Привет, Хабр! Продолжаем серию материалов от выпускника нашей программы Deep Learning, Кирилла Данилюка, об использовании сверточных нейронных сетей для распознавания образов — CNN (Convolutional Neural Networks)

Введение

За последние несколько лет сфера компьютерного зрения (CV) переживает если не второе рождение, то огромный всплеск интереса к себе. Во многом такой рост популярности связан с эволюцией нейросетевых технологий. Например, сверточные нейронные сети (convolutional neural networks или CNN) отобрали себе большой кусок задач по генерации фич, ранее решаемых классическими методиками CV: HOG, SIFT, RANSAC и т.д.

Маппинг, классификация изображений, построение маршрута для дронов и беспилотных автомобилей — множество задач, связанных с генерацией фич, классификацией, сегментацией изображений могут быть эффективно решены с помощью сверточных нейронных сетей.


_{MultiNet как пример нейронной сети (трех в одной), которую мы будем использовать в одном из следующих постов. Источник.}

Предполагается, что читатель имеет общее представление о работе нейронных сетей. В сети есть огромное количество постов, курсов и книг на данную тему. К примеру:

• Chapter 6: Deep Feedforward Networks — глава из книги Deep Learning от I.Goodfellow, Y.Bengio и A.Courville. Очень рекомендую.
• CS231n Convolutional Neural Networks for Visual Recognition? — популярный курс от Fei-Fei Li и Andrej Karpathy из Стэнфорда. В курсе содержатся отличные материалы сделан упор на практику и проектирование.
• Deep Learning? — курс от Nando de Freitas из Оксфорда.
• Intro to Machine Learning? — бесплатный курс от Udacity для новичков с доступным изложением материала, затрагивает большое количество тем в машинном обучении.

Совет: чтобы убедиться в том, что вы владеете основами нейронных сетей, напишите свою сеть с нуля и поиграйте с ней!

Вместо того, чтобы повторять основы, данная серия статей фокусируется на нескольких конкретных архитектурах нейронных сетей: STN (spatial transformer network), IDSIA (сверточная нейросеть для классификации дорожных знаков), нейросеть от NVIDIA для end-to-end разработки автопилота и MultiNet для распознавания и классификации дорожной разметки и знаков. Приступим!

Тема данной статьи — показать несколько инструментов для предобработки изображений. Общий пайплайн обычно зависит от конкретной задачи, я же хотел бы остановиться именно на инструментах. Нейросети — совсем не те магические черные ящики, какими их любят преподносить в медиа: нельзя просто взять и «закинуть» данных в сетку и ждать волшебных результатов. По правилу shit in — shit out в лучшем случае, вы получите score хуже на несколько пунктов. А, скорее всего, просто не сможете обучить сеть и никакие модные техники типа нормализации батчей или dropout вам не помогут. Таким образом, работу нужно начинать именно с данных: их чистки, нормализации и нормировки. Дополнительно стоит задуматься над расширением (data augmentation) исходного картиночного датасета с помощью аффинных преобразований типа вращения, сдвигов, изменения масштаба картинок: это поможет снизить вероятность переобучения и обеспечит лучшую инвариантность классификатора к трансформациям.

Инструмент 1: Визуализация и разведочный анализ данных

В рамках этого и следующего постов мы будем использовать GTSRB ?—? датасет по распознаванию дорожных знаков в Германии. Наша задача — обучить классификатор дорожных знаков, используя размеченные данные из GTSRB. В общем случае, лучший способ получить представление об имеющихся данных — построить гистограмму распределения train, validation и/или test наборов данных:



Базовая информация о нашем датасете:

Number of training examples = 34799
Number of validation examples = 4410
Number of testing examples = 12630
Image data shape = (32, 32, 3)
Number of classes = 43

На данном этапе matplotlib — ваш лучший друг. Несмотря на то, что используя лишь pyplot можно отлично визуализировать данные, matplotlib.gridspec позволяет слить 3 графика воедино:

gs = gridspec.GridSpec(1, 3, wspace=0.25, hspace=0.1)
fig = plt.figure(figsize=(12,2))
ax1, ax2, ax3 = [plt.subplot(gs[:, i]) for i in range(3)]

Gridspec очень гибок. К примеру, для каждой гистограммы можно установить свою ширину, как я это сделал выше. Gridspec рассматривает ось каждой гистограммы независимо от других, что позволяет создавать усложненные графики.


