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MobileNet教程(2)：用TensorFlow搭建安卓手机上的图像分类App

量子位 · 公众号 · AI · 2017-08-06 12:45

正文

王瀚宸编译自 Hackernoon
量子位报道 | 公众号 QbitAI

上周末，量子位翻译了一份MobileNet教程，其中讲述了怎样在一个新的数据集上重新训练MobileNet，那篇文章的成果，是一个分类器，能在电脑上以每秒钟400张的速度，识别图片是否为道路。

MobileNet是为移动端量身打造的，因此这次我们准备把之前做的辨别道路的模型应用到一个Android App中，看看它在移动设备上效果如何。

目标和计划

首先，让我们明确目标和计划，我们希望做到：

在很小的特定数据上重新训练MobileNet；
模型在hold out测试集（即模型训练前为测试留出的样本）上达到95%的准确率；
程序运行时对300美元以下价位手机CPU的占用要小于5%。

为了达到这些目标，我们的计划是：

生成一个新的训练数据集；
训练多个MobileNet结构，从而寻找所能够达到准确率目标（95%）的最小型网络；
与在Android上运行的Inception V3做对比；
将TensorFlow上Android example App中的模型替换为我们的MobileNet；
大量的测试；
进行调试，从而将CPU的占用调到5%以下。

建立数据集

在前一篇推送中，我们为了辨认“道路/非道路”，从多个来源拉取了图片作为训练素材。

现在我们再来思考一下这样做是否有必要。

如果你记得的话，这个项目的目标是为了保护用户隐私，当车上的摄像头打开的时候，如果它看见的不是道路，就应该自动关掉。

所以，为了建立我们的训练数据集，我需要录制一些（跟驾驶相关）日常生活中的场景：比说我家的周围、我车子的外部，我在车上摆弄收音机、逗猫等等。这些会被当做非道路的数据用来训练模型。

△ 一些“非道路”的示例图片

而训练数据的“道路”部分，是从Coastline driving dataset中随机取出的，这些图片都是由车的前置摄像头拍摄的。

△ 一些“道路”的示例图片，注意这些图片中都有山坡，因此，为了防止模型把判断道路错认为判断山坡，我们需要对训练数据进行一些扩展。

为道路和非道路数据集各收集3000张图片后，下一步就是开始训练了。

用特定数据集训练MobileNet

下一步，是看看不同结构的MobileNet在经过训练后能达到什么样的准确度。

我们先从最“宽”的MobileNet开始训练：MobileNet 1.0 @ 128。因为我们想把这个模型应用到移动设备上，因此我们将会采用权值量化，从而进一步减少内存占用。

关于重新训练MobileNet的操作细节，可以看我的前一篇推送。

在TensorFlow的根目录下，运行以下脚本：

python tensorflow/examples/image_retraining/retrain.py \
  --image_dir ~/ml/blogs/road-not-road/data/ \
  --learning_rate=0.0005 \
  --testing_percentage=15 \
  --validation_percentage=15 \
  --train_batch_size=32 \
  --validation_batch_size=-1 \
  --flip_left_right True \
  --random_scale=30 \
  --random_brightness=30 \
  --eval_step_interval=100 \
  --how_many_training_steps=1000 \
  --architecture mobilenet_1.0_128_quantized

在经历1000步的训练后，我们在测试集上达到了99.7%的准确率。

以下是模型做出了错误判断的一些图片：

△ 被错认为道路的非道路图片，我不得不说这种失误是可以接受的，这显然是路，但不是我们要的类型。

△ 被错认为非道路的道路图片，我认为这是因为在训练集中没有出现桥架在道路上的图片，更多的训练数据能解决这个问题。

接下来让我们在最小的MobileNet上（0.25@128）训练，同样采用权值量化。在1000步训练后，我们达到了92.6%的正确率，没有达到我们的目标。

那么让它稍微变宽些呢，比如说0.5@128？

准确率达到了95%，最终的模型大小为1.6MB。值得一提的是我们训练模型只用了10分钟10fps的视频，所以在训练数据的收集上还有很大的提升空间。

接下来我们很快试一下看看模型是否能够如预计般工作：

python tensorflow/examples/label_image/label_image.py \ 
  --graph=/tmp/output_graph.pb \
  --labels=/tmp/output_labels.txt \
  --image=/home/harvitronix/ml/blogs/road-not-road/test-image.jpg \
  --input_layer=input \
  --output_layer=final_result \
  --input_mean=128 \
  --input_std=128 \
  --input_width=128 \
  --input_height=128

