Python TensorFlow Keras深度学习模型RetinaNet进行目标检测分析车牌数据
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原文出处：拓端数据部落公众号
目标检测作为计算机视觉领域的关键任务之一，在交通管理、智能安防、自动驾驶等众多应用场景中具有重要意义。车牌作为车辆的重要标识，其准确检测对于车辆识别、交通监控等系统的性能提升至关重要。
传统的目标检测方法在面对复杂场景和多样化的车牌样式时，往往存在精度不高、鲁棒性不足等问题。随着深度学习技术的迅速发展，特别是 TensorFlow Keras 框架下的深度学习模型，为解决这些问题提供了强大的工具。
RetinaNet 作为一种先进的深度学习目标检测模型，以其独特的结构和出色的性能，在多个领域取得了显著的成果。本研究将 RetinaNet 模型应用于车牌数据的目标检测，旨在探索其在该特定领域的有效性和潜力。
通过利用大规模的车牌数据集进行训练和优化，期望能够实现对车牌的高精度、快速检测，为相关实际应用提供可靠的技术支持。同时，对模型的性能进行深入分析和评估，为进一步改进和完善车牌检测技术提供有价值的参考。
环境配置与库导入
为了开展本研究，我们首先需要配置Python环境并导入必要的库。这些库涵盖了数据处理、模型构建、可视化以及深度学习框架等多个方面。
我们利用pandas库来处理和分析数据集，numpy库用于高效的数值计算。可视化方面，我们引入了matplotlib和seaborn库来绘制图表，以便直观地展示数据特征和模型结果。此外，通过%matplotlib inline和%config InlineBackend.figure_format='retina'的设置，我们确保了在Jupyter Notebook环境中图表的高质量显示。
为了构建和训练深度学习模型，我们采用了TensorFlow框架及其高级API Keras。特别地，针对目标检测任务，我们集成了keras_retinanet库，该库提供了基于RetinaNet架构的预训练模型和工具。
数据集准备与预处理
首先，我们使用pandas库从indian_number_plates.json文件中读取车牌数据。该JSON文件以行格式存储，每行代表一个包含车牌图像URL及其标注信息的记录。通过调用pd.read_json函数，并设置lines=True参数，我们成功地将这些数据加载到DataFrame对象plates_df中。
接下来，为了确保存储下载图像的目录存在，我们使用os.makedirs函数创建了一个名为number_plates的目录。如果该目录已存在，则通过设置exist_ok=True参数避免抛出错误。
为了构建可用于模型训练的数据集，我们初始化了一个空字典dataset，其中包含用于存储图像名称、边界框坐标（x_min, y_min, x_max, y_max）和类别名称（class_name）的列表。然后，我们遍历plates_df中的每一行，对每条记录执行以下操作：
- 使用
urllib.request.urlopen函数根据记录中的content字段（即图像URL）下载车牌图像。 - 将下载的图像对象转换为PIL图像，并转换为RGB颜色模式以匹配常见的图像处理需求。
- 将处理后的图像保存到
number_plates目录下，文件名格式为licensed_car_{counter}.jpeg，其中counter用于追踪已下载图像的数量。 - 将图像的存储路径添加到
dataset["image_name"]列表中。 - 解析记录中的
annotation字段，提取车牌边界框的坐标信息。根据图像的实际宽度和高度，将标注中的相对坐标转换为绝对像素坐标，并存储到相应的列表中。 - 将车牌的类别名称（在本例中为"license_plate"）添加到
dataset["class_name"]列表中。
完成上述遍历后，我们打印出已下载的汽车图像数量，以确认数据集的完整性和规模。
print("Downloaded {} car images.".format(counter))通过上述步骤，我们成功地从JSON文件中提取并整理了车牌图像及其标注信息，构建了一个完整的数据集，为后续的目标检测模型训练提供了有力的支持。
数据预处理与初步探索
在数据处理的初步阶段，我们首先利用Pandas库将数据集加载为一个DataFrame对象，以便进行后续的分析与操作。以下是加载数据集并查看其前几行数据的代码实现：
