如何用TF Object Detection API训练交通信号灯检测神经网络？

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作者简介：申泽邦（Adam Shan），谷歌认证机器学习专家（Google Developer Expert），兰州大学智能驾驶团队技术负责人，硕士在读。

文本转载自 CSDN 博客：https://blog.csdn.net/AdamShan/article/details/88627733 

本文将解决如何使用 TensorFlow Object Detection API 训练交通信号灯检测网络，使用 Lisa 数据集，通过简单脚本将数据集整理为 tf record 格式，我们将分别在本地的 GPU 和 Google Cloud 提供的 TPU 上进行训练，最后导出网络的 protocbuf 权重，在 jupyter notebook 中进行模型验证。

首先感谢谷歌 TensorFlow Research Cloud 团队提供的免费 Cloud TPU，在本文中我使用的是 Cloud TPU v2 版本，拥有 8 个核心共计 64GB 的内存（类比于 GPU 的显存），能够提供最大 180 TFlops 的算力。

环境准备

本地 GPU 环境准备

首先介绍在本地使用 GPU 进行训练的环境准备，首先确保你的电脑中包含算力比较充足的 GPU（俗称显卡，推荐 GTX1060 及以上级别），使用 Ubuntu 或者其他 Linux 发行版本的系统，安装好 CUDA 和 CUDNN，安装 tensorflow-gpu 和其他环境：

pip install tensorflow-gpusudo apt-get install protobuf-compiler python-pil python-lxml python-tkpip install --user Cythonpip install --user contextlib2pip install --user jupyterpip install --user matplotlib

安装 COCO API：

git clone https://github.com/cocodataset/cocoapi.gitcd cocoapi/PythonAPImakecp -r pycocotools <path_to_tensorflow>/models/research/

克隆 models 项目：

git clone https://github.com/tensorflow/models.git

cd 到 models/research / 目录下，运行：

git clone https://github.com/tensorflow/models.git

添加当前路径（research）到 python 路径：

export PYTHONPATH=$PYTHONPATH:`pwd`:`pwd`/slim

以上均为官方安装教程，见：

https://github.com/tensorflow/models/blob/master/research/object_detection/g3doc/installation.md

至此，本地运行环境准备完成，后文中我们将在 Google Cloud 上如准备以上环境。

交通信号灯检测数据集准备

我们首先下载交通信号灯数据集，本文我们采用 Lisa 信号灯数据集，下载链接：

http://cvrr.ucsd.edu/vivachallenge/index.php/traffic-light/traffic-light-detection/

使用 Day Train Set (12.4 GB)和 Night Train Set (0.8 GB)两个数据集进行训练，下载完成后解压，得到原始图片 (保存与 frame 文件夹下) 和标注的 CSV 文件（文件名为：frameAnnotationsBOX.csv）

编写脚本 create_lisa_tf_record.py 将 Lisa 数据集以 tf record 格式保存，代码如下：

#!/usr/bin/env python
import osimport csvimport ioimport itertoolsimport hashlibimport random
import PIL.Image
import tensorflow as tf
from object_detection.utils import label_map_utilfrom object_detection.utils import dataset_util
import contextlib2from object_detection.dataset_tools import tf_record_creation_util
ANNOTATION = 'frameAnnotationsBOX.csv'FRAMES = 'frames'
MAP = {    'go': 'green',    'goLeft': 'green',    'stop': 'red',    'stopLeft': 'red',    'warning': 'yellow',    'warningLeft': 'yellow'}