△ 系统认为这张图片是道路的可能性为99.023%

这个系统速度很快，在我们搭载NVIDIA GeForce 960m GPU的笔记本上，识别1,000张图片只需要3.36秒，即每秒钟能识别297.6张图片。

把MobileNet应用到Android App中

现在我们拥有了一个小巧、快速、足够精确的模型，接下来我们准备把它搭载到一个Android App上，从而在真实环境中进行测试。

继续使用TensorFlow提供的工具，我们马上就会使用里面的Android示例项目完成模型的搭载。

1. 建立项目

如果你还没有准备好，可以从TensorFlow的repository下载这个Android示例项目：

git clone https://github.com/tensorflow/tensorflow.git --depth 1

具体的文件夹是tensorflow/examples/android。用Android Studio打开这个文件夹，编译，然后把生成的APK安装包搭载到你的手机上，你就得到了一个搭载着在ImageNet数据集上训练出的Inception V3模型的图像分类器App，它能够准确地把猫咪跟鸭嘴兽区分开来。

如果你编译apk安装包过程有问题，可以参考他们的readme文档中的指示。（https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/examples/android）

我遇到的最大的挑战是NDK（Native Developer Kit）的版本问题，降级到r12b版本后才能正常的编译。

2. 评测搭载了Inception的App

我们现在运行的app上搭载的是Inception模型，让我们它做一些测评，从而可以与之后的MobileNet模型比较。

搭载了Inception的这个app的大小是53.9Mb，而搭载MobileNet的只有1.6Mb。它能够以240ms的速度识别一张图片（即4fps），CPU的占用达到了40%。

△ 搭载Inception V3的App在4fps速度下运行时的CPU占用情况

让我们把运行速度调到1fps试试：

△ 搭载Inception V3的app在1fps速度下运行时的CPU占用情况

现在，内存的占用仍然在35%以上，让我们盼着MobileNet能够比这表现得好些，否则我们就达不到之前定下的目标了（内存占用上限为5%）。

3. 换成MobileNet

接下里让我们对这个Android project做一些小修改，从而搭载上我们的MobileNet。

首先，把你的模型和标签文件复制到project的assets文件夹里。我的是分别是/tmp/output_graph.pb 和 /tmp/output_labels.txt。

接下来，打开ClassifierActivity，具体地址是在:

tensorflow/examples/android/src/org/tensorflow/demo/ClassifierActivity.java

将这个文件中的开头部分中定义的参数设置为我们的新模型。即从一打开时的这样：

private static final int INPUT_SIZE = 224;
private static final int IMAGE_MEAN = 117;
private static final float IMAGE_STD = 1;
private static final String INPUT_NAME = "input";
private static final String OUTPUT_NAME = "output";

private static final String MODEL_FILE = "file:///android_asset/tensorflow_inception_graph.pb";
private static final String LABEL_FILE =    "file:///android_asset/imagenet_comp_graph_label_strings.txt";

改为这样：

private static final int INPUT_SIZE = 128;
private static final int IMAGE_MEAN = 128;
private static final float IMAGE_STD = 128;
private static final String INPUT_NAME = "input";
private static final String OUTPUT_NAME = "final_result";

private static final String MODEL_FILE = "file:///android_asset/output_graph.pb";
private static final String LABEL_FILE =    "file:///android_asset/output_labels.txt";

点击运行从而开始编译，然后在你的手机上运行相应的apk安装包，你就得到了自己的道路识别器。

结果

下面是我实际使用我这个app的视频，我对UI进行了一些小改动，从而使显示结果更直观。

那么它运行速度和CPU占用的情况怎样呢？

在我的小米5上，它识别一张图片需要55毫秒，也就是每秒18帧（18fps）。

不过，在这个识别速度下，CPU的占用也比较大。在加足马力运行的情况下，CPU的占用大概为25到30%。

△ 搭载MobileNet的App在18fps速度下运行时的CPU占用情况

如果我们希望这个数字能到5%，那么我们可以降低app的运行速度，因为在我们的使用场景中并不需要连续地进行图像识别。将识别速度调整到每秒1张，CPU的占用的平均值就下降到了5.5%。

△ 搭载MobileNet的App在1fps速度下运行时的内存占用和CPU占用情况

总结一下，我们的MobileNet的模型只有Inception的1/30，而运行起来识别图片的速度大概是后者的三倍，同时使用了占用的CPU空间也更少。