目标检测之边框回归入门【Tensorflow】

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要学习目标检测算法吗？任何一个ML学习者都希望能够给图像中的目标物体 圈个漂亮的框框，在这篇文章中我们将学习目标检测中的一个基本概念： 边框回归/Bounding Box Regression。边框回归并不复杂，但是即使像YOLO 这样顶尖的目标检测器也使用了这一技术！

我们将使用Tensorflow的Keras API实现一个边框回归模型。现在开始吧！ 如果你可以访问Google Colab的话，可以访问这里。

1、准备数据集

学编程，上汇智网，在线编程环境，一对一助教指导。

我们将使用Kaggle.com上的这个图像定位数据集， 它包含了3类（黄瓜、茄子和蘑菇）共373个已经标注了目标边框的图像文件。我们的 目标是解析图像并进行归一化处理，同时从XML格式的标注文件中解析得到目标物体 包围框的4个顶点的坐标：

如果你希望创建自己的标注数据集也没有问题！你可以使用LabelImage。 利用LabelImage你可以快速标注目标物体的包围边框，然后保存为PASCAL-VOC格式：

2、数据处理

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首先我们需要处理一下图像。使用glob包，我们可以列出后缀为jpg的文件，逐个处理：

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input_dim = 228

from PIL import Image , ImageDraw
import os
import glob

images = []
image_paths = glob.glob( 'training_images/*.jpg' )
for imagefile in image_paths:
    image = Image.open( imagefile ).resize( ( input_dim , input_dim ))
    image = np.asarray( image ) / 255.0
    images.append( image )

接下来我们需要处理XML标注。标注文件的格式为PASCAL-VOC。我们使用xmltodict 包将XML文件转换为Python的字典对象：

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import xmltodict
import os

bboxes = []
classes_raw = []
annotations_paths = glob.glob( 'training_images/*.xml' )
for xmlfile in annotations_paths:
    x = xmltodict.parse( open( xmlfile , 'rb' ) )
    bndbox = x[ 'annotation' ][ 'object' ][ 'bndbox' ]
    bndbox = np.array([ int(bndbox[ 'xmin' ]) , int(bndbox[ 'ymin' ]) , int(bndbox[ 'xmax' ]) , int(bndbox[ 'ymax' ]) ])
    bndbox2 = [ None ] * 4
    bndbox2[0] = bndbox[0]
    bndbox2[1] = bndbox[1]
    bndbox2[2] = bndbox[2]
    bndbox2[3] = bndbox[3]
    bndbox2 = np.array( bndbox2 ) / input_dim
    bboxes.append( bndbox2 )
    classes_raw.append( x[ 'annotation' ][ 'object' ][ 'name' ] )

现在我们准备训练集和测试集：

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from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer
from sklearn.model_selection import train_test_split

boxes = np.array( bboxes ) 
encoder = LabelBinarizer()
classes_onehot = encoder.fit_transform( classes_raw )

Y = np.concatenate( [ boxes , classes_onehot ] , axis=1 )
X = np.array( images )

x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split( X, Y, test_size=0.1 )

3、创建Keras模型

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我们首先为模型定义一个损失函数和一个衡量指标。损失函数同时使用 了平方差（MSE：Mean Squared Error）和交并比（IoU：Intersection over Union）， 指标则用来衡量模型的准确性同时输出IoU得分：

IoU计算两个边框的交集与并集的比率：

Python实现代码如下：

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input_shape = ( input_dim , input_dim , 3 )
dropout_rate = 0.5
alpha = 0.2

def calculate_iou( target_boxes , pred_boxes ):
    xA = K.maximum( target_boxes[ ... , 0], pred_boxes[ ... , 0] )
    yA = K.maximum( target_boxes[ ... , 1], pred_boxes[ ... , 1] )
    xB = K.minimum( target_boxes[ ... , 2], pred_boxes[ ... , 2] )
    yB = K.minimum( target_boxes[ ... , 3], pred_boxes[ ... , 3] )
    interArea = K.maximum( 0.0 , xB - xA ) * K.maximum( 0.0 , yB - yA )
    boxAArea = (target_boxes[ ... , 2] - target_boxes[ ... , 0]) * (target_boxes[ ... , 3] - target_boxes[ ... , 1])
    boxBArea = (pred_boxes[ ... , 2] - pred_boxes[ ... , 0]) * (pred_boxes[ ... , 3] - pred_boxes[ ... , 1])
    iou = interArea / ( boxAArea + boxBArea - interArea )
    return iou

def custom_loss( y_true , y_pred ):
    mse = tf.losses.mean_squared_error( y_true , y_pred ) 
    iou = calculate_iou( y_true , y_pred ) 
    return mse + ( 1 - iou )

def iou_metric( y_true , y_pred ):
    return calculate_iou( y_true , y_pred )

