Monocular depth estimation (MDE) plays a crucial role in enabling spatially-aware applications in Ultra-low-power (ULP) Internet-of-Things (IoT) platforms. However, the limited number of parameters of Deep Neural Networks for the MDE task, designed for IoT nodes, results in severe accuracy drops when the sensor data observed in the field shifts significantly from the training dataset. To address this domain shift problem, we present a multi-modal On-Device Learning (ODL) technique, deployed on an IoT device integrating a Greenwaves GAP9 MicroController Unit (MCU), a 80 mW monocular camera and a 8 x 8 pixel depth sensor, consuming $\approx$300mW. In its normal operation, this setup feeds a tiny 107 k-parameter $μ$PyD-Net model with monocular images for inference. The depth sensor, usually deactivated to minimize energy consumption, is only activated alongside the camera to collect pseudo-labels when the system is placed in a new environment. Then, the fine-tuning task is performed entirely on the MCU, using the new data. To optimize our backpropagation-based on-device training, we introduce a novel memory-driven sparse update scheme, which minimizes the fine-tuning memory to 1.2 MB, 2.2x less than a full update, while preserving accuracy (i.e., only 2% and 1.5% drops on the KITTI and NYUv2 datasets). Our in-field tests demonstrate, for the first time, that ODL for MDE can be performed in 17.8 minutes on the IoT node, reducing the root mean squared error from 4.9 to 0.6m with only 3 k self-labeled samples, collected in a real-life deployment scenario.


翻译:单目深度估计(MDE)对于在超低功耗物联网平台上实现空间感知应用至关重要。然而,为物联网节点设计的MDE任务深度神经网络参数数量有限,当现场观测到的传感器数据与训练数据集存在显著偏移时,会导致精度严重下降。为解决这一领域偏移问题,我们提出了一种多模态设备端学习技术,并将其部署在集成Greenwaves GAP9微控制器单元、80 mW单目相机和8×8像素深度传感器的物联网设备上,总功耗约为300mW。在正常操作中,该配置为仅含107 k参数的μPyD-Net模型提供单目图像进行推理。为最小化能耗通常处于关闭状态的深度传感器,仅在系统置于新环境时与相机同步激活以收集伪标签。随后,微控制器单元完全利用新数据执行微调任务。为优化基于反向传播的设备端训练,我们提出了一种新颖的内存驱动稀疏更新方案,将微调内存需求降至1.2 MB,较完整更新减少2.2倍,同时保持精度(在KITTI和NYUv2数据集上仅分别下降2%和1.5%)。我们的现场测试首次证明,MDE设备端学习可在物联网节点上于17.8分钟内完成,仅需在真实部署场景中收集的3 k个自标注样本,即可将均方根误差从4.9米降低至0.6米。

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