カメの甲羅をobject detection apiで認識してみる on win10 #Python

えー、リクガメ関連のエントリで染まって来ておりますが、更に浸かっていきます。

これまでの経緯としては・・

AppSyncとDynamodbとkinesisVideoStreamとリクガメモニタリング

が最後の方ですかね。くす玉システムもあるけど。

で、Nextとしては

・カメの位置を画像から捕捉し、カメラを向ける
・カメの移動距離を測る
・hlsのm3u8にWeb Video Text Track (WebVTT)を混ぜ込む

とか妄想しています。
カメの位置の捕捉についてはなんとなくイメージできてるけどとりあえずやってみておきましょうか、というそういうエントリになります。
実際の動作環境はLinux上になると思うのですがまずはwindowsでお試し。

環境

win10 64bit
python 3.6.6
pip 18.1
tensorflow 11.1

だったけどpipとtennsorflowはupgradeしときます

python -m pip install --upgrade pip
pip install --upgrade https://storage.googleapis.com/tensorflow/windows/cpu/tensorflow-1.12.0-cp36-cp36m-win_amd64.whl

pip 19.0.2
tensorflow 1.12.0

になりました。

ラベリング

今回はカメの甲羅を学習させて覚えさせたいと思います。
床材と色が似てるし、識別どうなのかなー、とか思ったけど甲羅って特徴的だし案外イケるんでは？と思ってたりしております。
なお、TensorflowのObject Detection APIを使うのですが、いつものようにQiitaにお世話になります。

Tensorflow Object Detection APIで寿司検出モデルを学習するまで

windowsにも対応しているlabelImgというツールをセットアップします。
windows_v1.8.1.zipというファイルをDL -> 解凍 -> labelImg.exeを実行

操作は直感的。ディレクトリを開いて、画像の上で右クリックしてCreate\nRectBox、甲羅を囲んでkamekusaとラベリングしました。
これを20枚分。いろんな角度から撮ってるけどだいたい同じ画像です。

画像一枚毎にxmlファイルが出来上がりました。1枚にまとまってくれると楽なんだけど、そういう風にできないもんかな。(出来そうな気はするけど今はいいや。)

TFRecordの作成

次はTFRecordというTensorfloｗに対応した形に画像とラベリングデータを変換する必要があります。

との事です。このままでは使えないのか。
こちらを使わせていただきます。

git clone https://github.com/Jwata/sushi_detector_dataset.git

data/sushi_label_map.pbtxt はkame_label_map.pbtxtに変えます。
imagesとannotationsというディレクトリを作り、画像は前者、xmlは後者に。
ちなみに画像はjpgで、拡張子以外は画像もxmlファイルも共通です。

pip intall lxml
pip install object_detection
python create_tf_record.py --annotations_dir=.\annotations --images_dir=.\images --output_dir=.\data\ --label_map_path=.\data\kame_label_map.pbtxt

なんか一回、これにひっかかる

Traceback (most recent call last):
  File "create_tf_record.py", line 14, in <module>
    from object_detection.utils import dataset_util, label_map_util
  File "C:\Users\user\AppData\Local\Programs\Python\Python36\lib\site-packages\object_detection\utils\label_map_util.py", line 21, in <module>
    from object_detection.protos import string_int_label_map_pb2
ImportError: cannot import name 'string_int_label_map_pb2'

tensorflow/modelsというのがいるらしい。準備不足でした。

git clone https://github.com/tensorflow/models.git

まずはこちらを参考に。
cloneしてきたデータをsushi_detector_datasetのディレクトリ内にmodelsという名前でおきます。
お次はprotocというのを実行するらしい。
ここにありました。　https://github.com/protocolbuffers/protobuf/releases
最初3.7をDLしたのですが、うまくいかなかったので手順と同じ3.4にしたらうまくいきました。(どうやら3.5以上ではfor /r %v in (object_detection/protos/*.proto) do protoc "object_detection/protos/%~nxv" –python_out=.ってやると成功するもよう)

cd models\research
.\protoc.exe object_detection\protos\*.proto --python_out=.