В результате всего один график может сказать о нашем наборе данных очень многое. Ниже указаны 3 задачи, которые можно решить с помощью грамотно построенного графика:

• Визуализация изображений. По графику сразу видно множество слишком темных или слишком светлых изображений, поэтому должна быть проведена своего рода нормализация данных, чтобы устранить вариацию яркости.
• Проверка выборки на несбалансированность. В случае, если в выборке превалируют экземпляры какого-либо класса, необходимо использовать методы undersampling или oversampling.
• Проверить, что распределения train, validation и test выборок похожи. Это можно проверить, взглянув на гистограммы выше, либо используя ранговый коэффициент корреляции Спирмена. (через scipy)

Инструмент 2: IPython Parallel для scikit-image

Для того, чтобы улучшить сходимость нейронной сети, нужно привести все изображения к единому освещению путем (как рекомендовано в статье LeCun о распознавании дорожных знаков) преобразования их цветовой гаммы в градации серого. Это можно сделать как с помощью OpenCV, так и с помощью отличной библиотеки на Python scikit-image, которая может быть легко установлена с помощью pip (OpenCV же требует самостоятельной компиляции с кучей зависимостей). Нормализация контрастности изображений будет осуществляться с помощью адаптивной нормализации гистограммы (CLAHE, contrast limited adaptive histogram equalization):
skimage.exposure.equalize_adapthist.

Отмечу, что skimage обрабатывает изображения одно за другим, используя лишь одно ядро процессора, что, очевидно, неэффективно. Чтобы распараллелить предобработку изображений, используем библиотеку IPython Parallel (ipyparallel). Одно из преимуществ этой библиотеки — простота: реализовать распараллеленный CLAHE можно всего несколькими строчками кода. Сначала в консоли (с установленной ipyparallel) запустим локальный кластер ipyparallel:

$ ipcluster start

Наш подход к распараллеливанию очень прост: мы разделяем выборку на батчи и обрабатываем каждую партию независимо от остальных. Как только все батчи будут обработаны, мы сливаем их обратно в один набор данных. Моя реализация CLAHE приведена ниже:

from skimage import exposure

def grayscale_exposure_equalize(batch_x_y):
    """Processes a batch with images by grayscaling, normalization and
    histogram equalization.
    
    Args:
        batch_x_y: a single batch of data containing a numpy array of images
            and a list of corresponding labels.
    
    Returns:
        Numpy array of processed images and a list of labels (unchanged).
    """
    x_sub, y_sub = batch_x_y[0], batch_x_y[1]
    x_processed_sub = numpy.zeros(x_sub.shape[:-1])
    for x in range(len(x_sub)):
        # Grayscale
        img_gray = numpy.dot(x_sub[x][...,:3], [0.299, 0.587, 0.114])
        # Normalization
        img_gray_norm = img_gray / (img_gray.max() + 1)
        # CLAHE. num_bins will be initialized in ipyparallel client
        img_gray_norm = exposure.equalize_adapthist(img_gray_norm, nbins=num_bins)
        
        x_processed_sub[x,...] = img_gray_norm
    return (x_processed_sub, y_sub)

