樹莓派機(jī)器學(xué)習(xí)初探之“物體分類”應(yīng)用

牟曉東

我們利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的“圖片分類”功能，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了能夠智能識(shí)別開發(fā)板的“開發(fā)板分類器”。其實(shí)，只要前期的模型學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行了足夠多的“訓(xùn)練”，后期的分類識(shí)別功能就會(huì)更強(qiáng)大，能“認(rèn)識(shí)”更多的物品，而且識(shí)別準(zhǔn)確率（稱為“置信度”）也更高。不過(guò)，“圖片分類”只限于識(shí)別單獨(dú)的一個(gè)物體，如果攝像頭畫面中有多個(gè)待識(shí)別物體同時(shí)存在，就要用到“物體分類”功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。以開發(fā)制作一個(gè)超市商品“計(jì)價(jià)提醒儀”為例，我們?cè)跇漭缮贤ㄟ^(guò)圖形化編程和Python代碼編程分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)價(jià)和多物體同時(shí)識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)器材包括樹莓派3B+及古德微擴(kuò)展板一塊，USB接口的攝像頭一個(gè)，音箱一個(gè)，HC-SR04超聲波傳感器一個(gè);作為“道具”的圓珠筆兩支，塑料夾兩個(gè)，鉛筆刀一把，釘書針一盒，“購(gòu)物托盤”一個(gè)，A4白紙若干。首先將攝像頭插入臺(tái)式機(jī)的USB接口，在平整的桌面上鋪好白紙，將購(gòu)物托盤水平放置并調(diào)整好攝像頭的拍攝角度，四件文具商品各取一件放入購(gòu)物托盤;然后，將超聲波傳感器的四個(gè)引腳插入擴(kuò)展板的20號(hào)和21號(hào)引腳，注意方向朝外;最后，將音箱數(shù)據(jù)線插入樹莓派的音頻輸出孔，給樹莓派通電，啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

基本操作與“圖片分類”相似，“物體分類”的前期準(zhǔn)備工作如下：

首先，在古德微機(jī)器人網(wǎng)站點(diǎn)擊“更多功能”進(jìn)入“機(jī)器學(xué)習(xí)”界面，點(diǎn)擊右側(cè)“物體檢測(cè)”中的“開始物體識(shí)別”按鈕（如圖1）。

在彈出的“機(jī)器學(xué)習(xí)—物體檢測(cè)”頁(yè)面中點(diǎn)擊“拍照”按鈕，用鼠標(biāo)分別框選每件文具商品后為其添加類別：“鉛筆刀”、“圓珠筆”、“釘書針”和“塑料夾”，完成后點(diǎn)擊“保存并切換下一張圖片”按鈕。

繼續(xù)在購(gòu)物托盤上變換文具商品，比如只放置一把鉛筆刀，或是同時(shí)放置兩支圓珠筆和一盒釘書針等等，重復(fù)拍照并進(jìn)行物體的類別標(biāo)注。這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，進(jìn)行至少16張標(biāo)記圖片的采集，并且在每張圖片上都要對(duì)其中的文具商品進(jìn)行正確的標(biāo)注——包括同一張圖片上有兩件及以上相同的文具商品也要一一標(biāo)注。

接下來(lái)，點(diǎn)擊中間的“開始訓(xùn)練”按鈕，平臺(tái)開始進(jìn)行模型的訓(xùn)練，五六分鐘之后會(huì)提示“模型訓(xùn)練完成！”;此時(shí)，在右側(cè)的“預(yù)覽”窗口中也會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)攝像頭所拍攝到的文具商品進(jìn)行名稱及置信度的百分比顯示（如圖2）。

點(diǎn)擊“下載樹莓派上使用的模型”按鈕，將模型文件model.tflite通過(guò)Windows的遠(yuǎn)程桌面連接復(fù)制并粘貼至樹莓派的/home/pi/model/object_detec

tion目錄下;接著，在此目錄中新建一個(gè)名為labels.txt的文本型標(biāo)簽文件，將之前的四種文具商品名稱信息標(biāo)注逐條輸入并保存——如果后期測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)標(biāo)注信息有錯(cuò)誤的話，可在此標(biāo)簽文件中進(jìn)行文具商品名稱的位置調(diào)換。

