手作業から解放！ －オートアノテーションツールの開発ー

※こちらはPythonデータ分析勉強会#07の発表資料です。

オートアノテーションツールを作ってみました。
このツールを使えば、人間は画像を見ることなく、アノテーション作業ができちゃいます。

アノテーション作業とは

ここでいうアノテーション作業とは、物体検出で行われる作業のことです。

物体検出の学習データでは、物体の位置を示す必要があり、一般的にマウスで
ドラッグさせる作業が発生します。

上の動画のように、ひたすら、ただひたすら、ドラッグし続けます。

この作業、多くの問題があります。

• 手作業の時間が長い
  過去にこちらの記事でアノテーション作業を行いましたが、画像400枚に対し
  手作業で4時間かかっています。これが1000枚、5000枚になると何十時間も
  かかってしまいます。

• 精神的ダメージが大きい
  作業中の精神状態は良くありません。「このデータ量で足りるだろうか？」
  「そもそも物体検出なんて無理じゃないか」などとマイナスのことを考えがちです。
  作業後の疲労感が半端ないです。

そこで、本稿ではアノテーション作業を自動化する「オートアノテーションツール」を
作ってみました。（もう誰かがやっているかもしれませんが。。。）

オートアノテーションツールを使った作業の流れ

• ラベル付きの画像を集める。
• 集めた画像を分類できる畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を用意する（学習させる）。
• オートアノテーションツールで画像にアノテーションを付ける。
• アノテーション結果が正しいかどうか画像を見ながらチェックし、的外れなアノテーションした場合は削除する。
• 最後に、アノテーションに関するデータを保存する。

使い方

全体はgithubに置きました。

前段にcifar-10で動かしてみた結果を示しています。
興味ある方は実行してみてください。15分くらいかかります。

後段はYOLOv3-keras用にアノテーションデータを出力する
コードが書かれています。

ダウンロードしていただき、Colaboratoryに持って行ってポチポチ実行して
いけば、使い方は分かると思います。一部変更すればJupyter Notebookでも
動くと思います。

アルゴリズム

基本的にGrad-CAMをベースに作っています。

• ステップ0
  あらかじめCNNを学習させておきます。

• ステップ1
  画像を用意し、Grad-CAMでヒートマップを取得します。

• ステップ2
  取得したヒートマップを二値化します(Binary map)。

• ステップ3
  Binary mapにベイズ最適化を適用し、イイ感じにボックスを決めさせます。

ステップ0

自作でも転移学習でも良いですが、認識させたい画像をある程度正確に分類できるCNNを
用意します。ポイントはGrad-CAMで可視化したときに物体全体に反応するCNNを用意することです。

ステップ1とステップ2

Grad-CAMはCNNがどこを見て判断したのかを示すヒートマップを出してくれます。
コードは以下の記事を参考にしています。
https://qiita.com/haru1977/items/45269d790a0ad62604b3

そのヒートマップに閾値（デフォルトで0.3）を設け、二値化しています。

ステップ3

ボックスの最適な形状は、ベイズ最適化で見つけています。
ベイズ最適化は以下の記事を見れば、イメージが掴めるかと思います。
https://qiita.com/shinmura0/items/2b54ab0117727ce007fd

本当は総当たりでボックスの探索できれば良いのですが、あまりにも
時間がかかるので、ベイズ最適化で効率的に探索させています。

中ではこんな形で色々なボックスを試しています。

ベイズ最適化では、評価関数を用意しないといけません。
今回は、IOUを評価関数にしています。IOUは以下の記事を参考にしてください。
https://meideru.com/archives/3538#i-2

