run Keras model on opencv
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第50回コンピュータビジョン勉强会＠関东「颁痴で使えるツール尝罢大会２」発表资料です。
![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](https://image.slidesharecdn.com/kerasopencv-181215010457/85/run-Keras-model-on-opencv-10-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/kerasopencv-181215010457/85/run-Keras-model-on-opencv-11-320.jpg)
![2. Kerasで推論モデルを構築し、学習結果を読
み込み
14
Imodel.load_weights("trained_model.h5")
Imodel.compile(optimizer='adam',
loss='sparse_categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy’])
Imodel.save("inference_model.h5")
学習結果読み込み
学習モデルからパラ
メータを推論モデルへ
読み込み
コンパイル
推定モデルを保存](https://image.slidesharecdn.com/kerasopencv-181215010457/85/run-Keras-model-on-opencv-14-320.jpg)
![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)](https://image.slidesharecdn.com/kerasopencv-181215010457/85/run-Keras-model-on-opencv-16-320.jpg)
![[DL輪読会]Pay Attention to MLPs （gMLP）](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/kobayashi-210528032327-thumbnail.jpg?width=560&fit=bounds)
![[DL輪読会]Learning Transferable Visual Models From Natural Language Supervision](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/dlkobayashi0115-210115012308-thumbnail.jpg?width=560&fit=bounds)
![[DL輪読会]Batch Renormalization: Towards Reducing Minibatch Dependence in Batch-...](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/dlu8f2au8aadu4f1av2-170407001546-thumbnail.jpg?width=560&fit=bounds)
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- 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