JS `WebNN` (Web Neural Network API) (提案):硬件加速的机器学习推理

各位靓仔靓女,早上好!今天咱们来聊聊一个听起来有点高大上,但其实很接地气的玩意儿:WebNN API,也就是Web Neural Network API。简单来说,它就是让你的网页也能拥有“深度学习”的能力,而且还是硬件加速的那种!

开场白:网页也想秀肌肉!

想象一下,以前在网页上搞点机器学习,那得把模型先下载到浏览器里,然后用JavaScript硬算。这滋味,就像用算盘算微积分,慢不说,还特别耗电。现在有了WebNN,情况就不一样了。它可以调用你电脑或者手机上的GPU、NPU等专用硬件,就像给网页装了个涡轮增压,跑起机器学习模型来,那叫一个丝滑!

WebNN:它到底是个啥?

WebNN API,顾名思义,是W3C的一个提案,旨在为Web应用提供一个标准的接口,来利用设备上的硬件加速器进行神经网络的推理。推理,简单理解就是“预测”,比如给一张图片,判断里面是猫还是狗。

为啥需要WebNN?

  1. 性能提升: 硬件加速,速度杠杠的!告别卡顿,提升用户体验。
  2. 降低功耗: 用GPU/NPU跑模型,比CPU省电多了。
  3. 保护隐私: 数据在本地处理,不用上传到服务器,保护用户隐私。
  4. 标准化: 有了统一的API,开发者不用再为不同的硬件平台写不同的代码。

WebNN的核心概念:

要理解WebNN,需要了解几个核心概念:

  • Graph (图): 神经网络模型,由一系列节点和边组成。节点代表操作(比如卷积、激活函数),边代表数据流。
  • Operand (操作数): 图中的数据,可以是输入数据、权重、偏置等。
  • Compilation (编译): 将图编译成可以在硬件上执行的形式。
  • Execution (执行): 执行编译后的图,进行推理。

WebNN API 详解:手把手教你撸代码!

别怕,咱们不搞那些晦涩难懂的理论,直接上代码!

1. 获取 MLContext

这是WebNN的入口,相当于拿到了一把开启硬件加速大门的钥匙。

const ml = navigator.ml; // 获取 WebNN API
if (!ml) {
  console.log("WebNN API is not supported in this browser.");
}

const context = await ml.createContext(); // 创建 MLContext

2. 定义模型(Graph):

这里我们用一个简单的线性回归模型为例,演示如何构建一个图。当然,实际应用中,你的模型可能会复杂得多,比如卷积神经网络(CNN)或者Transformer。

// 假设输入数据是 x,权重是 w,偏置是 b,输出是 y = x * w + b

// 定义输入操作数
const xDesc = { type: 'float32', dimensions: [1, 1] }; // 输入形状为 [1, 1]
const x = context.createOperand(xDesc);

// 定义权重操作数
const wDesc = { type: 'float32', dimensions: [1, 1] }; // 权重形状为 [1, 1]
const w = context.createOperand(wDesc);

// 定义偏置操作数
const bDesc = { type: 'float32', dimensions: [1, 1] }; // 偏置形状为 [1, 1]
const b = context.createOperand(bDesc);

// 定义乘法操作
const mul = context.mul(x, w);

// 定义加法操作
const y = context.add(mul, b);

// 定义输出操作数
const outputDesc = { type: 'float32', dimensions: [1, 1] };

3. 创建模型构建器:

我们需要一个"建筑师"来把这些操作数和操作组合成一个完整的模型。

const builder = new MLGraphBuilder(context);

4. 构建模型(Graph):

// 使用 MLGraphBuilder 构建模型
const x = builder.input('x', { type: 'float32', dimensions: [1, 1] });
const w = builder.constant({ type: 'float32', dimensions: [1, 1] }, new Float32Array([2.0])); // 权重设置为 2.0
const b = builder.constant({ type: 'float32', dimensions: [1, 1] }, new Float32Array([1.0])); // 偏置设置为 1.0
const mul = builder.mul(x, w);
const y = builder.add(mul, b);

5. 编译模型:

把模型"翻译"成硬件能理解的语言。

const model = await builder.build({ y });

6. 设置输入数据:

