С развитием технологий появились новые возможности для людей с ограниченными возможностями. Edge Machine Learning (Edge ML) представляет собой передовую технологию, которая приближает алгоритмы машинного обучения к источнику данных, что сокращает задержку и улучшает возможности обработки данных в реальном времени.

В этой статье мы рассмотрим потенциал применения Edge ML для решения уникальных проблем, с которыми сталкиваются люди с особыми потребностями. Edge ML может способствовать созданию более доступной среды, что так важно для поддержки людей, которые и так оказались в непростом положении. Мы рассмотрим различные аспекты, вызовы и потенциальные улучшения, формирующие эволюцию модели Edge ML. Эта модель сфокусирована на двух основных задачах: выявлении случаев запугивания и предоставлении успокаивающей поддержки.

Приступим(:

Подход Edge ML

Edge ML работает путем запуска алгоритмов машинного обучения непосредственно на устройствах краевого уровня, например, смартфоны, планшеты или IoT, в отличие от полной зависимости от централизованных серверов облачных вычислений. Этот децентрализованный подход предлагает несколько преимуществ, важных для поддержки особых потребностей:

Низкая задержка: Edge ML сокращает время обработки данных, что позволяет получать мгновенные ответы. Это критически важно для реального времени в приложениях для общения людей с аутизмом или СДВГ.
Конфиденциальность и безопасность: Обработка данных на краевых устройствах повышает конфиденциальность, минимизируя передачу чувствительных данных. Это важно для поддержания конфиденциальности пользователей в приложениях для особых потребностей и обеспечения безопасности.
Настройка и персонализация: Edge Machine Learning позволяет создавать персонализированные приложения, отвечающие индивидуальным потребностям, настраивая модели машинного обучения для распознавания и реагирования на конкретные шаблоны и поведение.

TensorFlow Lite

Многие смарт-часы имеют достаточную вычислительную мощность для запуска легких моделей машинного обучения непосредственно на устройстве. TensorFlow Lite - это фреймворк, предназначенный для краевых устройств, включая, кстати, смарт-часы, который облегчает эту интеграцию. Процесс интеграции включает выбор или обучение легкой модели, преобразование модели в формат TensorFlow Lite, интеграцию TensorFlow Lite в приложение для смарт-часов и настройку предварительной обработки входных данных для обеспечения соответствия требованиям модели.

Архитектура TensorFlow Lite:

Шаги реализации Edge ML для распознавания речи:

Сначала нам необходимо выбрать или обучить модель машинного обучения, специально разработанную для распознавания речи, такую как DeepSpeech или компактные нейронные сети, оптимизированные для устройств на краю сети.
Далее нам необходимо снизить нагрузку на вычисления и требования к памяти, применяя квантизацию к модели, что позволяет нам преобразовать параметры к более низкой точности, например, от 32-битных чисел с плавающей запятой к 8-битным целым числам.
Затем мы разрабатываем мобильное приложение для устройств iOS или Android, которое будет захватывать речевой ввод с удобным пользовательским интерфейсом.
Потом мы внедряем квантизированную модель распознавания речи в мобильное приложение для использования на краевом устройстве без необходимости постоянного подключения к интернету.
Также реализуем обработку речевого ввода в реальном времени на краевом устройстве с помощью встроенной модели, которая будет преобразовывать речь в текст и, возможно, выполнять дополнительную обработку.
Также нам нужно не забыть предоставьте пользователям возможность настраивать приложение, подстраивая модель под их индивидуальные особенности речи. Обновляем модель локально на устройстве для улучшения точности и реакции приложения.
Не забываем и о режиме работы без подключения к интернету, что особенно важно в ситуациях с ограниченным доступом к сети.
Внедряем меры для защиты конфиденциальности, обрабатывая чувствительные данные локально на устройстве и предотвращая их передачу на внешние серверы.
Также интегрируем механизмы обратной связи или вмешательства на основе анализа модели, чтобы пользователи могли получать мгновенные подсказки для улучшения своих речевых навыков.
И, конечно, устанавливаем механизмы для постоянного улучшения, путем периодического обновления модели на основе новых данных и обратной связи пользователей, чтобы приложение могло эволюционировать и лучше соответствовать потребностям пользователей.

Для адаптации кода к Edge ML используем TensorFlow Lite для микроконтроллеров или аналогичный фреймворк, принимая во внимание особенности и требования конкретного краевого устройства.

