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Woman、man、camera、TV：如何做一个完整的深度学习应用

2020-08-21

前段时间 Trump 的这个采访成为社交媒体焦点的时候，我正好在复习一些 neural network 的材料，于是想到可以用一些新的开源工具做一个识别 woman、man、cemara、TV 的完整应用试试。这个例子足够小，可以在很短时间完成，很适合用来说明如何做一个完整的深度学习应用。完成的应用部署在 https://trump-sim.jishuq.com （LeanCloud的一个云引擎实例上）。

做这个应用分为三步：先用一些图片完成模型的训练，然后把模型导出，做一个后端的 API 用来识别图片，再做一个前端用来上传图片和显示结果。

准备训练数据

Jupyter notebook 是个很流行的用来做数据分析和机器学习的交互式环境，它可以把 Markdown 文档和 Python 代码放在一个笔记本里，也可以以图表、图片等友好的方式显示代码的运行结果。这里也会用到 FastAI，它是一个基于 PyTorch，提供了很多网络和文件批量操作便捷接口的开源库。这篇文章就是在 Jupyter notebook 里写的，所以你可以直接 clone 这个 repo、安装依赖、启动 Jupyter notebook。

git clone https://github.com/hjiang/trump-sim-notebook
pip install -r requirements.txt
jupyter notebook

我们还会用到 Bing image search API 来获取做训练的图片，你需要自己注册并申请一个免费的 API KEY。当然，因为搜索到的图片是在很多第三方网站上的，所以你需要能无障碍地访问中国之外的网站。🤷‍♂️

把你的 Bing image search API key 放在项目目录下的 .env 里，以免在代码里泄露出去：

BING_SEARCH_API_KEY=XXXXXXXX....

然后在 Python 里读进来

import os
from dotenv import load_dotenv
load_dotenv()
key = os.getenv('BING_SEARCH_API_KEY')

写一个函数用来搜索图片：

from azure.cognitiveservices.search.imagesearch import ImageSearchClient
from msrest.authentication import CognitiveServicesCredentials
from fastcore.foundation import L

def search_images_bing(key, term, min_sz=128):
    client = ImageSearchClient('https://api.cognitive.microsoft.com', CognitiveServicesCredentials(key))
    return L(client.images.search(query=term, count=150, min_height=min_sz, min_width=min_sz).value)

实际验证一下, 搜一张 Artemis 的图片：

from torchvision.datasets.utils import download_url
from PIL import Image
import fastai2.vision.widgets

results = search_images_bing(key, 'Artemis')
urls = results.attrgot('content_url')
download_url(urls[0], 'images/', 'artemis.jpg')
image = Image.open('images/artemis.jpg')
image.to_thumb(128, 128)

output 7 1

确认图片下载没问题后，我们把关心的四类图片下载到 /objects 下面的四个目录里。

from fastai2.vision.utils import download_images
from pathlib import Path

object_types = 'woman','man','camera', 'TV'
path = Path('objects')

if not path.exists():
    path.mkdir()
    for o in object_types:
        dest = (path/o)
        dest.mkdir(exist_ok=True)
        results = search_images_bing(key, o)
        download_images(dest, urls=results.attrgot('content_url'))

你可能会看到一些图片下载失败的信息，只要不是太多都可以忽略。网络上有的图片是损坏的，或者是 Python image library 不支持的格式，需要把它们删除。

from fastai2.vision.utils import get_image_files
from fastai2.vision.utils import verify_images

fns = get_image_files(path)
failed = verify_images(fns)
failed.map(Path.unlink);

在开始训练前，需要告诉 FastAI 如何标注图片，并加载到它的数据结构中。下面的代码完成以下几件事：

使用父目录名（parent_label）来标注每个图片。
保留 20% 的图片作为验证集（validation set），其它的作为训练集（training set）。训练集就是用来训练神经网络的数据，验证集用于衡量训练好的模型在遇到新数据时的准确度。这两个集合不能有重叠。
把图片缩小以提高效率

