run Keras model on opencv
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第50回コンピュータビジョン勉強会＠関東「CVで使えるツールLT大会２」発表資料です。
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run Keras model on opencv
- 2. 自己紹介 2 株式会社ビジョン＆ITラボ 代表取締役 皆川 卓也（みながわ たくや） 「コンピュータビジョン勉強会＠関東」主催 博士（工学） http://visitlab.jp 略歴： 1999-2003年 日本HP（後にアジレント・テクノロジーへ分社）にて、ITエンジニアとしてシステム構築、プリ セールス、プロジェクトマネジメント、サポート等の業務に従事 2004-2009年 コンピュータビジョンを用いたシステム/アプリ/サービス開発等に従事 2007-2010年 慶應義塾大学大学院 後期博士課程にて、コンピュータビジョンを専攻 単位取得退学後、博士号取得（2014年） 2009年-現在 フリーランスとして、コンピュータビジョンのコンサル/研究/開発等に従事（2018年法人化）
- 4. DNNモジュールを使うモチベーション 4 OpenCVで開発した画像処理プログ ラムの一部分にCNNを使いたい ライブラリをいくつもインストールしたく ない 簡単に使いたい C++で動かしたい
- 5. OpenCV DNNモジュール 5 推論専用 学習は他のDeep Learningライブラリを使用 ドキュメントは少ない チュートリアル： https://docs.opencv.org/4.0.0/d2/d58/tutorial_table _of_content_dnn.html APIリファレンス： https://docs.opencv.org/4.0.0/d6/d0f/group__dnn.ht ml 使っている人もそれほど多くなさそう
- 6. 学習にKerasを使った理由 6 諸般の事情でKerasを使う必要があった 3.4.4までは以下のライブラリのモデルをサ ポートしており、この中で一番CNNの開発が 易しそうなのがKeras + Tensorflowと判断 Caffe Tensorflow Torch なお、4.0からはONNXもサポートしてるので、 ChainerやPyTorchからもいけるはず
- 7. Kerasで学習してOpenCVで推論 7 試した環境 Tensorflow 1.5 (Python) OpenCV 4.0 (C++) LeNETでMNISTを学習 CPUで学習/推論 コードはこちら https://github.com/takmin/Keras2OpenCV
- 8. Kerasで学習してOpenCVで推論 8 手順： 1. Kerasで学習モデルを構築/学習 2. Kerasで推論モデルを構築し、学習結 果を読み込み 3. Kerasの推論モデルからTensorflowの モデルを取得し、保存 4. OpenCVでモデルファイルを読み込み、 推論を実行
- 9. 1. Kerasで学習モデルを構築/学習 9 モデル： LeNet5 学習データ： MNIST
- 10. 1. Kerasで学習モデルを構築/学習 10 Tmodel = Sequential() Tmodel.add(Conv2D(32,kernel_size=(5,5),input_shape=input_shape)) Tmodel.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2))) Tmodel.add(Conv2D(64,kernel_size=(5,5),input_shape=input_shape)) Tmodel.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2))) Tmodel.add(Flatten()) Tmodel.add(Dense(1024, activation=tf.nn.relu)) Tmodel.add(Dropout(0.2)) Tmodel.add(Dense(10,activation=tf.nn.softmax)) Tmodel.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy']) 学習モデル構築 KerasのSequential Model Conv x2 Max Pooling x2 Full Connected Layer Drop Out 学習方法を指定してコンパイル
- 11. 1. Kerasで学習モデルを構築/学習 11 from tensorflow.python.keras.datasets import mnist (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data() x_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], 28, 28, 1) x_test= x_test.reshape(x_test.shape[0], 28, 28, 1) x_train = x_train.astype('float32') x_test = x_test.astype('float32') x_train /= 255 x_test /= 255 Tmodel.fit(x=x_train,y=y_train,epochs=10,batch_size=128,validation_ data=(x_test,y_test)) Tmodel.save("trained_model.h5") MNISTで学習する例 MNISTの読み込 みとデータ整形 学習 学習結果 を保存
- 12. 2. Kerasで推論モデルを構築し、学習結果を読 み込み 12 OpenCVは推論のみサポートしているため、例えば Dropoutのような学習用のレイヤーを読み込むことがで きない Tensorflowには”optimize_for_inference”という学習用の モデルから推論に必要な部分のみを抜き出すツール/ラ イブラリが用意されているが、Dropoutは除去してくれな い 現在pull requestが上がっているが現時点ではマージされてい ない 推論用のモデルを構築し、学習したパラメータを読み込 むことで解決
- 13. 2. Kerasで推論モデルを構築し、学習結果を読 み込み 13 Imodel = Sequential() Imodel.add(Conv2D(32,kernel_size=(5,5),input_shape=input_sha pe)) Imodel.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2))) Imodel.add(Conv2D(64,kernel_size=(5,5),input_shape=input_sha pe)) Imodel.add(MaxPooling2D(pool_size=(2,2))) Imodel.add(Flatten()) Imodel.add(Dense(1024, activation=tf.nn.relu)) #Imodel.add(Dropout(0.2)) Imodel.add(Dense(10,activation=tf.nn.softmax)) 推論モデル構築 学習モデルから Dropoutを除いただけ
- 15. 3. Kerasの推論モデルからTensorflowのモデル を取得し、保存 15 1. KerasからバックエンドのTensorflowへ アクセスし、モデルを取得 2. Tensorflowのモデルでは、ネットワーク 構造と重みは別々に扱われているため、 それらを統合（freeze） ネットワーク内の変数を定数（学習した重 み）に置き換え 3. Freezeしたモデルをファイルへ保存
- 16. 3. Kerasの推論モデルからTensorflowのモデル を取得し、保存 16 from tensorflow.python.keras.models import load_model import tensorflow as tf from tensorflow.python.keras import backend as K model = load_model('inference_model.h5') sess = K.get_session() outname = "output_node0" tf.identity(model.outputs[0], name=outname) constant_graph = graph_util.convert_variables_to_constants(sess, sess.graph.as_graph_def(),[outname]) tf.train.write_graph(constant_graph, "./", "lenet.pb", as_text=False) 推論モデル構築 Keras推論モデル 読み込み Kerasのバックエンド(Tensorflow) のセッション取得 Freeze プロトコルバッファをバイ ナリで保存(./lenet.pb)
- 17. 4. OpenCVでモデルファイルを読み込み、推論 を実行 17 dnn::Net net = dnn::readNet("./lenet.pb"); Mat img = imread(“mnist0.png", 0); Mat blob = dnn::blobFromImage(img, 1.0 / 255); net.setInput(blob); Mat prob = net.forward(); Point classIdPoint; double confidence; minMaxLoc(prob.reshape(1, 1), 0, &confidence, 0, &classIdPoint); int classId = classIdPoint.x; C++ Tensorflow推論 モデル読み込み 予測
- 18. まとめ 18 Kerasで学習してOpenCVで推論 学習モデルの他に推論モデルを用意 KerasからバックエンドのTensorflowを呼び出し、Freezeして保 存 実行時間はKerasで約2.8ms、OpenCVで1.2ms (Celeron 1.8G) 今後試したいこと Functional APIを使って、どこまで複雑なモデルに対応できる か確認 Custom Layer ONNXからの読み込み