小結 27

第2章 機器學習基礎 28
2.1 機器學習的主要任務 28
2.2 貝葉斯模型 29
2.3 Logistic回歸 33
2.4 本章小結 44

第3章 人工神經網路 45
3.1 人工神經網路簡介 45
3.2 基本結構與前向傳播 46
3.3 反向傳播演算法 50
3.4 實現前向神經網路 53
3.5 稀疏自編碼器 61
3.6 神經網路資料預處理 64
3.7 本章小結 65

第4章 深度網路與卷積神經網路 66
4.1 深度網路 66
4.2 卷積神經網路 70
4.3 卷積神經網路實現 73
4.4 本章小結 110

第二篇 移動平臺深度學習基礎
第5章 移動平臺深度學習框架設計與實現 112
5.1 移動平臺深度學習系統開發簡介 112
5.2 ARM Linux基礎開發環境 113
5.2.1 通用ARM工具鏈安裝 114
5.2.2 Android NDK安裝 114
5.2.3 樹莓派工具鏈安裝 115
5.3 TensorFlow Lite介紹 115
5.3.1 TensorFlow Lite特性 115
5.3.2 TensorFlow Lite架構 116
5.3.3 TensorFlow Lite代碼結構 117
5.4 移動平臺性能優化基礎 118
5.4.1 ARM v8體系結構 119
5.4.2 ARM v8資料類型與寄存器 120
5.4.3 Neon指令集介紹 122
5.4.4 ARM v8記憶體模型 124
5.4.5 Neon指令集加速實例 127
5.5 本章小結 140

第6章 移動平臺羽量級網路實戰 141
6.1 適用於移動平臺的羽量級網路 141
6.2 SqueezeNet 142
6.2.1 微觀結構 142
6.2.2 宏觀結構 142
6.2.3 核心思路 143
6.2.4 實戰:用PyTorch實現SqueezeNet 144
6.3 MobileNet 153
6.4 ShuffleNet 154
6.5 MobileNet V2 155
6.5.1 MobileNet的缺陷 155
6.5.2 MobileNet V2的改進 155
6.5.3 網路結構 156
6.5.4 實戰:用PyTorch實現MobileNet V2 157
6.6 本章小結 161

第三篇 深入理解深度學習
第7章 高性能數據預處理實戰 164
7.1 資料預處理任務 164
7.2 數據標準化 166
7.3 PCA 167
7.4 在Hurricane之上實現PCA 170
7.5 本章小結 192

第8章 基於深度神經網路的物體檢測與識別 193
8.1 模式識別與物體識別 193
8.2 圖像分類 197
8.3 目標識別與物體檢測 207
8.4 檢測識別實戰 213
8.5 移動平臺檢測識別實戰 237
8.6 本章小結 258

第四篇 深入理解移動平臺深度學習
第9章 深入移動平臺性能優化 260
9.1 模型壓縮 260
9.2 權重稀疏化 262
9.3 模型加速 275
9.4 嵌入式優化 287
9.5 嵌入式優化代碼實現 290
9.6 本章小結 313

第10章 資料獲取與模型訓練實戰 314
10.1 收集海量資料 314
10.2 圖片資料爬蟲實現 317
10.3 訓練與測試 330
10.3.1 模型定義 330
10.3.2 訓練 334
10.3.3 測試 342
10.3.4 封裝 344
10.4 本章小結 345

第11章 移動和嵌入式平臺引擎與工具實戰 346
11.1 TensorFlow Lite構建 346
11.2 集成TensorFlow Lite 357
11.3 核心實現分析 358
11.4 模型處理工具 407
11.5 本章小結 425

第12章 移動平臺框架與介面實戰 426
12.1 Core ML 426
12.2 Android Neural Networks API 437
12.2.1 等等,Google還有一個ML Kit 437
12.2.2 NNAPI程式設計模型 437
12.2.3 創建網路與計算 439
12.2.4 JNI封裝與調用 451
12.2.5 App實戰:集成NNAPI 454
12.3 實戰:實現Android圖像分類器App 459
12.3.1 JNI封裝 459
12.3.2 Java調用 474
12.4 未來之路 479
12.5 本章小結 480
 
 

為什麼要寫這本書

機器學習、雲計算與移動技術的興起為電腦科學領域注入了前所未有的活力,而海量資料時代的來臨更是為機器學習技術帶來了新的發展契機。我們可以看到,越來越多的企業和研發機構開始在自己的產品當中加入機器智慧,曾經僅僅是為了錦上添花而使用的機器學習應用,如今搖身一變,成了現代軟體產品或服務的核心競爭力。

