動(dòng)物識別大轉(zhuǎn)盤：玩轉(zhuǎn)圖像分類模型

劉梅

摘要：本項(xiàng)目以野生保護(hù)動(dòng)物圖像分類為主題，共包括數(shù)據(jù)采集及處理、模型訓(xùn)練、模型封裝、模型部署四個(gè)階段，利用6個(gè)課時(shí)帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)完整的人工智能作品開發(fā)流程，以期為高中階段人工智能教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：模型訓(xùn)練；Arduino；MobileNet；百度飛槳；圖像識別

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）09-0079-04

目前，在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域有多種圖像分類模型，如ResNet、MobileNet、LeNet等，這些模型在不同的圖像識別場景下發(fā)揮不同的作用。那么，不同網(wǎng)絡(luò)模型在結(jié)構(gòu)上有什么差異？哪些模型識別速度更快準(zhǔn)確率更高？哪些模型更輕量更適合部署在移動(dòng)端？為了弄清這些問題，筆者在實(shí)際教學(xué)過程中進(jìn)行了一系列探索并發(fā)現(xiàn)，如果只是講解理論，對于初次接觸深度學(xué)習(xí)的高中生來說是枯燥且晦澀的。因此，筆者開發(fā)了可以實(shí)踐的趣味項(xiàng)目，讓學(xué)生自己動(dòng)手，親歷完整的問題解決過程，在實(shí)踐中理解人工智能模型算法原理。在項(xiàng)目實(shí)踐中，筆者也遇到并解決了一些新的問題，如如何實(shí)現(xiàn)本地局域網(wǎng)環(huán)境下的模型API調(diào)用，以解決機(jī)房網(wǎng)絡(luò)不佳、學(xué)生注冊調(diào)用網(wǎng)絡(luò)平臺API費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題？有什么硬件是價(jià)格低廉、配置簡單且適合機(jī)房環(huán)境下大班教學(xué)的？下面，筆者以完整的“動(dòng)物識別分類”項(xiàng)目為例對上述問題進(jìn)行闡述，以期為高中階段人工智能教學(xué)提供參考。

項(xiàng)目介紹

1.項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目主題：打造AI野生保護(hù)動(dòng)物識別系統(tǒng)。近幾年，販賣野生保護(hù)動(dòng)物的情況屢見不鮮，許多人在不知情的情況下出于好奇而購買，從而觸犯了法律，究其根本原因還是缺乏對野生保護(hù)動(dòng)物的認(rèn)識。我們可以借助人工智能的圖像識別技術(shù)來解決這一問題。

2.項(xiàng)目時(shí)長

該項(xiàng)目分四部分，共6課時(shí)，分別為：數(shù)據(jù)采集及處理（2課時(shí)）、 模型訓(xùn)練（1課時(shí)）、模型封裝（1課時(shí)）、模型部署（2課時(shí)）。

3.項(xiàng)目流程

首先，學(xué)生2人一組，從網(wǎng)絡(luò)上收集8到10種不常見的野生保護(hù)動(dòng)物圖片，并進(jìn)行預(yù)處理。然后，分組調(diào)用MobileNetV2、resnet50預(yù)訓(xùn)練模型，在訓(xùn)練過程中對比兩種圖像分類模型的差異。接著，利用教師提供的module.py半成品文件，將自己訓(xùn)練出的模型進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)本地調(diào)用。最后，利用Arduino板完成硬件部署。

項(xiàng)目實(shí)施

1.數(shù)據(jù)采集及處理

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)集的獲取處理是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，既需要大量高質(zhì)量的圖片數(shù)據(jù)，又要保證數(shù)據(jù)集的圖片具有足夠的多樣性，這樣才能提高訓(xùn)練模型在實(shí)際應(yīng)用中的泛化水平。由于野生保護(hù)動(dòng)物在生活中并不常見，采用手機(jī)或相機(jī)拍攝是不可行的，所以教師可以指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用高一學(xué)習(xí)的Python爬蟲知識爬取需要的數(shù)據(jù)集圖片，即根據(jù)關(guān)鍵詞從百度上爬取8到10種野生保護(hù)動(dòng)物圖片，每種500張左右，核心代碼如圖1所示。

將下載好的數(shù)據(jù)集圖片分類放在10個(gè)文件夾中，需要按照飛槳平臺的數(shù)據(jù)集格式規(guī)則提前制作好一個(gè)label.text文檔，在后期模型訓(xùn)練中作為數(shù)據(jù)索引。教師可以提前制作一份模型文檔給學(xué)生作為參考。格式如圖2所示。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)處理中重要的一步是將處理好的數(shù)據(jù)劃分訓(xùn)練驗(yàn)證集，使用sklearn.model_selection模塊，只需要如下兩行代碼就可以劃分出訓(xùn)練驗(yàn)證集：

from sklearn.model_selection import train_test_split

train_img， val_img， train_label， val_label = train_test_split（data， label， test_size=0.2）

接下來按照飛槳官網(wǎng)[1]提供的代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.模型訓(xùn)練

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建

直接調(diào)用飛槳平臺的內(nèi)置模型，調(diào)用代碼如圖3所示。

使用paddle.summary語句查看網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。學(xué)生從中可以理解MobileNetV2與resnet50在模型結(jié)構(gòu)上的異同，比教師講解理論要直觀清晰許多。

