深度学习入门篇--手把手教你用 TensorFlow 训练模型

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作者：付越

导语

Tensorflow在更新1.0版本之后多了很多新功能，其中放出了很多用tf框架写的深度网络结构（https://github.com/tensorflow/models ），大大降低了开发难度，利用现成的网络结构，无论fine-tuning还是重新训练方便了不少。最近笔者终于跑通TensorFlow Object Detection API的ssd_mobilenet_v1模型，这里记录下如何完整跑通数据准备到模型使用的整个过程，相信对自己和一些同学能有所帮助。

Object Detection API提供了5种网络结构的预训练的权重，全部是用COCO数据集进行训练，这五种模型分别是SSD+mobilenet、SSD+inception_v2、R-FCN+resnet101、faster RCNN+resnet101、faster RCNN+inception+resnet101。各个模型的精度和计算所需时间如下。下面及介绍下如何使用Object Detection去训练自己的模型。

这里TensorFlow的安装就不再说明了，网上的教程一大把，大家可以找到很详尽的安装TensorFlow的文档。

训练前准备：

使用protobuf来配置模型和训练参数，所以API正常使用必须先编译protobuf库，这里可以下载直接编译好的pb库（https://github.com/google/protobuf/releases ），解压压缩包后，把protoc加入到环境变量中：

$ cd tensorflow/models

$ protoc object_detection/protos/*.proto --python_out=.

（我是把protoc加到环境变量中，遇到找不到*.proto文件的报错，后来把protoc.exe放到models/object_detection目录下，重新执行才可以）

然后将models和slim（tf高级框架）加入python环境变量：

PYTHONPATH=$PYTHONPATH:/your/path/to/tensorflow/models:/your/path/to/tensorflow/models/slim

数据准备：

数据集需要转化成PASCAL VOC结构，API提供了create_pascal_tf_record.py，把VOC结构数据集转换成.record格式。不过我们发现更简单的方式，Datitran提供一种更简单生产.record格式的方法。

首先需要先要标注图像相应标签，这里可以使用labelImg工具。每标注一张样本，即生成一个xml的标注文件。然后，把这些标注的xml文件，按训练集与验证集分别放置到两个目录下，在Datitran提供了xml_to_csv.py脚本。这里只要指定标注的目录名即可。接下来，然后需要我们把对应的csv格式转换成.record格式。

def main():
    # image_path = os.path.join(os.getcwd(), 'annotations')
    image_path = r'D:\training-sets\object-detection\sunglasses\label\test'
    xml_df = xml_to_csv(image_path)
    xml_df.to_csv('sunglasses_test_labels.csv', index=None)
    print('Successfully converted xml to csv.')

调用generate_tfrecord.py，注意要指定--csv_input与--output_path这两个参数。执行下面命令：

python generate_tfrecord.py --csv_input=sunglasses_test_labels.csv --output_path=sunglass_test.record

这样就生成了训练及验证用的train.record与test.record。接下来指定标签名称，仿照models/ object_detection/data/ pet_label_map.pbtxt，重新创建一个文件，指定标签名。

item {
  id: 1
  name: 'sunglasses'
}

训练：

根据自己的需要，选择一款用coco数据集预训练的模型，把前缀model.ckpt放置在待训练的目录，这里meta文件保存了graph和metadata，ckpt保存了网络的weights，这几个文件表示预训练模型的初始状态。

打开ssd_mobilenet_v1_pets.config文件，并做如下修改：

num_classes:修改为自己的classes num

将所有PATH_TO_BE_CONFIGURED的地方修改为自己之前设置的路径（共5处）

其他参数均保持默认参数。

准备好上述文件后就可以直接调用train文件进行训练。

python object_detection/train.py \
--logtostderr \
--pipeline_config_path= D:/training-sets /data-translate/training/ssd_mobilenet_v1_pets.config \
--train_dir=D:/training-sets/data-translate/training

TensorBoard监控：

通过tensorboard工具，可以监控训练过程，输入西面指令后，在浏览器输入localhost:6006（默认）即可。

tensorboard --logdir= D:/training-sets/data-translate/training

这里面有很多指标曲线，甚至有模型网络架构，笔者对于这里面很多指标含义还没有弄明白，不过感觉出TensorBoard这个工具应该是极其强大。不过我们可以通过Total_Loss来看整体训练的情况。