flags = tf.app.flagsflags.DEFINE_string('data_dir', '', 'Root directory to LISA dataset.')flags.DEFINE_string('output_path', '', 'Path to output TFRecord')flags.DEFINE_string('label_map_path', 'data/lisa_label_map.pbtxt',                    'Path to label map proto')FLAGS = flags.FLAGS
width = Noneheight = None
def process_frame(label_map_dict, frame):    global width    global height
    filename, xmin, ymin, xmax, ymax, classes = frame
    if not os.path.exists(filename):        tf.logging.error("File %s not found", filename)        return
    with tf.gfile.GFile(filename, 'rb') as img:        encoded_png = img.read()
    png = PIL.Image.open(io.BytesIO(encoded_png))    if png.format != 'PNG':        tf.logging.error("File %s has unexpeted image format '%s'", filename, png.format)        return
    if width is None and height is None:        width = png.width        height = png.height        tf.logging.info('Expected image size: %dx%d', width, height)
    if width != png.width or height != png.height:        tf.logging.error('File %s has unexpected size', filename)        return    print filename    print classes    key = hashlib.sha256(encoded_png).hexdigest()    labels = [ label_map_dict[c] for c in classes ]    xmin = [ float(x)/width for x in xmin ]    xmax = [ float(x)/width for x in xmax ]    ymin = [ float(y)/height for y in ymin ]    ymax = [ float(y)/height for y in ymax ]        classes = [ c.encode('utf8') for c in classes ]
    example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature={        'image/height': dataset_util.int64_feature(height),        'image/width': dataset_util.int64_feature(width),        'image/filename': dataset_util.bytes_feature(filename.encode('utf8')),        'image/source_id': dataset_util.bytes_feature(filename.encode('utf8')),        'image/key/sha256': dataset_util.bytes_feature(key.encode('utf8')),        'image/encoded': dataset_util.bytes_feature(encoded_png),        'image/format': dataset_util.bytes_feature('png'.encode('utf8')),        'image/object/bbox/xmin': dataset_util.float_list_feature(xmin),        'image/object/bbox/xmax': dataset_util.float_list_feature(xmax),        'image/object/bbox/ymin': dataset_util.float_list_feature(ymin),        'image/object/bbox/ymax': dataset_util.float_list_feature(ymax),        'image/object/class/text': dataset_util.bytes_list_feature(classes),        'image/object/class/label': dataset_util.int64_list_feature(labels)    }))    return example
def create_frame(root, frame, records):    filename = os.path.join(root, FRAMES, os.path.basename(frame))    if not os.path.exists(filename):        tf.logging.error("File %s not found", filename)        return
    xmin = []    ymin = []    xmax = []    ymax = []    classes = []
    for r in records:        if r['Annotation tag'] not in MAP:            continue        classes.append(MAP[r['Annotation tag']])        xmin.append(r['Upper left corner X'])        xmax.append(r['Lower right corner X'])        ymin.append(r['Upper left corner Y'])        ymax.append(r['Lower right corner Y'])
    yield (filename, xmin, ymin, xmax, ymax, classes)
def process_annotation(root):    tf.logging.info('Processing %s', os.path.join(root, ANNOTATION))    with tf.gfile.GFile(os.path.join(root, ANNOTATION)) as a:        annotation = a.read().decode('utf-8')
    with io.StringIO(annotation) as a:        data = csv.DictReader(a, delimiter=';')        for key, group in itertools.groupby(data, lambda r: r['Filename']):            for e in create_frame(root, key, group):                yield e
def main(_):    label_map_dict = label_map_util.get_label_map_dict(FLAGS.label_map_path)
    frames = []    for r, d, f in tf.gfile.Walk(FLAGS.data_dir, in_order=True):        if ANNOTATION in f:            del d[:]            for e in process_annotation(r):                frames.append(e)    # random.shuffle(frames)
    num_shards=30
    with contextlib2.ExitStack() as tf_record_close_stack:        output_tfrecords = tf_record_creation_util.open_sharded_output_tfrecords(            tf_record_close_stack, FLAGS.output_path, num_shards)
        for index, f in enumerate(frames):            tf_example = process_frame(label_map_dict, f)
            output_shard_index = index % num_shards            output_tfrecords[output_shard_index].write(tf_example.SerializeToString())
if __name__ == '__main__':    tf.logging.set_verbosity(tf.logging.INFO)    tf.app.run()

将此脚本复制到 models/research 目录下，运行此脚本如下：

python create_lisa_tf_record.py \ --data_dir={lisa数据集的路径} \--output_path={你保存record文件的路径，包含record文件名} \ --label_map_path={lisa_label_map.pbtxt的路径}

其中 label_map_path 用于指定标签数字到类别名的映射关系，我们只研究红绿黄灯的检测识别，所以只有三个类，lisa_label_map.pbtxt 内容如下：

item {    id: 1    name: 'green'}
item {    id: 2    name: 'red'}
item {    id: 3    name: 'yellow'}

需要留意的是，Lisa 数据集的标签一共有六类：go，goLeft，stop，stopLeft，warning，warningLeft，我们在上面的脚本中将这六类分别映射成 green, red, yellow 三类。

由于数据集数量较大，所以我们没有将所有的数据保存成一个 tf record 文件，我们使用如下代码，将 record 文件拆分成了 30 个子文件：

    num_shards=30
    with contextlib2.ExitStack() as tf_record_close_stack:        output_tfrecords = tf_record_creation_util.open_sharded_output_tfrecords(            tf_record_close_stack, FLAGS.output_path, num_shards)
        for index, f in enumerate(frames):            tf_example = process_frame(label_map_dict, f)
            output_shard_index = index % num_shards            output_tfrecords[output_shard_index].write(tf_example.SerializeToString())

得到的 tf record 文件如下图所示，至此，数据集的准备完成：

模型训练文件配置

准备好 tf record 后，需要调整模型的配置文件，我们首先在 Object detection 的 Model Zoo 中选取一个想要训练的模型，如下图所示，点击下载模型的预训练权重，现代深度学习模型往往包含百兆甚至数百兆的参数，从头训练需要耗费巨大的算力，所以我们选择在某些数据集上（如 COCO、PASCAL）已经预训练好的模型，在此模型权重的基础上进行 微调（Fine tune） ，即可快速训练得到适用于新任务的模型，具体理论细节，大家可以搜索关键词 迁移学习 了解。