で、できたやつをC:\Users\user\AppData\Local\Programs\Python\Python36\lib\site-packages\object_detection\protosにコピってみた。
models/research/object_detectionで作業すればpathは問題ないのかも。もしくは環境変数のPYTHONPATHあたりを設定するか。
とりあえず自分の環境で動かせるようにした感じです。(※結論からいうと落としてきたレポジトリのmodels/research/object_detectionを作業ディレクトリにしちゃえばよかったです）

なんかtrainval.txtにファイルを羅列しなくちゃいけないっぽく、gitのbash(windowsのgit入れる時に入るやつ)でやりました。単にテキストファイルに学習したいファイルの拡張子抜きのファイル名が羅列されてればいいみたい。

$ cd [projectdir]/annotations
$ for f in *.xml ; do echo ${f:0:-4} >> trainval.txt; done

trainval.txt

IMG_0001
IMG_0002

みたいなファイルがあって、imagesにはIMG_0001.jpgやIMG_0002.jpgが、annotationsにはIMG_0001.xmlやIMG_0002.xmlが入ってる感じです。
で、cmdにて

python create_tf_record.py --annotations_dir=.\annotations\ --images_dir=.\images\ --output_dir=.\data\ --label_map_path=.\data\kame_label_map.pbtxt

kame_train.recordとか、dataディレクトリの中身が更新されてたし、これでええんやろか。

トレーニングConfigファイルの作成

なんだろうか、これ。
学習させるときのパラメーターとかが書かれてるっぽいけど、
とりあえず、git cloneしてきたファイルにssd_mobilenet_v1_sushi.docker.configというのがあるので複製してみる。ssd_mobilenet_v1_kame.configとした。
なお、pathがすべてスラッシュ(/)区切りで書かれてたけどwindows風のセパレータに変えております。
学習に使うファイルとかのpathや、反復回数とかを設定できるっぽいです。

トレーニング

そして学習済モデルのDLが必要らしい。今回はカメだけ認識できればいいから細かいことはなんか適当に。
coco（common objects in context）ってモデルをひとまずベースにするのがいいらしいです。mobilenetのv1ってのか１番ライトなやつっぽい。rnnってついてるのが遅いけど正確。

curl -O  http://download.tensorflow.org/models/object_detection/ssd_mobilenet_v1_coco_2018_01_28.tar.gz
tar zxvf ssd_mobilenet_v1_coco_2018_01_28.tar.gz

(何でDLしてもいいです。tar.gzはwindowsではなじみがないですが7-Zipとかで解凍できるみたいです）
落としたものは解凍して、data/ssdとして保存しました。

そして、ひとまずPython -m object_detection.trainしてみるんだけど、train.pyなんてものがない。はて。

ほー。なんかlegacyってとこに移動したって。
あとDLしたmodelのslimってのがPYTHONPATHにないといけないみたいなので設定する。
そして実行。

set PYTHONPATH=%PYTHONPATH%;c:\a\kame\sushi_detector_dataset\models\research\slim
python -m object_detection.legacy.train  --logtostderr --pipeline_config_path=.\data\ssd_mobilenet_v1_kame.config --train_dir=.\data\train

で、実行してみたら負荷かかりすぎてPCがフリーズした。。configいじった方が良さそうだ。

TensorFlow Object Detectionチュートリアルのデータセットを変えて学習させたい

こちらがすごくわかりやすい。
わけもわからないままやってた事がこれ見てわかってきた。
ふむ。configはmodel.num_classesとtrain_config.batch_sizeは変えないといけなそう。batch_sizeは2くらいにしとこう。
あとnum_stepsとnum_examplesを減らす。
いいや、せっかくDLしたけど使用済モデルも無しにしてみよう。
fine_tune_checkpointをコメントアウトし、from_detection_checkpointはfalseに。
PCはGPUはおろか、core i5のしょぼいノートPCですので。
実は一回、num_stepsを20000で始めてしまって、ぜんぜん終わらないのでCtrl+Cした経緯があります。