Приведем пошаговый пример:

Импортируем необходимые библиотеки

import numpy as np  # для работы с массивами и вычислениями
import tflite_micro_runtime.interpreter as tflite  # для работы с моделью TensorFlow Lite
import sounddevice as sd  # для записи аудио
import pygame  # для воспроизведения аудиофайлов
import PySimpleGUI as sg  # для создания графического интерфейса
import threading  # для работы с многопоточностью
import time  # для работы со временем
import os  # для работы с файловой системой
import tflite_runtime.interpreter as tflite # для компактности

Создаем класс BullyingDetectionSystem

class BullyingDetectionSystem:
    def init(self, model_path):
        # инициализируем переменные и параметры системы
        self.is_running = False
        self.log_file_path = 'bullying_log.txt'
        self.progress_meter = None
        self.threshold_slider = None
        self.timer_start = None
        self.model_path = model_path
        self.threshold = 0.5
        self.interpreter = None
    def initialize_model(self):
        # инициализируем модели TensorFlow Lite для микроконтроллеров
        self.interpreter = tflite.Interpreter(model_path=self.model_path)
        self.interpreter.allocate_tensors()
    def set_threshold(self, threshold):
        # устанавливаем пороговое значение для определения нежелательного поведения
        self.threshold = threshold
    def start_system(self):
        # запускаем систему обнаружения
        if self.interpreter is None:
            print("Ошибка: Модель не инициализирована.")
            return
        self.is_running = True
        # здесь может быть доп код
    def stop_system(self):
        # Остановка системы обнаружения
        self.is_running = False
        # и здесь тоже может быть доп код

Определяем метод reset_status для сброса состояния системы

def reset_status(self, is_running=False, progress=0, timer='00:00', threshold=None):
  """
    сбрасывает состояние системы на заданные значения
    :param is_running: флаг, указывающий, запущена ли система
    :param progress: прогресс системы
    :param timer: значение таймера
    :param threshold: пороговое значение
    """
    self.is_running = is_running
    self.update_progress(progress)
    self.update_timer(timer)
    if threshold is not None:
        self.update_threshold(threshold)
    self.update_window()
def update_progress(self, value):
    """
    обновляет прогресс системы
    :param value: новое значение прогресса
    """
    if self.progress_meter:
        self.progress_meter.update(value)
def update_timer(self, value):
    """
    обновляет таймер
    :param value: новое значение таймера
    """
    if self.timer_start:
        self.timer_start.update(value)
def update_threshold(self, value):
    """
    обновляет пороговое значение
    :param value: новое пороговое значение
    """
    if self.threshold_slider:
        self.threshold_slider.update(value=value)
def update_window(self, status_text='', output_text=''):
    """
    обновляет окно с указанными текстами
    :param status_text: текст для статуса
    :param output_text: текст для вывода
    """
    if self.window:
        self.window['Status'].update(status_text)
        self.window['Output'].update(output_text)

Определяем метод playback_audio для воспроизведения аудиофайлов

class YourClassName:
    def init(self):
        pygame.init()
        pygame.mixer.init()
    def playback_audio(self, file_path):
        try:
            pygame.mixer.music.load(file_path)
            pygame.mixer.music.play()
            # ожидание завершения воспроизведения
            while pygame.mixer.music.get_busy():
                time.sleep(0.1)
        except pygame.error as e:
            print("Ошибка при воспроизведении аудио:", str(e))
        finally:
            pygame.mixer.quit()
            pygame.quit()

Определяем метод view_log для просмотра логов

def view_log(self):
        # создание окна для просмотра логов
        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)
        try:
            # открытие файла логов и вывод содержимого в окно
            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.")
        # обработка событий окна просмотра логов
        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()

Определяем метод simulate_smartwatch_gui для имитации интерфейса смарт-часов

def simulate_smartwatch_gui(self):
    # создание макета графического интерфейса
    layout = self.create_layout()
    # создание окна графического интерфейса
    self.create_window(layout)
    # обработка событий и обновление GUI
    while True:
        # получение события и значений элементов интерфейса
        event, values = self.window.read(timeout=100)
        # проверка на закрытие окна или нажатие кнопки "Exit"
        if event == sg.WIN_CLOSED or event == "Exit":
            break
        # обработка событий
        self.handle_event(event, values)
        # обновление GUI
        self.update_gui()
    # закрытие окна
    self.window.close()
# метод для создания макета графического интерфейса
def create_layout(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")]

    ]
    return layout
# метод для создания окна графического интерфейса
def create_window(self, layout):
    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']
# метод для обработки событий
def handle_event(self, event, values):
    if 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")

Определяем метод update_gui для обновления интерфейса

 def update_gui(self):
    # обновление статуса системы в зависимости от того, запущена ли она
    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')
    # обновление положения ползунка порогового значения
    self.window['threshold_slider'].update(value=self.threshold)

Определяем метод run_detection_system для запуска системы обнаружения запугивания

   def run_detection_system(self):
    # запуск системы обнаружения, пока она активна
    while self.is_running:
        # замер времени начала выполнения
        start_time = time.time()        
        # запись аудиоданных
        audio_data = self.record_audio()
        # обнаружение запугивания
        bullying_detected = self.predict_bullying(audio_data)        
        # замер времени завершения выполнения
        end_time = time.time()        
        # обновление таймера записи
        elapsed_time = end_time - start_time
        self.timer_start.update(f"{int(elapsed_time // 60):02d}:{int(elapsed_time % 60):02d}")        
        # запись в лог, если обнаружено запугивание
        if 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}")
        # обновление прогресса (пока здесь происходит просто обновление на фиксированное значение)
        self.progress_meter.update_bar(10)