（2）模型訓(xùn)練

可以選擇不同的訓(xùn)練方式進(jìn)行訓(xùn)練，機(jī)房CPU環(huán)境下訓(xùn)練時(shí)間較長，250個(gè)epoch，約需要一個(gè)小時(shí)左右（如下頁圖5）。

（3）模型評估

在模型訓(xùn)練好后，使用下頁圖6所示的代碼繪制變化曲線來查看兩種訓(xùn)練模型對應(yīng)的準(zhǔn)確率的區(qū)別，MobileNetV2約為65%，resnet50約為70%，差距不大，后續(xù)還需要繼續(xù)調(diào)優(yōu)以提高其識別精度。還可以用同樣的方法繪制loss曲線，幫助學(xué)生理解訓(xùn)練過程中損失函數(shù)的變化（如下頁圖7）。

（4）模型預(yù)測

加載模型啟動(dòng)模型預(yù)測，選擇圖片對訓(xùn)練出的模型進(jìn)行預(yù)測，代碼如第82頁圖8所示。指導(dǎo)學(xué)生選擇圖片進(jìn)行多次測試，以體驗(yàn)訓(xùn)練模型的識別精度。

3.模型封裝

訓(xùn)練出的模型權(quán)重文件經(jīng)過封裝，便可以實(shí)現(xiàn)本地部署。在機(jī)房局域網(wǎng)內(nèi)，教師啟動(dòng)部署命令，其他學(xué)生也可以調(diào)用該hub模型進(jìn)行圖像識別。封裝的核心步驟是要編寫module.py文件，這是比較煩瑣的一步，其中包括配置模型信息、編寫推理方法、測試推理等，代碼較長，具體可參考官網(wǎng)使用指南。[2]

在這個(gè)過程中，教師的任務(wù)則是要提前為學(xué)生準(zhǔn)備好module.py的框架代碼，這樣學(xué)生只需更改與自己訓(xùn)練模型相關(guān)的少量關(guān)鍵代碼行即可，這樣可以節(jié)省課堂時(shí)間與學(xué)生的操作難度。在配置好module.py文件后，學(xué)生開始制作自己的paddlehub：新建一個(gè)文件夾mobilenet_meimei，與module.py文件中模型的名稱一致，在文件夾中加入一個(gè)__init__.py空文件，以及剛剛編輯好的module.py文件、assets文件夾。其中，assets文件夾中包含的是前期訓(xùn)練好的模型及參數(shù)文件，如下頁圖9所示。之后啟動(dòng)以下兩條命令：

hub install mobilenet_meimei

hub serving start -m mobilenet_meimei

在本地部署封裝好的模型，利用飛槳提供的測試代碼，就可以在本地對模型進(jìn)行識別調(diào)用了。

4.模型部署

模型部署階段是整個(gè)項(xiàng)目環(huán)節(jié)中趣味性、交互性最強(qiáng)的階段。在這一部分，教師帶領(lǐng)學(xué)生利用封裝好的動(dòng)物識別模型，結(jié)合Arduino制作“動(dòng)物識別大轉(zhuǎn)盤”，將自己的訓(xùn)練成果真正應(yīng)用起來。Arduino板無法實(shí)現(xiàn)邊緣部署，計(jì)算推理等工作還是要在計(jì)算機(jī)端完成，但因其配置步驟簡單、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，更適合沒有硬件基礎(chǔ)的學(xué)生以及機(jī)房環(huán)境下的大班教學(xué)。

（1）所需材料

硬件：Arduino*1、舵機(jī)*2、yeelight LED燈*1、杜邦線*6、小音箱或語音播報(bào)模塊。

軟件：jupyter或idle。

（2）實(shí)現(xiàn)功能

調(diào)用封裝好的動(dòng)物識別模型，在成功識別出相應(yīng)動(dòng)物名稱后，組裝驅(qū)動(dòng)硬件部分實(shí)現(xiàn)如下功能：①利用pyttsx3模塊，實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)識別出的保護(hù)動(dòng)物名稱。

②利用Pinpong模塊，實(shí)現(xiàn)Arduino控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)盤中指向識別出的動(dòng)物名稱。③利用yeelight模塊，結(jié)合小彩燈，當(dāng)識別到不同動(dòng)物時(shí)，彩燈會(huì)顯示與之相對應(yīng)的不同顏色，如檢測到金絲猴亮起黃燈，檢測到耳廓狐亮起綠燈。如果遷移在水果分類項(xiàng)目中，還可以使亮起的燈顯示為識別出的相應(yīng)水果的顏色，如火龍果顯示紅色、香蕉顯示黃色。

（3）實(shí)現(xiàn)方式

核心代碼如圖10所示。

結(jié)語

在本項(xiàng)目中，教師帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)了完整的圖像分類識別流程，理解了resnet50、MobileNetV2兩種圖像分類模型在結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練速度、訓(xùn)練模型識別精度等方面的差異，實(shí)現(xiàn)了利用Arduino部署自訓(xùn)練模型，解決了機(jī)房局域網(wǎng)環(huán)境下API調(diào)用本地化等問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]飛槳官網(wǎng)[EB/OL].https：//www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/guides/beginner/data_preprocessing_cn.html.

[2]飛槳官網(wǎng)[EB/OL].https：//www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/api/paddle/nn/Sequential_cn.html#sequential.