深度学习与 App 的魔幻结合

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英文原文链接

打造你自己的自动驾驶汽车的第一步,是教会你的App从18000张图片中识别交通灯

机器学习是发展最快和最令人兴奋的领域之一,而其中最有代表性的是深度学习。自从我回到大学,我一直专注于这个领域。然而,在2009年的时候,软硬件和数据并不能达到实现深度学习的要求。但是,自从那以后,这些都不再是问题。

在这个简短的入门指南中,我将会通过深度学习的一些基本步骤,示范一下如何自己入门深度学习。我们将开发一款使用现场相机数据来识别交通灯的app。

在我们开始学习之前,我想说明一下一些事情。这个入门教程会跳过一些概念和难点,以便于降低入门门槛和尽快实现真实测试。另外,我们将只使用深度学习中的图片分类,以使整个入门过程变得更加直接和简单。

Youtube视频1

简介

在这里我假设你对深度学习有一定了解。你可能见过一些使用了深度学习的产品,比如Facebook的脸部识别,Apple的Siri,Mobileye的车辆碰撞识别等等。然而,随着最近深度学习框架的开源,不仅仅巨头们可以开发这些产品,创业公司现在也可以参与其中。例如, Clarifai 为你的应用提供了视觉能力, AIDoc  对医学放射工业发起了挑战。这些可以看出使用场景正在改变。

深度学习

什么是深度学习?什么是神经网络?我可以在这里讨论一下这些。但是,我更希望你看看这个由吴恩达讲解的深度学习的视频。虽然这段视频有点长,但是吴恩达提供了一些很好的例子和讲解。

如果你没有时间去看完这段视频,这里有一些里面说的的重点:在过去,为了让我们的电脑能够执行不同的任务,我们不得不为每个小问题单独编写算法。机器学习的强大之处在于,它能够使用同一种算法进行学习。它能够自己发现问题的关键和尝试自己去解决问题。在这个教程中你可以看到,除了提供数据给算法,我们几乎没有改变任何东西,然而它却能自己学习一个新的概念:交通灯。

吴恩达深度学习视频

训练过程

训练我们自己的深度学习神经网络,是实践学习算法的一步。我们提供一个图片分类的数据集给算法,希望它学习如何分类不属于训练数据集的新图片。

假设我们能够获得所需要的数据(这里称为“训练集”),用于训练我们的算法。然而,像人类一样,算法在训练期间是需要对其行为进行反馈的。为了实现对算法的行为反馈进行验证,我们需要为算法提供一个叫“验证集”的独立数据集。

在完成训练以后,我们将使用“训练集”中没有的数据作为输入数据,并看看它的表现如何。你猜对了,我们将需要第三个被称为“测试集”的数据集,这个数据集将会帮我们测试出算法的识别精确度。

我们总共需要3个不同的数据集:训练,验证,测试。

迁移学习

在实践中,我们不会经常从零开始训练我们的深度学习网络。因为现实中,很难找到足够大的数据集来做一些复杂任务,例如图片分类。

一般来说,我们会直接使用经过大量数据训练的网络作为初始的深度学习网络。在我们这个例子中,我们使用了一个经过一百万张图片训练的预训练神经网络,并用它来从20000张图片中学习新的分类。

这个小技巧确实有效,作为分类问题的一部分是共通的,例如识别边缘,颜色,甚至形状。

移动设备的机遇

如果你对现今的世界足够关注,你就能理解数据才是深度学习中最重要的东西。没有足够数量的数据,我们的算法将不能根据问题去学习并产生令人满意的结果。

这里有一个对于移动开发者来说非常巨大的机遇。全世界超过20亿设备不断提供各种不同类型的数据,这是非常有可能去开发一款应用去收集高质量数据,用于训练和学习。很多成功的创业公司都是围绕这个想法而建立的。