Определяем метод record_audio для записи аудио

class YourClassName:
    def record_audio(self, duration=5, sample_rate=44100):
        """
        записывает аудио в течение заданной длительности и возвращает массив аудиоданных
        :param duration: длительность записи в секундах
        :param sample_rate: частота дискретизации
        :return: массив аудиоданных
        """
        try:
            # запись аудио с использованием sounddevice
            recording = sd.rec(int(duration * sample_rate), samplerate=sample_rate, channels=1, dtype='int16')
            sd.wait()
            return recording.flatten()
        except Exception as e:
            print(f"Error recording audio: {e}")
            return None

Определяем метод predict_bullying для предсказания запугивания

def predict_bullying(self, audio_data):
    """
    предсказывает, содержится ли запугивание в аудиоданных
    :param audio_data: Массив аудиоданных.
    :return: True, если запугивание обнаружено, в противном случае - False.
    """
    try:
        # получение индексов входного и выходного тензоров модели
        input_tensor_index = self.interpreter.input_details[0]['index']
        output_tensor_index = self.interpreter.output_details[0]['index']
        # подготовка входных данных для модели
        input_data = np.array(audio_data, dtype=np.int16)  # предполагается формат int16 для аудиоданных
        input_data = np.expand_dims(input_data, axis=0)

        # проверка соответствия размерности входных данных
        if input_data.shape != self.interpreter.input_details[0]['shape']:
            raise ValueError("Размерность входных данных не соответствует ожидаемой размерности модели.")

    
        # передача данных в модель и выполнение предсказания
        self.interpreter.set_tensor(input_tensor_index, input_data)
        self.interpreter.invoke()
        output_data = self.interpreter.get_tensor(output_tensor_index)

        
        # логика для определения обнаружения запугивания
        return output_data[0] > self.threshold
    except Exception as e:
        print(f"Error predicting bullying: {e}")
        return False

Точка входа в программу

if name == "main":
    model_path = 'your_model.tflite'  # Путь к файлу модели TensorFlow Lite
    detection_system = BullyingDetectionSystem(model_path)
    detection_system.simulate_smartwatch_gui()

Преодоление ограничений модели

Хотя концепция единой модели представляет собой всесторонний подход, важно осознавать потенциальные ограничения. Сложные сценарии, требующие специализированных реакций, могут представлять вызовы, подчеркивая необходимость постоянного улучшения.

Нам необходимо использовать метрики оценки, чтобы понять, как хорошо модель работает на различных наборах данных. Это поможет идентифицировать сложные сценарии, с которыми модель может иметь проблемы.
Также не менее важен анализ данных, чтобы выявить возможные проблемы или несбалансированность классов. Может потребоваться собрать больше данных или применить методы обработки данных для улучшения качества обучающего набора.
Создаем цикл обратной связи, позволяющий системе реагировать на изменения и ситуации в реальном времени, для постоянного улучшения.
Периодическое обновление модели с учетом новых данных, требований и обратной связи, чтобы она оставалась актуальной и эффективной.
И конечно постоянный мониторинг, важно отслеживать результаты работы системы и анализировать отчеты о проблемах или ошибках для последующего улучшения.

Интеграция обучения с подкреплением

Для улучшения персонализации и адаптивности можно внедрить обучение с подкреплением в единую модель. Это позволяет модели динамически адаптироваться к реакциям и откликам, повышая ее эффективность.

Применение обучения с подкреплением

Система вознаграждения: Разработка механизма вознаграждения для поддержки желательных результатов и коррекции поведения в соответствии с ними.

Гибкие стратегии: Предоставление возможности постепенного обучения и адаптации модели для обеспечения персонализированных и эффективных вмешательств.

Совместное улучшение модели

Единая модель не является статической, а динамически развивающейся структурой. Для обеспечения ее эффективности и актуальности важно продолжать сотрудничество и обмен опытом между различными заинтересованными сторонами.

Создание совместного пространства для обмена идеями и решениями среди заинтересованных сторон.

Приоритизация потребностей пользователей и активное привлечение их мнения для обеспечения соответствия модели их ожиданиям и потребностям.

В заключение

Подытожим: использование технологии Edge Machine Learning имеет огромный потенциал для улучшения поддержки людей с ограниченными возможностями. Нам доступна возможность совершенствования нашего технологичного общества, однако стоит подойти к вопросу с пониманием и ответственностью, не забывая про этические соображения, а также совместную работу над совершенствованием моделей.

Я всеми руками-ногами за развитие и использование таких продуктов, ввиду того, что сама не понаслышке знаю каково приходится особенным людям, однако мы не можем этого исправить, их положения то есть, зато мы можем помочь, поэтому выступаю за развитие Edge Machine Learning.

Всем спасибо! Рады будем вашему мнению (:

Edge ML для людей с ограниченными возможностями