Теперь, когда сама трансформация готова, напишем код, который применяет ее к каждому батчу из обучающей выборки:

import multiprocessing
import ipyparallel as ipp
import numpy as np

def preprocess_equalize(X, y, bins=256, cpu=multiprocessing.cpu_count()):
    """ A simplified version of a function which manages multiprocessing logic. 
    This function always grayscales input images, though it can be generalized
    to apply any arbitrary function to batches.
    Args:
        X: numpy array of all images in dataset.
        y: a list of corresponding labels.
        bins: the amount of bins to be used in histogram equalization.
        cpu: the number of cpu cores to use. Default: use all.
    Returns:
        Numpy array of processed images and a list of labels.
    """
    rc = ipp.Client()

    # Use a DirectView object to broadcast imports to all engines
    with rc[:].sync_imports():
        import numpy
        from skimage import exposure, transform, color        

    # Use a DirectView object to set up the amount of bins on all engines
    rc[:]['num_bins'] = bins

    X_processed = np.zeros(X.shape[:-1])    
    y_processed = np.zeros(y.shape)

    # Number of batches is equal to cpu count
    batches_x = np.array_split(X, cpu)
    batches_y = np.array_split(y, cpu)
    batches_x_y = zip(batches_x, batches_y)

    # Applying our function of choice to each batch with a DirectView method
    preprocessed_subs = rc[:].map(grayscale_exposure_equalize, batches_x_y).get_dict()

    # Combining the output batches into a single dataset
    cnt = 0
    for _,v in preprocessed_subs.items():
        x_, y_ = v[0], v[1]
        X_processed[cnt:cnt+len(x_)] = x_
        y_processed[cnt:cnt+len(y_)] = y_
        cnt += len(x_)
    
    return X_processed.reshape(X_processed.shape + (1,)), y_processed

Наконец, применим написанную функцию к обучающей выборке:

# X_train: numpy array of (34799, 32, 32, 3) shape
# y_train: a list of (34799,) shape
X_tr, y_tr = preprocess_equalize(X_train, y_train, bins=128)

В результате мы используем не одно, а все ядра процессора (32 в моем случае) и получаем значительное увеличение производительности. Пример полученных изображений:


<sub>Результат нормализации изображений и переноса их цветовой гаммы в градации серого


Нормализация распределения для изображений формата RGB (я использовал другую функцию для rc[:].map)</sub>

Теперь весь процесс предобработки данных проходит за несколько десятков секунд, поэтому мы можем протестировать разные значения числа интервалов num_bins, чтобы визуализировать их и выбрать наиболее подходящий:


_{num_bins: 8, 32, 128, 256, 512}

Выбор большего числа num_bins увеличивает контрастность изображений, в то же время сильно выделяя их фон, что зашумляет данные. Разные значения num_bins также могут быть использованы для аугментации контрастности датасета путем контраста для того, чтобы нейросеть не переобучалась из-за фона изображений.

Наконец, используем ipython magic %store, чтобы сохранить результаты для дальнейшего использования:

# Same images, multiple bins (contrast augmentation)
%store X_tr_8
%store y_tr_8
# ...
%store X_tr_512
%store y_tr_512

Инструмент 3: Онлайн-аугментация данных

Ни для кого не секрет, что добавление новых разнообразных данных в выборку снижает вероятность переобучения нейронной сети. В нашем случае мы можем сконструировать искусственные изображения путем трансформации имеющихся картинок c помощью вращения, зеркального отражения и аффиных преобразований. Несмотря на то, что мы можем провести данный процесс для всей выборки, сохранить результаты и затем использовать их же, более элегантным способом будет создавать новые изображения «на лету» (онлайн), чтобы можно было оперативно корректировать параметры аугментации данных.