使用Caffe进行深度学习

Caffe

Caffe 是一个由Berkeley Visio和学习中心(BVLC)以及社区贡献者一同开发的深度学习框架。这个框架被世界范围内的计算机视觉研究者使用。尽管这是一个主要为计算机视觉开发的框架,然而他可以做其他很多深度学习的工作。

DIGITS

英伟达的 DIGITS 使用了web交互界面简化了深度学习的一般步骤,例如:

  • 数据集管理
  • 在多GPU系统中设计和训练神经网络
  • 通过先进的虚拟化进行实时性能管理

DIGITS 交互非常简单,开发者只需要专注于神经网络的设计和训练,不需要投入太多精力到编程和调试。

硬件要求

训练深度神经网络是一项计算密集型的工作。虽然你可以只通过只有CPU的机器来运行,但是事实上你更需要一个拥有GPU(例如英伟达的GTX系列,$500 - $700)的性能强大的机器来运行神经网络。

如果你没有这样一个性能强大的机器,你可以从亚马逊那里租一个。例如你可以从spotinst这里获取相关的服务,而且只需要 0.2 美元/小时。如果你需要更多的帮助,可以联系我。

开发一个识别交通灯的App

这里我们开始开发一个你之前在视频中看到的能识别交通灯的app。没什么需要担心的,所有的代码都在Github上开源。

为了继续这个教程,你应该先安装Caffe和DIGITS。在这个教程中,我们将直接使用DIGITS的web交互界面,因此不需要在学习其他任何语言或框架。

通过使用Caffe & DIGITS,我们在一个预训练的网络中实施迁移学习,并教会它红绿交通灯的新概念。然后,我们将把经过训练的网络应用到我们一个简单的移动应用中。

交通灯数据

很多创业公司和有开创精神的组织开源了一些非常有用的训练集。其中有一些设立了一些能赢取奖金的比赛,例如Udacity,Kaggle等。

为了让这个简单应用运行起来,我将会使用Nexar的 Challenge #1 数据集。这个数据集包括 18,659 个标有交通灯的图片。针对每张图片,有人手动标记了包含的是红灯还是绿灯或者没灯。在这个简单应用中,我们只关注图片是否存在交通灯,不关心交通灯的位置或其他。

训练

为了这个应用能正常使用,我们将从GoogLeNet做一次迁移学习。幸运的是,DIGITS的标准网络中已经包含了这个。我们只需下载预训练caffmodel文件并用DIGITS打开即可。

非常幸运,我有权限使用一个强大的机器,这个机器专门用来做VR体验,而且拥有一个运行在Ubuntu 14.04 平台上的GTX 1070 GPU。对于一些人来说,看着训练过程一定是非常无聊的,特别当你看到精度不断提高时。

第一步,建立训练/验证/测试 数据集。DIGITS 提供一个便捷的方法。DIGITS根据它们的标签和你将要检验和测试的数据划分百分比,将所有样本,划分到不同的目录。在我们的例子中,我们直接将DIGITS 一个目录划分为三个子目录:红,绿和背景。

第二步,建立模型。DIGITS 已经包含了我们想要的GoogLeNet神经网络。GoogLeNet已经通过训练能够将图片分成1000个不同的类别。在我们的例子中,为了让它能识别3种新的类型,我们需要对它进行一些改进。不要担心,这些只是一些简单的文本改动。

我们要做的改动是非常简单的: 查找/替换 所有出现loss1/classifier, loss2/classifier 和 loss3/classifier,并加上后缀‘/retrain’。例如 loss{x}/classifier 变成 loss{x}/classifier/retrain— 。 我们做这一步是为了让我们的神经网络重新学习,因为这新的部分与之前1000种分类都不同。

为了能运行迁移学习,我们将使用预学习网络信息(又称权重),而这只需让DIGITS 下载 bvlc_googlenet.caffemodel 这个预训练 caffe 模型即可。

值得庆贺,你现在已经做好了训练网络的准备了。

根据默认的训练设置, DIGITS 迁移学习能生成一个在验证集中精度达到 93.1% 的神经网络。难道这不令人兴奋吗?我们很难做到这一点:)