准备好要预测的数据。

const inputData = new Float32Array([3.0]); // 输入数据设置为 3.0
const inputTensor = new MLBuffer({ type: 'float32', dimensions: [1, 1] }, inputData);

7. 执行推理:

让模型跑起来,得到预测结果。

const inputs = { 'x': inputTensor };
const outputs = { 'y': { type: 'float32', dimensions: [1, 1] } };
const results = await model.compute(inputs, outputs);

const outputData = results.y.data;
console.log('Output:', outputData[0]); // 预期输出结果是 3.0 * 2.0 + 1.0 = 7.0

完整代码示例:

(async () => {
  const ml = navigator.ml;
  if (!ml) {
    console.log("WebNN API is not supported in this browser.");
    return;
  }

  const context = await ml.createContext();
  const builder = new MLGraphBuilder(context);

  const x = builder.input('x', { type: 'float32', dimensions: [1, 1] });
  const w = builder.constant({ type: 'float32', dimensions: [1, 1] }, new Float32Array([2.0]));
  const b = builder.constant({ type: 'float32', dimensions: [1, 1] }, new Float32Array([1.0]));
  const mul = builder.mul(x, w);
  const y = builder.add(mul, b);

  const model = await builder.build({ y });

  const inputData = new Float32Array([3.0]);
  const inputTensor = new MLBuffer({ type: 'float32', dimensions: [1, 1] }, inputData);

  const inputs = { 'x': inputTensor };
  const outputs = { 'y': { type: 'float32', dimensions: [1, 1] } };
  const results = await model.compute(inputs, outputs);

  const outputData = results.y.data;
  console.log('Output:', outputData[0]); // Output: 7
})();

WebNN的优势与劣势

特性 优势 劣势
性能 硬件加速,推理速度快 依赖硬件支持,部分设备可能不支持
隐私 数据本地处理,保护用户隐私
功耗 硬件加速器通常比CPU更省电
标准化 提供统一的API,方便开发者 API仍在发展中,可能存在变动
模型支持 支持ONNX等常见模型格式 对复杂模型的支持可能存在限制
安全性 沙箱环境运行,安全性高

WebNN的应用场景:

  • 图像识别: 识别图片中的物体、场景等。
  • 语音识别: 将语音转换为文本。
  • 自然语言处理: 文本分类、情感分析、机器翻译等。
  • 实时视频处理: 人脸识别、目标跟踪、视频风格迁移等。
  • 游戏: AI角色控制、游戏物理模拟等。

WebNN与TensorFlow.js/ONNX.js的比较:

  • TensorFlow.js: 一个强大的JavaScript机器学习库,可以在浏览器和Node.js中运行。它可以利用WebGL进行GPU加速,但WebNN提供了更底层的硬件访问能力,性能可能更好。
  • ONNX.js: 一个用于运行ONNX模型的JavaScript库。ONNX是一种开放的模型格式,可以方便地在不同的机器学习框架之间迁移模型。ONNX.js也可以利用WebGL进行GPU加速,但WebNN同样可能提供更好的性能。

WebNN 的目标是提供比 TensorFlow.js 和 ONNX.js 更底层的硬件加速接口,从而实现更高的性能和更低的延迟。 但也意味着需要更多的代码编写和调试,灵活性不如前者。

WebNN的未来展望:

WebNN目前还处于提案阶段,但已经引起了广泛的关注。随着WebNN的不断完善和普及,相信它将在Web开发领域发挥越来越重要的作用,让我们的网页变得更加智能、强大。

总结:

WebNN API是一个很有潜力的技术,它可以让Web应用拥有硬件加速的机器学习能力。虽然目前还不够成熟,但随着标准的完善和硬件的支持,它将在Web开发领域带来革命性的变化。想象一下,未来的网页可以实时进行图像识别、语音识别、自然语言处理,甚至可以运行复杂的AI游戏,是不是很 exciting 呢?

彩蛋:

想体验一下WebNN的威力吗?可以关注一些WebNN的Demo项目,比如MediaPipe on WebNN,它可以让你在浏览器中体验各种酷炫的AI效果。

好了,今天的WebNN讲座就到这里,希望大家有所收获!如果有什么问题,欢迎随时提问。下次有机会再跟大家聊聊如何用WebNN实现一个简单的图像分类器。 祝大家编码愉快,bug 远离!

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注