如上图，我们分别选择 ssd_resnet_50_fpn_coco 和 ssd_mobilenet_v1_fpn_coco 在本地 GPU 和 Cloud TPU 上进行训练，注意带星号即表示该模型支持 TPU 训练。下载好权重之后，从 models/research/object_detection/samples/configs 下拷贝出对应的 config 文件，以 ssd_resnet_50_fpn_coco 为例，修改类别数为 3：

num_classes: 3

因为 Lisa 数据集的图像尺寸均为 1280*960，修改输入的 resize 层参数如下：

image_resizer {    fixed_shape_resizer {        height: 960        width: 1280    }}

将 config 中所有的 PATH_TO_BE_CONFIGURED 替换为对应文件的路径，如下所示：

fine_tune_checkpoint: "{下载的预训练模型路径}/model.ckpt"
train_input_reader: {  tf_record_input_reader {    input_path: "{训练集record}/lisa.record-?????-of-00029"  }  label_map_path: "lisa_label_map.pbtxt"}
eval_input_reader: {  tf_record_input_reader {    input_path: "eval/lisa.record-00029-of-00030"  }  label_map_path: "lisa_label_map.pbtxt"  shuffle: false  num_readers: 1}

上文中我们将数据集分割成了 30 个 tf record 文件，我们将最后一个文件 lisa.record-00029-of-00030 作为验证集，前 29 个 record 文件作为训练集，使用 linux 下的 rename 命令将 lisa.record-000{0-28}-of-00030 改为 lisa.record-000{0-28}-of-00029，命令如下：

rename "s/30/29/" * 

config 文件中还可以配置网络训练大量参数，如 batch_size 以及学习率等等，在 GPU 中，由于显存有限，batch_size 建议配置为 2 或者 4，TPU 属性和 GPU 有很大区别，所以参数会有所不同，配置好 config 文件后，cd 到 models/research / 目录，使用如下指令开始训练：

python object_detection/model_main.py     \    --pipeline_config_path={config 文件路径}    \    --model_dir={训练输出的路径（文件夹）}   \    --num_train_steps=50000 （训练的迭代次数）   \    --sample_1_of_n_eval_examples=1    \    --alsologtostderr

使用 tensorboard 可视化训练过程，效果如下：

导出并验证模型

当训练结束以后，模型会以 checkpoint 文件的形式保存，为了导出用于应用的计算图，需要将该模型的图结构和权重固化到一起，这一步操作被称为 freeze，使用如下命令 freeze 导出的模型：

# 在tensorflow/models/research/目录下INPUT_TYPE=image_tensorPIPELINE_CONFIG_PATH={config文件路径}TRAINED_CKPT_PREFIX={model.ckpt-50000的路径}EXPORT_DIR={导出计算图的路径}python object_detection/export_inference_graph.py \    --input_type=${INPUT_TYPE} \    --pipeline_config_path=${PIPELINE_CONFIG_PATH} \    --trained_checkpoint_prefix=${TRAINED_CKPT_PREFIX} \    --output_directory=${EXPORT_DIR}

得到权重固化的模型计算图后，验证该模型，修改 models/research/object_detection / 目录下的 object_detection_tutorial.ipynb 文件，在 jupyter notebook 下对模型进行验证，首先导入库：

import numpy as npimport osimport six.moves.urllib as urllibimport sysimport tarfileimport tensorflow as tfimport zipfile
from distutils.version import StrictVersionfrom collections import defaultdictfrom io import StringIOfrom matplotlib import pyplot as pltfrom PIL import Image# This is needed since the notebook is stored in the object_detection folder.sys.path.append("..")from object_detection.utils import ops as utils_ops
if StrictVersion(tf.__version__) < StrictVersion('1.9.0'):  raise ImportError('Please upgrade your TensorFlow installation to v1.9.* or later!')
# This is needed to display the images.%matplotlib inline
from utils import label_map_utilfrom utils import visualization_utils as vis_util

加载模型权重：

# 冻结的检测模型（protocbuf格式）的路径，这是用于信号灯检测的实际模型。PATH_TO_FROZEN_GRAPH = '/home/adam/data/tl_detector/new-export/frozen_inference_graph.pb'# label map的路径PATH_TO_LABELS = '/home/adam/data/tl_detector/lisa_label_map.pbtxt'# 交通信号灯检测为3NUM_CLASSES = 3
detection_graph = tf.Graph()with detection_graph.as_default():  od_graph_def = tf.GraphDef()  with tf.gfile.GFile(PATH_TO_FROZEN_GRAPH, 'rb') as fid:    serialized_graph = fid.read()    od_graph_def.ParseFromString(serialized_graph)    tf.import_graph_def(od_graph_def, name='')