训练完成之后,我们可以通过DIGITS下载我们的模型,然后获取我们使用该模型开发移动应用的必要数据。

开发应用

幸运地,由于Aleph7noradaiko做了一些基础集成 ,我很容易的就可以将 Caffe 运行在iOS上。除了使用这些基础集成来作为我们的项目的开始,我们还要改进一下,以便它在相机的现场视频流中能正常运行。

这段代码非常简单,让我们来看一下 ViewController.mm 文件中最重要的部分:

    NSString *netDefinition = [NSBundle.mainBundle pathForResource:@"deploy"
                                                         ofType:@"prototxt"
                                                    inDirectory:@"model"];

    NSString *netWeights = [NSBundle.mainBundle pathForResource:@"model"
                                                           ofType:@"caffemodel"
                                                      inDirectory:@"model"];

    NSString *datasetMean = [NSBundle.mainBundle pathForResource:@"mean"
                                                          ofType:@"binaryproto"
                                                     inDirectory:@"model"];

    NSString *netLabels = [NSBundle.mainBundle pathForResource:@"labels"
                                                        ofType:@"txt"
                                                   inDirectory:@"model"];

    string net_definition = string([netDefinition UTF8String]);
    string net_weights = string([netWeights UTF8String]);
    string dataset_mean = string([datasetMean UTF8String]);
    string net_labels = string([netLabels UTF8String]);

    classifier = new Classifier(net_definition,
                                net_weights,
                                dataset_mean,
                                net_labels);

我们通过DIGITS下载的文件model.caffemodel, mean.binaryproto, labels.txt 和 deploy.prototxt ,创建一个新的分类器。

  cv::Mat src_img, bgra_img;
  UIImageToMat(image, src_img);

  cv::resize(src_img, src_img, cv::Size(224, 224));
  cv::cvtColor(src_img, bgra_img, CV_RGBA2BGR);

  vector<Prediction> result = classifier->Classify(bgra_img, 3);

我们需要输入各种尺寸的数据进行分类。为了做到这一点,我们需要把我们的UIImage对象转换为OpenCV的矩阵(第2行),改变其大小以适应我们的网络,然后把颜色序列从 RGBA 转换成 BGR。因为Caffe需要这样的输入格式,所以我们需要先做这个转换。另外,你可能注意到,当进行分类时,这里有一个魔术数字‘3’。这表示的是你数据集分类的数量 - 在我们这个例子中,表示:绿,红,背景。

    for (vector<Prediction>::iterator it = result.begin(); it != result.end(); ++it) {
        NSString* mylabel = [NSString stringWithUTF8String:it->first.c_str()];
        NSNumber* probability = [NSNumber numberWithFloat:it->second];

        if (it == result.begin() && probability.floatValue > 0.6) {
            _lightImage.image = [UIImage imageNamed:[labelToImage valueForKey:mylabel]];
        }
    }

接下来,我们只需重复识别和捕获最高确定性的识别。如果它通过了一些阀值(当前设定为 60% 确定性)我们将用正确的交通灯图片更新我们的UI。

准备去让你的数据跑起来吗?非常好!

你必须做的的所有事情,只是改变了一开始训练的样本和改变分类的数目。其他所有的东西都是不变的。

这是关于这个app的另外一段短视频:

Youtube视频2

我能在我的线上App上用它吗?

当然,最好不。至少我现在不推荐。这个有点例子太过于笨拙以至于不适合直接使用。

你应该在你桌面之外使用这个项目,去体验和测试你的算法,这是一种不需要编码就能测试你的POC项目的好方法。你也可以用它来开发快速应用,去收集你在训练过程中输入的新数据。

一旦你掌握了这个训练过程,你接下来将很容易的过渡到学习TensorFlow,或其他需要对深度学习有更深入理解的框架,例如 BrainCore

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