結果、configはこんな感じになりました。

ssd_mobilenet_v1_kame.config

model {
  ssd {
    num_classes: 1
    box_coder {
      faster_rcnn_box_coder {
        y_scale: 10.0
        x_scale: 10.0
        height_scale: 5.0
        width_scale: 5.0
      }
    }
    matcher {
      argmax_matcher {
        matched_threshold: 0.5
        unmatched_threshold: 0.5
        ignore_thresholds: false
        negatives_lower_than_unmatched: true
        force_match_for_each_row: true
      }
    }
    similarity_calculator {
      iou_similarity {
      }
    }
    anchor_generator {
      ssd_anchor_generator {
        num_layers: 6
        min_scale: 0.2
        max_scale: 0.95
        aspect_ratios: 1.0
        aspect_ratios: 2.0
        aspect_ratios: 0.5
        aspect_ratios: 3.0
        aspect_ratios: 0.3333
      }
    }
    image_resizer {
      fixed_shape_resizer {
        height: 300
        width: 300
      }
    }
    box_predictor {
      convolutional_box_predictor {
        min_depth: 0
        max_depth: 0
        num_layers_before_predictor: 0
        use_dropout: false
        dropout_keep_probability: 0.8
        kernel_size: 1
        box_code_size: 4
        apply_sigmoid_to_scores: false
        conv_hyperparams {
          activation: RELU_6,
          regularizer {
            l2_regularizer {
              weight: 0.00004
            }
          }
          initializer {
            truncated_normal_initializer {
              stddev: 0.03
              mean: 0.0
            }
          }
          batch_norm {
            train: true,
            scale: true,
            center: true,
            decay: 0.9997,
            epsilon: 0.001,
          }
        }
      }
    }
    feature_extractor {
      type: 'ssd_mobilenet_v1'
      min_depth: 16
      depth_multiplier: 1.0
      conv_hyperparams {
        activation: RELU_6,
        regularizer {
          l2_regularizer {
            weight: 0.00004
          }
        }
        initializer {
          truncated_normal_initializer {
            stddev: 0.03
            mean: 0.0
          }
        }
        batch_norm {
          train: true,
          scale: true,
          center: true,
          decay: 0.9997,
          epsilon: 0.001,
        }
      }
    }
    loss {
      classification_loss {
        weighted_sigmoid {
          anchorwise_output: true
        }
      }
      localization_loss {
        weighted_smooth_l1 {
          anchorwise_output: true
        }
      }
      hard_example_miner {
        num_hard_examples: 3000
        iou_threshold: 0.99
        loss_type: CLASSIFICATION
        max_negatives_per_positive: 3
        min_negatives_per_image: 0
      }
      classification_weight: 1.0
      localization_weight: 1.0
    }
    normalize_loss_by_num_matches: true
    post_processing {
      batch_non_max_suppression {
        score_threshold: 1e-8
        iou_threshold: 0.6
        max_detections_per_class: 100
        max_total_detections: 100
      }
      score_converter: SIGMOID
    }
  }
}

train_config: {
  batch_size: 2
  optimizer {
    rms_prop_optimizer: {
      learning_rate: {
        exponential_decay_learning_rate {
          initial_learning_rate: 0.004
          decay_steps: 800720
          decay_factor: 0.95
        }
      }
      momentum_optimizer_value: 0.9
      decay: 0.9
      epsilon: 1.0
    }
  }
  #fine_tune_checkpoint: ".\data\ssd\model.ckpt"
  from_detection_checkpoint: false
  # Note: The below line limits the training process to 200K steps, which we
  # empirically found to be sufficient enough to train the pets dataset. This
  # effectively bypasses the learning rate schedule (the learning rate will
  # never decay). Remove the below line to train indefinitely.
  #num_steps: 200000
  num_steps: 100
  data_augmentation_options {
    random_horizontal_flip {
    }
  }
  data_augmentation_options {
    ssd_random_crop {
    }
  }
}

train_input_reader: {
  tf_record_input_reader {
    input_path: ".\data\kame_train.record"
  }
  label_map_path: ".\data\kame_label_map.pbtxt"
}

eval_config: {
  num_examples: 20
  # Note: The below line limits the evaluation process to 10 evaluations.
  # Remove the below line to evaluate indefinitely.
  max_evals: 10
}

eval_input_reader: {
  tf_record_input_reader {
    input_path: ".\data\kame_val.record"
  }
  label_map_path: ".\data\kame_label_map.pbtxt"
  shuffle: false
  num_readers: 1
  num_epochs: 1
}

num_stepsを100にしたせいか、15分くらいで終わりました。
精度がどの程度出てるかはわからないけど、ひとまず先に進みましょう。

Jupyter notebook

出来上がったモデルを試してみます。
手っ取り早く、Jupyter notebookで。
とかいいつつ使うのはじめてだし、setupからですけど。
(ただ、Kaggleでそれっぽいのは使ったことある)
で、DLしてきたmodelsの中にnotebookのソースがあったのでそれを動かしてみる。
というかmodels\research\object_detectionをプロジェクトディレクトリとしちゃった方が良さそうな気がしてきました。
出来上がったdataフォルダをコピーします。
あとtest_imagesに、テストしたい画像を置きました。