Для начала обозначим все планируемые преобразования, используя numpy и skimage:

import numpy as np
from skimage import transform
from skimage.transform import warp, AffineTransform

def rotate_90_deg(X):    
    X_aug = np.zeros_like(X)
    for i,img in enumerate(X):
        X_aug[i] = transform.rotate(img, 270.0)
    return X_aug

def rotate_180_deg(X):    
    X_aug = np.zeros_like(X)
    for i,img in enumerate(X):
        X_aug[i] = transform.rotate(img, 180.0)
    return X_aug

def rotate_270_deg(X):    
    X_aug = np.zeros_like(X)
    for i,img in enumerate(X):
        X_aug[i] = transform.rotate(img, 90.0)
    return X_aug

def rotate_up_to_20_deg(X):
    X_aug = np.zeros_like(X)
    delta = 20.
    for i,img in enumerate(X):
        X_aug[i] = transform.rotate(img, random.uniform(-delta, delta), mode='edge')
    return X_aug

def flip_vert(X):
    X_aug = deepcopy(X)
    return X_aug[:, :, ::-1, :]

def flip_horiz(X):
    X_aug = deepcopy(X)
    return X_aug[:, ::-1, :, :]

def affine_transform(X, shear_angle=0.0, scale_margins=[0.8, 1.5], p=1.0):
    """This function allows applying shear and scale transformations
    with the specified magnitude and probability p.
    
    Args:
        X: numpy array of images.
        shear_angle: maximum shear angle in counter-clockwise direction as radians.
        scale_margins: minimum and maximum margins to be used in scaling.
        p: a fraction of images to be augmented.
    """
    X_aug = deepcopy(X)
    shear = shear_angle * np.random.rand()
    for i in np.random.choice(len(X_aug), int(len(X_aug) * p), replace=False):
        _scale = random.uniform(scale_margins[0], scale_margins[1])
        X_aug[i] = warp(X_aug[i], AffineTransform(scale=(_scale, _scale), shear=shear), mode='edge')
    return X_aug

Масштабирование и рандомные повороты rotate_up_to_20_deg увеличивают размер выборки, сохраняя принадлежность изображений к исходным классам. Отражения (flips) и вращения на 90, 180, 270 градусов могут, напротив, поменять смысл знака. Чтобы отслеживать такие переходы, создадим список возможных преобразований для каждого дорожного знака и классов, в которые они будут преобразованы (ниже приведен пример части такого списка):

label_class	label_name	rotate_90_deg	rotate_180_deg	rotate_270_deg	flip_horiz	flip_vert
13	Yield					13
14	Stop
15	No vehicles	15	15	15	15	15
16	Vehicles over 3.5 ton prohibited
17	No entry		17		17	17

_{Часть таблицы преобразований. Значения в ячейках показывают номер класса, который примет данное изображение после трансформации. Пустые ячейки означают, что данное преобразование недоступно для этого класса.}

Обратите внимание, что заголовки столбцов соответствуют названиям трансформирующих функций, определенных ранее, чтобы по ходу обработки можно было добавлять преобразования:

import pandas as pd

# Generate an augmented dataset using a transform table
augmentation_table = pd.read_csv('augmentation_table.csv', index_col='label_class')

augmentation_table.drop('label_name', axis=1, inplace=True)
augmentation_table.dropna(axis=0, how='all', inplace=True)

# Collect all global functions in global namespace
namespace = __import__(__name__)

def apply_augmentation(X, how=None):
    """Apply an augmentation function specified in `how` (string) to a numpy array X.
    
    Args:
        X: numpy array with images.
        how: a string with a function name to be applied to X, should return 
            the same-shaped numpy array as in X.
    
    Returns:
        Augmented X dataset.
    """
    assert augmentation_table.get(how) is not None
    
    augmentator = getattr(namespace, how)
    return augmentator(X)

Теперь мы можем построить пайплайн, который применяет все доступные функции (преобразования), перечисленные в augmentation_table.csv ко всем классам:

import numpy as np

def flips_rotations_augmentation(X, y):
    """A pipeline for applying augmentation functions listed in `augmentation_table`
    to a numpy array with images X.
    """
    # Initializing empty arrays to accumulate intermediate results of augmentation
    X_out, y_out = np.empty([0] + list(X.shape[1:]), dtype=np.float32), np.empty([0])
    