通過機器學習技術,軟體或服務的功能和體驗得到了質的提升。比如,我們甚至可以通過啟發式引擎智慧地預測並調節雲計算分散式系統的節點壓力,以此改善服務的彈性和穩定性,這是多麼美妙。而對移動平臺來說,越來越多的移動終端、邊緣計算設備和App開始引入人工智慧技術,而且對預測即時性要求高的環境也越來越依賴於離線即時機器學習,另外移動技術的普及也讓邊緣計算支援機器智慧成為可能。

然而,開發成熟完善的機器學習系統並不簡單。不同于傳統電腦軟體系統開發,研發機器學習系統不僅需要掌握扎實的軟體發展技術、演算法原理,還需要掌握紛繁複雜的資料處理原理和實踐方法。此外,機器學習系統的實際載體多種多樣。一個典型的機器學習系統可以是運行在雲計算平臺(比如AmazonAWS)之上的實例,通過API調用的方式提供預測服務。另一種情況是,集中式提供機器學習服務固然不錯,但離線機器學習計算是一項重大補充。

在對即時性要求極為苛刻的生產環境中,即時的本地機器學習預測技術就顯得尤為關鍵,如何在確保準確率的前提下,提升整體計算效率、降低系統功耗成為需要攻克的難題。在移動技術、邊緣計算等技術突飛猛進的當下,研發高可靠、高效率以及低功耗的移動平臺機器學習系統擁有廣闊的發展願景和市場,這既為我們創造了新的機遇,也使研發面臨巨大的挑戰。這是筆者撰寫本書的原動力。本書著眼於移動平臺之上的深度神經網路系統的研發和實戰,從理論開始,抽絲剝繭地闡述、歸納和總結研發高性能計算系統的各個方面,同時輔以實戰,帶領讀者一起掌握實際的工程落地方法。
未來已至,我們需要做好準備!

本書特色
本書是一本由淺入深詳細講解研發高性能移動平臺深度學習系統的程式設計實戰書。本書從基礎機器學習知識開始講起,涵蓋設計和使用高性能分散式即時處理系統,移動平臺程式設計,前向引擎優化和裁剪,實際的代碼編寫,最終實現一整套針對移動領域開發的完整機器學習解決方案。在本書中,我們將介紹一套以C++編寫的高性能分散式即時處理系統Hurricane及其使用方法,供資料收集和預處理使用。在此基礎上,我們會深入剖析機器學習原理和深度神經網路概念,而概念講解伴隨而來的是程式設計實戰,本書主要使用Python來講解基礎演算法,驗證設想。

另外,本書採用循序漸進的方式講解理論知識,從基礎知識入手到艱澀的優化演算法。相比於C/C++,Python是一門易於上手並實驗友好的膠水語言,因此在講解各類概念與演算法時,我們會使用Python來驗證設想。從神經網路和深度學習篇章開始,為了給工程開發學習打下堅實的基礎,本書除了使用Python代碼驗證設想外,還使用C/C++來實現產品級的代碼。

由於本書的主題是講解如何開發實現高性能的移動平臺深度學習系統,因此會花費大量篇幅講解各種旨在提升演算法速度和減小模型的小的演算法與技術手段,從羽量級網路等演算法模型層面改良到Neon指令集應用、權重稀疏化、半精度、權重量化等優化演算法與技術實現,最終完成適用於移動平臺的深度學習引擎性能增強與模型裁剪。為了完成完整的深度學習系統,我們除了要掌握基本原理外還需要掌握各類實現應用所需的工程技術。例如,在第三篇講解與完成整個系統相關的所有技術時,還介紹了如何爬取訓練用的圖像資料、清理訓練資料、編寫訓練代碼等內容,並以Tensor FlowLite為例,講解移動平臺深度學習引擎框架的搭建方法,卷積層、池化層和全連接層實現與iOS(包括iPadOS)、Android等平臺的交互操作實現與封裝方案,最終完成可以在iOS與Android上實際運行的深度學習系統。

期待讀者能從本書中學到新的知識,以便對深度學習與移動平臺系統開發有更加深入的認識,瞭解如何構建一個高性能移動平臺深度學習系統。
 
 

詳細資料

  • ISBN:9787111641001
  • 規格:平裝 / 480頁 / 16k / 19 x 26 x 2.4 cm / 普通級 / 單色印刷 / 1-1
  • 出版地:中國

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