cd models\research\object_detection
pip install Jupyter
pip install Matplotlib
Jupyter notebook

matplotlibも使いそうなのでinstallしました。
で、一回runAllしてみます。

dogだとかkiteだとかpersonだとか、ちゃんと認識してます。

次は自作の方を・・

Any model exported using the export_inference_graph.py tool can be loaded here simply by changing PATH_TO_FROZEN_GRAPH to point to a new .pb file. とあるのでexport_inference_graph.pyを実行します

python export_inference_graph.py --input_type image_tensor --pipeline_config_path .\data\ssd_mobilenet_v1_kame.config --trained_checkpoint_prefix .\data\train\model.ckpt-100 --output_directory inference_graph

そしたらinference_graph/frozen_inference_graph.pbというのができたのでnotebookを書き換えます。

# What model to download.
#MODEL_NAME = 'ssd_mobilenet_v1_coco_2017_11_17'
#MODEL_FILE = MODEL_NAME + '.tar.gz'
#DOWNLOAD_BASE = 'http://download.tensorflow.org/models/object_detection/'

# Path to frozen detection graph. This is the actual model that is used for the object detection.
PATH_TO_FROZEN_GRAPH = 'inference_graph/frozen_inference_graph.pb'

# List of the strings that is used to add correct label for each box.
PATH_TO_LABELS = os.path.join('data', 'kame_label_map.pbtxt')

Download Modelのとこは全てコメント化

#opener = urllib.request.URLopener()
#opener.retrieve(DOWNLOAD_BASE + MODEL_FILE, MODEL_FILE)
#tar_file = tarfile.open(MODEL_FILE)
#for file in tar_file.getmembers():
#  file_name = os.path.basename(file.name)
#  if 'frozen_inference_graph.pb' in file_name:
#    tar_file.extract(file, os.getcwd())

あとは3つめの画像を判別したいのでTEST_IMAGE_PATHS = [ os.path.join(PATH_TO_TEST_IMAGES_DIR, 'image{}.jpg'.format(i)) for i in range(3, 4) ]とする

そしたらRun ALLいきます。

ん～・・微妙。。

学習が全然たりないのかなぁ。。

再学習

fine_tune_checkpoint、from_detection_checkpoint、num_stepsを変更します。

ssd_mobilenet_v1_kame.config

  fine_tune_checkpoint: ".\data\ssd\model.ckpt"
  from_detection_checkpoint: true
  num_steps: 2000

これで5時間くらいか？
そんなわけでも一度。トレーニングデータの場所はちょっと変える。

python -m object_detection.legacy.train  --logtostderr --pipeline_config_path=.\data\ssd_mobilenet_v1_kame.config --train_dir=.\data\train.1

でもまた失敗。。

labelImgの時の範囲指定が大きすぎたかなあ。
欲張らず甲羅だけ指定するようにしてみる。

そしてcreate_tf_record.py をまたやってTFRecord作成し、またトレーニング実行。
2000stepだと4時間くらいかかったし、まずはお試しで200stepから。
あとmatched_thresholdとunmatched_thresholdを0.5から0.7に変えました。

python -m object_detection.legacy.train  --logtostderr --pipeline_config_path=.\data\ssd_mobilenet_v1_kame.config --train_dir=.\data\train.2

...

INFO:tensorflow:Recording summary at step 191.
INFO:tensorflow:Recording summary at step 191.
INFO:tensorflow:global step 192: loss = 7.9095 (7.091 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 192: loss = 7.9095 (7.091 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 193: loss = 14.9527 (5.446 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 193: loss = 14.9527 (5.446 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 194: loss = 7.4112 (7.121 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 194: loss = 7.4112 (7.121 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 195: loss = 8.6017 (6.059 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 195: loss = 8.6017 (6.059 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 196: loss = 7.5035 (6.000 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 196: loss = 7.5035 (6.000 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 197: loss = 7.5494 (10.491 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 197: loss = 7.5494 (10.491 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 198: loss = 6.6824 (5.668 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 198: loss = 6.6824 (5.668 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 199: loss = 7.5866 (6.179 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 199: loss = 7.5866 (6.179 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 200: loss = 23.8177 (5.964 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 200: loss = 23.8177 (5.964 sec/step)
INFO:tensorflow:Stopping Training.
INFO:tensorflow:Stopping Training.
INFO:tensorflow:Finished training! Saving model to disk.
INFO:tensorflow:Finished training! Saving model to disk.