返回古德微機(jī)器人平臺(tái)，點(diǎn)擊“積木”切換至圖形化編程界面，開始進(jìn)行編程：

首先，輸出調(diào)試信息“程序開始運(yùn)行”作為程序開始運(yùn)行的提示;接著，建立一個(gè)名為“文具價(jià)目表”的空字典，通過(guò)四個(gè)連續(xù)的“為字典添加或更新數(shù)據(jù)”模塊語(yǔ)句為其賦值：鉛筆刀1元、塑料夾2元、釘書針5元、圓珠筆3元;然后，建立變量“文具識(shí)別模型”，賦值為“加載物體檢測(cè)模型”，對(duì)應(yīng)的模型文件和標(biāo)簽文件即準(zhǔn)備工作中已經(jīng)訓(xùn)練并下載至樹莓派/home/pi/model/object_detection目錄下的model.tflite和labels.txt;最后，輸出調(diào)試信息“模型加載”（如圖3）。

首先，建立一個(gè)名為“文具數(shù)量統(tǒng)計(jì)”的空字典;接著，建立一個(gè)“為每個(gè)項(xiàng)目在列表中執(zhí)行”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，為變量“文具名稱”賦值為“從字典‘單項(xiàng)識(shí)別結(jié)果’中獲取鍵‘name’所對(duì)應(yīng)的值”，實(shí)現(xiàn)從變量“文具名稱”中提取對(duì)應(yīng)物體名稱的功能;再將從字典“文具價(jià)目表”獲取鍵為“文具名稱”所對(duì)應(yīng)的值（即該文具商品的售價(jià)）取出，通過(guò)“自增”模塊語(yǔ)句增加至變量“總價(jià)”中;然后，通過(guò)一個(gè)“如果…執(zhí)行…否則…”雙分支選擇結(jié)構(gòu)對(duì)剛剛識(shí)別出的“文具名稱”進(jìn)行判斷——是否在字典“文具數(shù)量統(tǒng)計(jì)”中已經(jīng)存在，條件成立的話，說(shuō)明之前的循環(huán)已經(jīng)統(tǒng)計(jì)過(guò)該文具商品的數(shù)量，則將其數(shù)量在原基礎(chǔ)上進(jìn)行“個(gè)數(shù)加1”;否則，說(shuō)明該文具商品是第一次被識(shí)別到，對(duì)應(yīng)的“個(gè)數(shù)”值就是1（如圖4）。

首先，調(diào)用“初始化”函數(shù);接著，建立一個(gè)“重復(fù)當(dāng)‘真’執(zhí)行”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，為變量“超聲波測(cè)距”賦值為“智能硬件”-“常用”-“超聲波測(cè)距”;在“如果…執(zhí)行…”選擇結(jié)構(gòu)中對(duì)“超聲波測(cè)距”的值進(jìn)行是否“小于30”（單位：厘米）的判斷，條件成立，則進(jìn)行以下操作：

將計(jì)算文具商品最終付款金額的“總價(jià)”賦值為0，再通過(guò)變量“照片路徑”實(shí)現(xiàn)控制USB攝像頭拍攝一張相片，為變量“識(shí)別結(jié)果”賦值——“用物體檢測(cè)模型‘文具識(shí)別模型’對(duì)圖片‘照片路徑’進(jìn)行物體檢測(cè)”，并且通過(guò)輸出調(diào)試信息進(jìn)行顯示;接著，調(diào)用“計(jì)算文具數(shù)量和總價(jià)”函數(shù)，實(shí)現(xiàn)將正確識(shí)別出的文具商品數(shù)量與總價(jià)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的功能;然后，建立一個(gè)名為“識(shí)別到的文具名稱列表”的變量，為其賦值為“獲取字典‘文具數(shù)量統(tǒng)計(jì)’的所有鍵”，并且再通過(guò)一個(gè)“為每個(gè)項(xiàng)目在列表中執(zhí)行”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變量“文具清單”的賦值、語(yǔ)音播報(bào)及LOG調(diào)試區(qū)的文字信息輸出，格式為：“X的選購(gòu)數(shù)量：Y元。”;最后，再建立一個(gè)名為“文具總計(jì)”的變量，同樣也是通過(guò)“建立字符串使用”模塊語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)賦值、語(yǔ)音播報(bào)及信息輸出，格式為：“您應(yīng)付款Z元?！保ㄈ鐖D5）。