最后一行代码会显示验证集的前三个图片。

from fastai2.data.block import DataBlock, CategoryBlock
from fastai2.vision.data import ImageBlock
from fastai2.data.transforms import RandomSplitter, parent_label
from fastai2.vision.augment import Resize

objects = DataBlock(
    blocks=(ImageBlock, CategoryBlock),
    get_items=get_image_files,
    splitter=RandomSplitter(valid_pct=0.2, seed=42),
    get_y=parent_label,
    item_tfms=Resize(128))

dls = objects.dataloaders(path)
dls.valid.show_batch(max_n=3, nrows=1)

在做图像识别的时候往往还会对图片做一些随机的缩放、裁剪等变换，以便产生足够多的数据来提高训练效果。可以从下面代码的结果看到对同一个图片做不同变换的结果。

from fastai2.vision.augment import aug_transforms, RandomResizedCrop

objects = objects.new(
    item_tfms=RandomResizedCrop(224, min_scale=0.5),
    batch_tfms=aug_transforms())
dls = objects.dataloaders(path)
dls.train.show_batch(max_n=6, nrows=2, unique=True)

接下来终于可以开始训练了。对于图像识别这样的应用场景来说，往往不会从零开始训练一个新的模型，因为有大量的特征是几乎所有应用都需要识别的，比如物体的边缘、阴影、不同颜色形成的模式等。通常的做法是以一个预先训练好的模型为基础（比如这里的 resnet18），用自己的新数据对最后几层进行训练（术语为 fine tune）。在一个多层的神经网络里，越靠前（靠近输入）的层负责识别的特征越具体，而越靠后的层识别的特征越抽象、越接近目的。下面的最后一行代码指训练 4 轮（epoch)。

如果你有 Nvidia 的显卡，在 Linux 下，并且安装了合适的驱动程序的话，下面的代码只需要几秒到十几秒，否则的话就要等待几分钟了。

from fastai2.vision.learner import cnn_learner
from torchvision.models.resnet import resnet18
from fastai2.metrics import error_rate
import fastai2.vision.all as fa_vision

learner = cnn_learner(dls, resnet18, metrics=error_rate)
learner.fine_tune(4)

epoch train_loss valid_loss error_rate time 0 1.928001 0.602853 0.163793 01:16 epoch train_loss valid_loss error_rate time 0 0.550757 0.411835 0.120690 01:42 1 0.463925 0.363945 0.103448 01:46 2 0.372551 0.336122 0.094828 01:44 3 0.314597 0.321349 0.094828 01:44

最后输出的表格里是每一轮里训练集的 loss，验证集的 loss，以及错误率（error rate）。错误率是我们关心的指标，而 loss 是控制训练过程的指标（训练的目标就是让 loss 越来越接近于 0)。需要这两个不同的指标是因为 loss 要满足一些错误率不一定满足的条件，比如对所有参数可导，而错误率不是一个连续函数。loss 越低错误率也越低，但他们之间没有线性关系。这里错误率有差不多 10%，也就是准确率是 90% 左右。

接下来我们要看看验证集里到底有哪些图片识别错了，下面的代码会打印出 confusion matrix。在这个矩阵里，对角线的数字是正确识别的图片数，其它地方的是识别错误的图片数。

from fastai2.interpret import ClassificationInterpretation

interp = ClassificationInterpretation.from_learner(learner)
interp.plot_confusion_matrix()

从输出的矩阵可以看到一共有 11 个错误，其中男女性别错误有 4 个，此外电视和其它几类的混淆也很多。🤔

下面我们把 loss 最高的图片显示出来看看具体有什么问题。

interp.plot_top_losses(12, nrows=4)