df = pd.DataFrame(dataset)
df.head()此步骤不仅验证了数据成功加载，还通过head()方法提供了数据集的概览，有助于初步了解数据的结构和内容。
图像对象可视化函数
为了更直观地展示数据集中的图像及其包含的特定对象（如通过边界框标记的对象），我们定义了一个名为show_image_objects的函数。该函数接收DataFrame中的一行数据作为输入，该数据行包含图像路径和对象边界框的坐标信息。
示例应用
为了演示show_image_objects函数的功能，我们可以从DataFrame中选取一行数据作为示例，并调用该函数来展示图像及其包含的边界框：
show_image_objects(df.iloc[0])通过上述步骤，我们不仅能够展示数据集中的图像，还能直观地看到图像中特定对象的边界框：
数据预处理
在数据准备阶段，为了有效地训练模型并评估其性能，我们首先将数据集划分为训练集和测试集。这通过train_test_split函数实现，该函数从sklearn.model_selection模块中导入，用于随机分割数据集。具体地，我们将原始数据集df按照80%训练集和20%测试集的比例进行划分，并设置随机种子RANDOM_SEED以确保结果的可重复性。
train_df, test_df = train_test_split(
df,
test_size=0.2,
random_state=RANDOM_SEED
)接下来，为了后续训练过程中的便利，我们将训练集的注释信息（即标注数据）保存至annotations.csv文件中，并去除索引和表头信息以简化文件结构。同时，我们定义了一个包含所有类别名称的集合classes，在这个例子中仅包含'license_plate'一个类别。然后，我们将这些类别名称及其对应的索引（从0开始）写入classes.csv文件，该文件用于模型训练时指定类别标签。
最后，为了验证上述步骤是否按预期执行，我们使用!head命令（通常在Jupyter Notebook或类似环境中可用）来查看classes.csv和annotations.csv文件的前几行内容。这有助于快速检查文件内容是否符合预期格式，从而确保后续处理流程的顺利进行。
训练
这段代码主要是进行了模型的下载和训练操作。
首先，定义了一个预训练模型的路径 PRETRAINED_MODEL ，并指定了一个模型的 URL URL_MODEL 。然后，使用 urllib.request.urlretrieve 函数从指定的 URL 下载模型，并保存到指定的路径。
最后，通过执行 keras_retinanet/bin/train.py 脚本来进行模型的训练。其中，--freeze-backbone 表示冻结骨干网络，--random-transform 可能是用于数据增强的随机变换，--weights {PRETRAINED_MODEL} 指定了使用刚刚下载的预训练模型的权重，--batch-size 8 设定了批处理大小为 8，--steps 500 可能是每个 epoch 中的训练步数，--epochs 10 设定了训练的轮数为 10 ，并使用 csv annotations.csv classes.csv 来指定数据的相关文件。
加载训练模型
首先，确定模型的路径。然后，加载模型。
例如，如果 CLASSES_FILE 中的内容为 0,cat\n1,dog\n2,rabbit ，那么 labels_to_names 字典可能为 {0: 'cat', 1: 'dog', 2: 'rabbit'} 。这种方式能够方便地将模型预测的类别标签转换为对应的名称，从而提高模型结果的可读性和可理解性。
预测
设置了分数阈值： 并定义了根据检测结果在图像上绘制框和标注的函数：
还定义了展示检测到的物体的函数：
plt.axis('off')
plt.imshow(draw)
plt.show()最后，查看测试数据框的前 10 行：
例如，假设一张图像中有一个物体被标注为“cat”，其预测分数为 0.8 ，且超过了阈值 0.6 。那么在图像上将会绘制出一个框，并标注“cat 0.800”。又如，对于另一张图像，如果多个物体的预测分数都高于阈值，将会相应地绘制多个框和标注。
展示检测结果
通过以下代码对测试数据集中的前三个样本进行检测结果的展示：