接下来我们创建CNN模型。我们堆叠几个Conv2D层并拉平其输出， 然后送入后边的全连接层。为了避免过拟合，我们在全连接层使用Dropout， 并使用LeakyReLU激活层：

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num_classes = 3
pred_vector_length = 4 + num_classes

model_layers = [       
	keras.layers.Conv2D(16, kernel_size=(3, 3), strides=1, input_shape=input_shape),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Conv2D(16, kernel_size=(3, 3), strides=1 ),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.MaxPooling2D( pool_size=( 2 , 2 ) ),

    keras.layers.Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.MaxPooling2D( pool_size=( 2 , 2 ) ),

    keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.MaxPooling2D( pool_size=( 2 , 2 ) ),

    keras.layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.MaxPooling2D( pool_size=( 2 , 2 ) ),

    keras.layers.Conv2D(256, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Conv2D(256, kernel_size=(3, 3), strides=1),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.MaxPooling2D( pool_size=( 2 , 2 ) ),

    keras.layers.Flatten() , 

    keras.layers.Dense( 1240 ) , 
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Dense( 640 ) , 
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Dense( 480 ) , 
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Dense( 120 ) , 
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
    keras.layers.Dense( 62 ) , 
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,

    keras.layers.Dense( pred_vector_length ),
    keras.layers.LeakyReLU( alpha=alpha ) ,
]

model = keras.Sequential( model_layers )
model.compile(
	optimizer=keras.optimizers.Adam( lr=0.0001 ),
	loss=custom_loss,
    metrics=[ iou_metric ]
)

4、训练模型

现在可以开始训练了：

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model.fit( 
    x_train ,
    y_train , 
    validation_data=( x_test , y_test ),
    epochs=100 ,
    batch_size=3 
)model.save( 'model.h5')

5、在图像上绘制边框

现在我们的模型已经训练好了，可以用它来检测一些测试图像 并绘制检测出的对象的边框，然后把结果图像保存下来。

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!mkdir -v inference_images

boxes = model.predict( x_test )
for i in range( boxes.shape[0] ):
    b = boxes[ i , 0 : 4 ] * input_dim
    img = x_test[i] * 255
    source_img = Image.fromarray( img.astype( np.uint8 ) , 'RGB' )
    draw = ImageDraw.Draw( source_img )
    draw.rectangle( b , outline="black" )
    source_img.save( 'inference_images/image_{}.png'.format( i + 1 ) , 'png' )

下面是检测结果图示例：

要决定测试集上的IOU得分，同时计算分类准确率，我们使用如下的代码：

calculate_avg_iou( target_boxes , pred_boxes ):
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    xA = np.maximum( target_boxes[ ... , 0], pred_boxes[ ... , 0] )
    yA = np.maximum( target_boxes[ ... , 1], pred_boxes[ ... , 1] )
    xB = np.minimum( target_boxes[ ... , 2], pred_boxes[ ... , 2] )
    yB = np.minimum( target_boxes[ ... , 3], pred_boxes[ ... , 3] )
    interArea = np.maximum(0.0, xB - xA ) * np.maximum(0.0, yB - yA )
    boxAArea = (target_boxes[ ... , 2] - target_boxes[ ... , 0]) * (target_boxes[ ... , 3] - target_boxes[ ... , 1])
    boxBArea = (pred_boxes[ ... , 2] - pred_boxes[ ... , 0]) * (pred_boxes[ ... , 3] - pred_boxes[ ... , 1])
    iou = interArea / ( boxAArea + boxBArea - interArea )
    return iou

def class_accuracy( target_classes , pred_classes ):
    target_classes = np.argmax( target_classes , axis=1 ) 
    pred_classes = np.argmax( pred_classes , axis=1 ) 
    return ( target_classes == pred_classes ).mean()

target_boxes = y_test * input_dim
pred = model.predict( x_test )
pred_boxes = pred[ ... , 0 : 4 ] * input_dim
pred_classes = pred[ ... , 4 : ]

iou_scores = calculate_avg_iou( target_boxes , pred_boxes )
print( 'Mean IOU score {}'.format( iou_scores.mean() ) )

print( 'Class Accuracy is {} %'.format( class_accuracy( y_test[ ... , 4 : ] , pred_classes ) * 100 ))

原文链接：Getting Started With Bounding Box Regression In TensorFlow

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