输出的结果反映出了从互联网上抓来的数据存在的典型问题：噪声太多。比如电视的搜索结果里有电视遥控器、电视盒子、电视剧海报，还有一些是完全无关的结果。

FastAI 提供了一个 cleaner 可以帮助我们对比较小的数据集做手动清洗。它可以把整个数据集中 loss 最高的图片列出来让用户可以手动修改标签或者删除。

from fastai2.vision.widgets import ImageClassifierCleaner

cleaner = ImageClassifierCleaner(learner)
cleaner

注意 cleaner 只是做标记，你需要用 Python 代码来做实际处理。我通常就直接把有问题的图片标记为 delete 然后删除。

for idx in cleaner.delete(): cleaner.fns[idx].unlink()

清理完之后重复训练的过程。

objects = DataBlock(
    blocks=(ImageBlock, CategoryBlock),
    get_items=get_image_files,
    splitter=RandomSplitter(valid_pct=0.2, seed=42),
    get_y=parent_label,
    item_tfms=Resize(128))

objects = objects.new(
    item_tfms=RandomResizedCrop(224, min_scale=0.5),
    batch_tfms=aug_transforms())
dls = objects.dataloaders(path)
learner = cnn_learner(dls, resnet18, metrics=error_rate)
learner.fine_tune(3)

epoch train_loss valid_loss error_rate time 0 1.663555 0.510397 0.201835 01:11 epoch train_loss valid_loss error_rate time 0 0.458212 0.226866 0.091743 01:32 1 0.358364 0.145286 0.036697 01:31 2 0.281517 0.146477 0.036697 01:32

如果你注意到 error_rate 在后面的 epoch 有上升的话，可以降低 fine_tune 的参数以达到最好的效果。因为如果训练轮数过多，模型会对训练集 over fit，在遇到新数据时错误率会变高。从上面的输出可以看到准确率提高到了 96% 以上。

达到满意的准确率后就可以把模型导出用到线上了。下面这行代码会把模型保存到 export.pkl。

learner.export()

后端 API

后端 API 是这个项目最简单的一部分，只有一个 endpoint。加载前面导出的模型，收到新图片时用模型来预测分类就可以。

trump = load_learner('model.pkl')

@app.route('/api/1.0/classify-image', methods=['POST'])
def classify():
    image = request.files['image']
    res = trump.predict(image.read())
    response = jsonify({'result': res[0]})
    response.status_code = 200
    return response

完整的代码在 GitHub 上。按照文档部署到 LeanCloud 云引擎就行。

前端也比较简单，只需要一个页面让用户上传照片，在浏览器里把照片缩小然后发送给后端 API 就可以。完整的 React 项目在 GitHub，主要的代码在 App.js。限于篇幅就不详细说明了，只附上一张运行的截图：

给读者的作业

你可能已经注意到上面的后端 API 服务是无状态的，没有存储任何数据，所以其实识别的过程可以在前端完成。如果你有兴趣的话，可以调研一下如何把 PyTorch 模型转化为 JavaScript 可用的模型，尝试在浏览器里直接识别照片。在真实的应用中，这样的方式由于不需要向服务端传输任何数据，可以完美地保护用户隐私，这也是 Apple 在推动的 on-device machine learning 的方向。

图片识别是机器学习可以解决的最简单的一类问题，因为有很多现成的结果可以重用，新的应用即使只有少量训练数据也能达到比较好的效果。还有很多其它类型的问题没有那么容易得到让人满意的结果。LeanCloud 目前正在开发机器学习方面的新产品，以帮助开发者更容易地发掘数据的价值。你如果对此感兴趣，可以关注我们的微博、微信公众号、Twitter，或者注册成为 LeanCloud 用户。不久后我们会公布更多信息，并邀请一些用户试用新产品。

LeanCloud 在招聘后端软件工程师（Clojure、Java、Node）。具体的需求以及其他正在招聘的职位请见我们的工作机会页面。除了在官网上可以看到的已经发布的产品外，我们也在开发让人兴奋的新产品，做有意义、有价值的工作。

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