要は、IOUを評価関数にすることで、過不足なくBinary mapの赤い部分を囲わせることができます。

学習用画像の制約

このツールでは二種類の画像が必要です。

• あらかじめ学習させておくCNNの学習用画像
• アノテーション用の画像

どちらも同じデータの使い回しで良いのですが、画像の構図について以下の制約があります。

• 一枚の画像に物体検出させたい物が一個だけの構図
• 写真の構図をコントロールできる工業製品などに向いている

もちろん、YOLOv3などの物体検出に組み込んでしまえば、一枚の画像から複数個の物体検出が可能となります。

逆に以下の条件のものは適していません。

• 一枚の画像に物体検出させたい物が複数個含まれる構図
• 景色の写真など色々なものが写っている画像は不得意

色々なものが写っていても、「物体検出させたい物が一個だけの構図」であれば適用できます。

動作速度

このツールは画像一枚に対し、20秒ほど時間がかかります。
内訳はGrad-CAMで5秒、ベイズ最適化で15秒ほどです。

ベイズ最適化の速度は以下のmax_iterの値を小さくすれば早くなりますが、精度と速度の
トレードオフの関係になっているので、お気を付けください。

    myBopt.run_optimization(max_iter=10)

ツールの出力結果

このツールでは、以下のファイルが出力されます。

• xmlファイル
• jpgファイル
• trainval.txtファイル

これらはYOLOv3-keras用のファイルとなっていますが、最新のM2Det用に
改造できると思うので、興味ある方は試してみてください。

xmlファイルの取り扱いは、以下の記事を参考にさせていただきました。
https://qiita.com/icchi_h/items/44abb5a8147b1ef7475f

実験

自前の画像で実験

今回、用意した画像の内訳は以下のとおりです。

	ナットの画像	ボルトの画像	何も映っていない画像
数量	30	30	10

これらを分類するCNNでは、DataAugmentationを行い7000枚近くの画像に
水増しして学習させています。

そして、せっかくアノテーションデータを用意したので、YOLOv3(tiny)で学習させてみます。
学習のさせ方はこちらの記事を参考にしてください。

アノテーション結果

最初にアノテーション結果を示します。


おおむね良好な結果ですが、ボルトのボックスが小さい傾向にあります。

YOLOv3(tiny)の物体検出結果

個人的にやってみたい実験があります。
それは、「学習データの数と検出精度」の関係を見てみるということです。

ディープラーニングなので、当然、データ数が多いほど正確な検出をしてくれる
とは思いますが、何事も実験してみたいもので、今回やってみました。

この実験は、手作業のアノテーションでは膨大な時間がかかって無理でしたが、
オートアノテーションツールを使えば比較的簡単にできます。

オートアノテーションツールでは、DataAugmentationしながらデータを増やすので、
元の画像をある程度用意できれば、良質なデータを無限に作ることができます。

早速、結果を見ていきましょう。

• データ数が100の場合

ナットは検出できましたが、ボルトは全く検出できませんでした。
ナットのバウンディングボックスも大きめな印象を受けます。

• データ数が500の場合

ナットのバウンディングボックスは絞られてきた印象です。
ボルトは検出できるようになりましたが、検出漏れがあります。

• データ数が1000の場合

データ数が500の場合とほぼ同じ結果です。

• データ数が2500の場合

精度が劇的に向上しました！

ナットのバウンディングボックスは丁度良いサイズになり、そのスコアも上がっています。
さらに、ボルトも5本中4本は検出できました。

ちなみに、val lossは以下のとおりになりました。

データ数	100	500	1000	2500
val loss	7.847	7.041	6.608	6.716

データ数が1000と2500の間に大きな壁があると思うのですが、数値的には
大きな差は見られませんでした。

cifar-10で実験

最後にcifar-10で実験した結果を示します。

アノテーション結果

アノテーションされる箇所として、鳥は頭、車はボンネット、船は船橋になる傾向です。

まとめ

• オートアノテーションツールは全自動でアノテーション作業をしてくれる。
• ただし、学習用画像に制約があり、ある程度誤差もある。
• 主題からは逸れるが、「学習データの数と検出精度の関係」を確認する実験を行った。その結果、学習画像が多いほど正確な検出をしてくれることが分かった。