В этой статье я расскажу, как с помощью библиотек scikit-learn, opencv, numpy, imutilsс выявить новизну входных изображений. Многие программы требуют наличия возможности решить, принадлежит ли новый объект тому же распределению, что и существующие объекты (это промежуточный результат), или его следует рассматривать как новизну. Часто эта возможность используется для очистки реальных наборов данных.

Для начала установим необходимые библиотеки:

pip install numpy
pip install opencv-contrib-python
pip install imutils
pip install scikit-learn

Выявлять новинки будем методом «Обнаружения новинок», используя модуль Isolation Forests.

Одним из эффективных способов обнаружения новизны в наборе данных является использование случайных лесов. Алгоритм изолирует наблюдения, случайным образом выбирая признак, а затем случайным образом выбирая значение разделения между максимальным и минимальным значениями выбранного признака. Стратегия показана выше.

Рассмотрим работу алгоритма на конкретном примере. Пусть перед нами стоит задача – определить изображено ли картинке море.

Обучим модель на датасете фотографий моря.

При представлении нового входного изображения наш алгоритм обнаружения новизны должен решить, вписывается ли новое изображение в «многообразие моря» или оно является новинкой, и вернуть либо 1, либо -1. Если возвращается 1, то делаем вывод «Да, это море», иначе «Нет, не похоже на море»

Для оценки нашего алгоритма обнаружения новинок используем 3 тестовых изображения:

Для начала реализуем модуль для извлечения цветовой гистограммы с помощью OpenCV, это необходимо для того, чтобы представить изображение в график пикселей:

from imutils import paths
import numpy as np
import cv2
def histogram_image(image, bins=(4, 6, 3)):
	# вычислияем 3D-цветовую гистограмму по изображению и нормализуем ее
	histogram = cv2.calcHist([image], [0, 1, 2], None, bins,
		[0, 180, 0, 256, 0, 256])
	histogram = cv2.normalize(histogram, histogram).flatten()
	# Возращаем гистограмму
	return histogram

Затем загружаем датасет:

def loading_dataset(path_dataset, bins):
# пути ко всем изображениям в нашем каталоге набора данных, затем
# инициализируйте наши списки изображений
    path_s_image = list(paths.list_images(path_dataset))
    data = []
    # цикл по каждому патчу
    for path in path_s_image:
        image = cv2.imread(path)
        image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
        features = quantify_image(image, bins)
        data.append(features)
    return np.array(data)

Создаем файл Python для обучения модели на загруженном датасете и запускаем выполнение:

from function import loading_dataset
from sklearn.ensemble import IsolationForest
import pickle
print("[ИНФО] подготовка набора данных")
data = loading_dataset('sea/', bins=(3, 3, 3))
# обучаем модель
print("[INFO] модель обнаружения")
model = IsolationForest(n_estimators=100, contamination=0.01,
	random_state=42)
model.fit(data)
f = open('detect_anomaly.model', "wb")
f.write(pickle.dumps(model))
f.close()

Создаем файл test_anomaly для тестирования модели:

from function import histogram_image
import pickle
import cv2
print("[ИНФО] загрузка модели новизны")
model = pickle.loads(open("detect_anomaly.model", "rb").read())
# Загрузка изображения,и конвертация в гистограмму
image = cv2.imread('examples\cities.jpg')
hsv = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
features = histogram_image(hsv, bins=(3, 3, 3))
preds = model.predict([features])[0]
label = "new" if preds == -1 else "normal"
color = (0, 0, 255) if preds == -1 else (0, 255, 0)
# рисуем фотографию
cv2.putText(image, label, (10,  25), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,
	0.7, color, 2)
# отображаем на экране
cv2.imshow("Output", image)
cv2.waitKey(0)

Тестируем модель на трех фотографиях – город, море и шоссе.
Тест 1. В модель загружаем фото города.

По результату отработки алгоритма видим, что фотографию города модель пометила как новинку.
Тест 2. В модель загружаем фото моря.

Фотографию моря модель пометила как нормальное. То есть на картинки изображено море.
Тест 3. В модель загружаем фото шоссе.

Фотографию шоссе модель пометила как новинку.

В результате, наша обученная модель прошла три из трех тестов, и определила все фотографии верно. Две из которых были новинками и одно фото не являлось новинкой.