    # Cycling through all label classes and applying all available transformations
    for in_label in augmentation_table.index.values:
        available_augmentations = dict(augmentation_table.ix[in_label].dropna(axis=0))
        images = X[y==in_label]

        # Augment images and their labels
        for kind, out_label in available_augmentations.items():
            X_out = np.vstack([X_out, apply_augmentation(images, how=kind)])
            y_out = np.hstack([y_out, [out_label] * len(images)])

    # And stack with initial dataset
    X_out = np.vstack([X_out, X])
    y_out = np.hstack([y_out, y])
    
    # Random rotation is explicitly included in this function's body
    X_out_rotated = rotate_up_to_20_deg(X)
    y_out_rotated = deepcopy(y)

    X_out = np.vstack([X_out, X_out_rotated])
    y_out = np.hstack([y_out, y_out_rotated])

    return X_out, y_out

Отлично! Теперь у нас есть 2 готовые функции аугментации данных:

• affine_transform: кастомизируемые аффинные преобразования без вращения (название я выбрал не очень удачное, потому что, что вращение является одним из аффинных преобразований).
• flips_rotations_augmentation: случайные вращения и преобразования на основе augmentation_table.csv, меняющие классы изображений.

Финальный шаг — это создать генератор батчей:

def augmented_batch_generator(X, y, batch_size, rotations=True, affine=True,
                              shear_angle=0.0, scale_margins=[0.8, 1.5], p=0.35):
    """Augmented batch generator. Splits the dataset into batches and augments each
    batch independently.
    
    Args:
        X: numpy array with images.
        y: list of labels.
        batch_size: the size of the output batch.
        rotations: whether to apply `flips_rotations_augmentation` function to dataset.
        affine: whether to apply `affine_transform` function to dataset.
        shear_angle: `shear_angle` argument for `affine_transform` function.
        scale_margins: `scale_margins` argument for `affine_transform` function.
        p: `p` argument for `affine_transform` function.
    """
    X_aug, y_aug = shuffle(X, y)
    
    # Batch generation
    for offset in range(0, X_aug.shape[0], batch_size):
        end = offset + batch_size
        batch_x, batch_y = X_aug[offset:end,...], y_aug[offset:end]
        
        # Batch augmentation
        if affine is True:
            batch_x = affine_transform(batch_x, shear_angle=shear_angle, scale_margins=scale_margins, p=p)
        if rotations is True:
            batch_x, batch_y = flips_rotations_augmentation(batch_x, batch_y)
        
        yield batch_x, batch_y

Объединив датасеты с разным числом num_bins в CLAHE в один большой train, подадим его в полученный генератор. Теперь у нас есть два вида аугментации: по контрастности и с помощью аффинных трансформаций, которые применяются к батчу на лету:


_{Сгенерированные с помощью augmented_batch_generator изображения}

Замечание: аугментация нужна для train-сета. Test-сет мы тоже предобрабатываем, но не аугментируем.

Давайте проверим, что мы нечаянно не нарушили распределение классов на расширенном трейне по сравнению с исходным датасетом:


_{Слева: гистограмма распределения данных из augmented batch generator. Справа: изначальный train. Как видно, значения различаются, но распределения схожи.}

Переход к нейронным сетям

После того, как выполнена предобработка данных, все генераторы готовы и датасет готов к анализу, мы можем перейти к обучению. Мы будем использовать двойную свёрточную нейронную сеть: STN (spatial transformer network) принимает на вход предобработанные батчи изображений из генератора и фокусируется на дорожных знаках, а IDSIA нейросеть распознает дорожный знак на изображениях, полученных от STN. Следующий пост будет посвящён этим нейросетям, их обучению, анализу качества и демо-версии их работы. Следите за новыми постами!


_{Слева: исходное предобработанное изображение. Справа: преобразованное STN изображение, которое принимает на вход IDSIA для классификации.}