將程序保存為“超市商品‘自動(dòng)計(jì)價(jià)提醒儀’”，并且要將USB攝像頭從臺(tái)式機(jī)上拔出，插至樹莓派的USB接口;點(diǎn)擊“連接設(shè)備”后再點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，開始測(cè)試：

先嘗試將1把鉛筆刀和2支圓珠筆放置于購(gòu)物托盤中，再用手掌靠近超聲波傳感器模擬購(gòu)物者靠近收銀臺(tái)，LOG調(diào)試區(qū)先是輸出“程序開始運(yùn)行”和“模型加載”的提示信息，接著又以列表內(nèi)嵌套字典的形式輸出“識(shí)別結(jié)果”：[{"box"”：[322，374，512，435]，"name"："鉛筆刀"，"score"：85.49}，{"box"：[219，169，554，249]，"name"："圓珠筆"，"score"：51.56}，{"box"：[205，260，546，328]，"name"："圓珠筆"，"score"：51.4}]，表示在對(duì)應(yīng)區(qū)域分別進(jìn)行了物體識(shí)別;然后再分別輸出“文具清單”和“文具總計(jì)”信息——鉛筆刀 的選購(gòu)數(shù)量：1，圓珠筆 的選購(gòu)數(shù)量：2，您應(yīng)付款7元。與此同時(shí)，音箱也會(huì)進(jìn)行文具商品選購(gòu)情況及最終付款金額數(shù)目的語(yǔ)音播報(bào)。接下來(lái)，再分別測(cè)試“鉛筆刀1把、釘書針1盒、圓珠筆1支”和“塑料夾1個(gè)、釘書針1盒、鉛筆刀1把”的選購(gòu)情況，最終分別得到“您應(yīng)付款9元”和“您應(yīng)付款8元”的正確識(shí)別結(jié)果顯示與語(yǔ)音播報(bào)提醒。

與“圖片分類”類似，我們?nèi)匀皇窃L問(wèn)Github頁(yè)面（https：//github.com/tensorflow/examples/

tree/master/lite/examples/object_detection/rasp

berry_pi）查找和下載object_detector.py文件，改寫另存為object_detection_with_usbcamera.py，同樣也是改寫成用USB接口的攝像頭，而且將調(diào)用的模型文件和標(biāo)簽文件重新定位至準(zhǔn)備工作中訓(xùn)練好并下載到樹莓派的model.tflite和labels.txt。

通過(guò)Windows的遠(yuǎn)程桌面連接進(jìn)入樹莓派，在Thonny編輯器中打開/home/pi/pycode目錄中的object_detection_with_usbcamera.py文件，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕進(jìn)行多物體識(shí)別測(cè)試——比如在攝像頭下的購(gòu)物托盤中先放置“一支圓珠筆、一盒釘書釘、一把鉛筆刀”時(shí)，程序彈出的frame視頻窗口中就會(huì)對(duì)這三種文具商品進(jìn)行正確的識(shí)別，包括名稱及置信度（百分比）;同樣，如果再放置“一支圓珠筆、兩個(gè)塑料夾、一把鉛筆刀”的話，程序同樣也會(huì)進(jìn)行識(shí)別和置信度的標(biāo)識(shí)（如圖6）。

如果想要實(shí)現(xiàn)使用圖形化編程時(shí)的文具商品數(shù)量統(tǒng)計(jì)與總價(jià)合計(jì)的話，就需要在程序中建立對(duì)應(yīng)的變量，同時(shí)結(jié)合字典及列表等相關(guān)的Python編程知識(shí)進(jìn)行物體識(shí)別信息的提?。ò▽?duì)各種文具商品進(jìn)行定價(jià)、對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距判斷等），同樣也會(huì)實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)計(jì)價(jià)提醒儀”的其他功能，大家不妨一試。