从整体上看，loss曲线确实是收敛的，整体的训练效果还是满意的。另外，TensorFlow还提供了训练过程中利用验证集验证准确性的能力，但是笔者在调用时，仍有些问题，这里暂时就不详细说明了。

Freeze Model模型导出：

查看模型实际的效果前，我们需要把训练的过程文件导出，生产.pb的模型文件。本来，tensorflow/python/tools/freeze_graph.py提供了freeze model的api，但是需要提供输出的final node names（一般是softmax之类的最后一层的激活函数命名），而object detection api提供提供了预训练好的网络，final node name并不好找，所以object_detection目录下还提供了export_inference_graph.py。

python export_inference_graph.py \
--input_type image_tensor
--pipeline_config_path D:/training-sets /data-translate/training/ssd_mobilenet_v1_pets.config \
--trained_checkpoint_prefix D:/training-sets /data-translate/training/ssd_mobilenet_v1_pets.config /model.ckpt-* \
--output_directory D:/training-sets /data-translate/training/result

导出完成后，在output_directory下，会生成frozen_inference_graph.pb、model.ckpt.data-00000-of-00001、model.ckpt.meta、model.ckpt.data文件。

调用生成模型：

目录下本身有一个调用的例子，稍微改造如下：

import cv2
import numpy as np
import tensorflow as tf
from object_detection.utils import label_map_util
from object_detection.utils import visualization_utils as vis_util


class TOD(object):
    def __init__(self):
        self.PATH_TO_CKPT = r'D:\lib\tf-model\models-master\object_detection\training\frozen_inference_graph.pb'
        self.PATH_TO_LABELS = r'D:\lib\tf-model\models-master\object_detection\training\sunglasses_label_map.pbtxt'
        self.NUM_CLASSES = 1
        self.detection_graph = self._load_model()
        self.category_index = self._load_label_map()

    def _load_model(self):
        detection_graph = tf.Graph()
        with detection_graph.as_default():
            od_graph_def = tf.GraphDef()
            with tf.gfile.GFile(self.PATH_TO_CKPT, 'rb') as fid:
                serialized_graph = fid.read()
                od_graph_def.ParseFromString(serialized_graph)
                tf.import_graph_def(od_graph_def, name='')
        return detection_graph

    def _load_label_map(self):
        label_map = label_map_util.load_labelmap(self.PATH_TO_LABELS)
        categories = label_map_util.convert_label_map_to_categories(label_map,
                                                                    max_num_classes=self.NUM_CLASSES,
                                                                    use_display_name=True)
        category_index = label_map_util.create_category_index(categories)
        return category_index

    def detect(self, image):
        with self.detection_graph.as_default():
            with tf.Session(graph=self.detection_graph) as sess:
                # Expand dimensions since the model expects images to have shape: [1, None, None, 3]
                image_np_expanded = np.expand_dims(image, axis=0)
                image_tensor = self.detection_graph.get_tensor_by_name('image_tensor:0')
                boxes = self.detection_graph.get_tensor_by_name('detection_boxes:0')
                scores = self.detection_graph.get_tensor_by_name('detection_scores:0')
                classes = self.detection_graph.get_tensor_by_name('detection_classes:0')
                num_detections = self.detection_graph.get_tensor_by_name('num_detections:0')
                # Actual detection.
                (boxes, scores, classes, num_detections) = sess.run(
                    [boxes, scores, classes, num_detections],
                    feed_dict={image_tensor: image_np_expanded})
                # Visualization of the results of a detection.
                vis_util.visualize_boxes_and_labels_on_image_array(
                    image,
                    np.squeeze(boxes),
                    np.squeeze(classes).astype(np.int32),
                    np.squeeze(scores),
                    self.category_index,
                    use_normalized_coordinates=True,
                    line_thickness=8)

        cv2.namedWindow("detection", cv2.WINDOW_NORMAL)
        cv2.imshow("detection", image)
        cv2.waitKey(0)

if __name__ == '__main__':
    image = cv2.imread('image.jpg')
    detecotr = TOD()
    detecotr.detect(image)

下面是一些图片的识别效果：

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