んー。lossの値が大きい。2000回やった時は3ぐらいまで下がってたけど。
とりあえずJupyter notebook起動してみる。
・・が、何も認識できていない結果となりました。。
matched_threshold変えたから閾値にひっかかってるのかな。
ただ、checkpointがあるので続きからできるはず。num_stepsを800にしてもう少しトレーニングを進めます。

そしてJupyter notebookを再度起動。

そして・・

またアカン。。なんかよくわからんところが認識されてる。
今度はちょっと画像を増やしてみるかー。同じ画像を加工して水増しする。

これ使ってみます。
https://forest.watch.impress.co.jp/library/software/ralpha/

大きさと左右反転とアンシャープマスクかけた。アンシャープマスクは逆にシャープにする方にかけたけど。
画像が40枚になったのでまたTFRecord生成するとこから。
そしてstepや閾値を調整しつつ、何度かやり直す。

python -m object_detection.legacy.train  --logtostderr --pipeline_config_path=.\data\ssd_mobilenet_v1_kame.config --train_dir=.\data\train.3

...

INFO:tensorflow:Recording summary at step 0.
INFO:tensorflow:Recording summary at step 0.
INFO:tensorflow:global step 1: loss = 13.1957 (32.560 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 1: loss = 13.1957 (32.560 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 2: loss = 12.0376 (7.747 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 2: loss = 12.0376 (7.747 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 3: loss = 11.0935 (4.905 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 3: loss = 11.0935 (4.905 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 4: loss = 11.2538 (4.690 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 4: loss = 11.2538 (4.690 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 5: loss = 10.3707 (5.106 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 5: loss = 10.3707 (5.106 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 6: loss = 10.8260 (5.108 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 6: loss = 10.8260 (5.108 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 7: loss = 9.6286 (5.158 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 7: loss = 9.6286 (5.158 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 8: loss = 9.9401 (5.029 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 8: loss = 9.9401 (5.029 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 9: loss = 9.3262 (5.330 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 9: loss = 9.3262 (5.330 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 10: loss = 9.5075 (5.274 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 10: loss = 9.5075 (5.274 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 11: loss = 8.8719 (5.587 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 11: loss = 8.8719 (5.587 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 12: loss = 7.7746 (5.752 sec/step)
INFO:tensorflow:global step 12: loss = 7.7746 (5.752 sec/step)

...

なんかキレイに収束していって面白い。今度は期待できるか？
なおこの様子はtensorboardというのでモニターできるみたい。
tensorboard --logdir .\ --host 0.0.0.0ってresearch/object-detectionディレクトリで実行したらトレーニングの様子が可視化された。細かい設定何もいらないのか。楽だな。

学習中のPCが重いので別PCからモニタリングしてます。

で、とりあえずの結果としては・・

とりあえずこんな所でしょうか。。

甲羅を中心に狭めの範囲タグ付けして
num_stepsは200
画像は加工後の20枚だけ

しかし、もうちょっといろんなバリエーションで認識してくれないとツライなー。甲羅は特徴的だし、比較的捉えやすいかと思ったんだけど。
ひとまず記事としてはここまでとしますが、10000stepくらいまでトレーニング続けてどうなるかを試してみようと思います。

基本、時系列で記事書いてるのでまとまりわるいですが、躓いた点とか試行錯誤してるあたりを参考にしていただければいいなと思っております。

その後

22000stepくらいまでやってはみたものの、いわゆる正解画像の精度が上がるだけで、それ以外のは認識せず、lossの値もたいして下がらずでした。

で、今度はfaster_rnn_うんちゃらのモデルで試してみることにしました。
あと、画像は10枚ほど追加し、今度はトレーニング用のデータとテスト用のデータをちゃんと分けたりしてみた。

まだ100stepくらいだけど、前のやつとか基準がぜんぜん違うのかって感じのスコアです。
とりあえず200stepで中間結果をみる。

教師データとしてはなかった画像だけどなんとか認識してる。
学習続けたら精度上がるかな。
気長に5555stepくらいまで回してみます。