加载 label map：

category_index = label_map_util.create_category_index_from_labelmap(PATH_TO_LABELS, use_display_name=True)print(category_index)
def load_image_into_numpy_array(image):  (im_width, im_height) = image.size  return np.array(image.getdata()).reshape(      (im_height, im_width, 3)).astype(np.uint8)

使用模型对测试图片进行交通信号灯检测：

import osPATH_TO_TEST_IMAGES_DIR = '/home/adam/data/tl_detector/test-example/'image_list = os.listdir(PATH_TO_TEST_IMAGES_DIR)TEST_IMAGE_PATHS = [ os.path.join(PATH_TO_TEST_IMAGES_DIR, i) for i in image_list ]print(TEST_IMAGE_PATHS)# Size, in inches, of the output images.IMAGE_SIZE = (12, 8)

def run_inference_for_single_image(image, graph):  with graph.as_default():    with tf.Session() as sess:      # Get handles to input and output tensors      ops = tf.get_default_graph().get_operations()      all_tensor_names = {output.name for op in ops for output in op.outputs}      tensor_dict = {}      for key in [          'num_detections', 'detection_boxes', 'detection_scores',          'detection_classes', 'detection_masks'      ]:        tensor_name = key + ':0'        if tensor_name in all_tensor_names:          tensor_dict[key] = tf.get_default_graph().get_tensor_by_name(              tensor_name)      if 'detection_masks' in tensor_dict:        # The following processing is only for single image        detection_boxes = tf.squeeze(tensor_dict['detection_boxes'], [0])        detection_masks = tf.squeeze(tensor_dict['detection_masks'], [0])        # Reframe is required to translate mask from box coordinates to image coordinates and fit the image size.        real_num_detection = tf.cast(tensor_dict['num_detections'][0], tf.int32)        detection_boxes = tf.slice(detection_boxes, [0, 0], [real_num_detection, -1])        detection_masks = tf.slice(detection_masks, [0, 0, 0], [real_num_detection, -1, -1])        detection_masks_reframed = utils_ops.reframe_box_masks_to_image_masks(            detection_masks, detection_boxes, image.shape[0], image.shape[1])        detection_masks_reframed = tf.cast(            tf.greater(detection_masks_reframed, 0.5), tf.uint8)        # Follow the convention by adding back the batch dimension        tensor_dict['detection_masks'] = tf.expand_dims(            detection_masks_reframed, 0)      image_tensor = tf.get_default_graph().get_tensor_by_name('image_tensor:0')
      # Run inference      output_dict = sess.run(tensor_dict,                             feed_dict={image_tensor: np.expand_dims(image, 0)})
      # all outputs are float32 numpy arrays, so convert types as appropriate      output_dict['num_detections'] = int(output_dict['num_detections'][0])      output_dict['detection_classes'] = output_dict[          'detection_classes'][0].astype(np.uint8)      output_dict['detection_boxes'] = output_dict['detection_boxes'][0]      output_dict['detection_scores'] = output_dict['detection_scores'][0]      if 'detection_masks' in output_dict:        output_dict['detection_masks'] = output_dict['detection_masks'][0]  return output_dict

for image_path in TEST_IMAGE_PATHS:  image = Image.open(image_path)  # the array based representation of the image will be used later in order to prepare the  # result image with boxes and labels on it.  image_np = load_image_into_numpy_array(image)  # Expand dimensions since the model expects images to have shape: [1, None, None, 3]  image_np_expanded = np.expand_dims(image_np, axis=0)  # Actual detection.  output_dict = run_inference_for_single_image(image_np, detection_graph)  # Visualization of the results of a detection.  vis_util.visualize_boxes_and_labels_on_image_array(      image_np,      output_dict['detection_boxes'],      output_dict['detection_classes'],      output_dict['detection_scores'],      category_index,      instance_masks=output_dict.get('detection_masks'),      use_normalized_coordinates=True,      line_thickness=8`)  plt.figure(figsize=IMAGE_SIZE)  plt.imshow(image_np)

检测结果：

Google Cloud TPU 环境配置以及模型训练

Cloud TPU 环境配置

要使用 Google 的 TPU 计算资源首先需要掌握“科学上网”（让你的电脑能够访问 Google），然后进入 https://cloud.google.com 注册并创建 Project，所有新注册的用户均需要激活，激活完成以后才能使用 Cloud 的所有功能，激化实际上就是要绑定一张信用卡，激活完成后能免费领取 300 美元的额度，同学们可以使用此额度来完成本文的实验。

在 Cloud 的控制台，我们新建一个云存储示例（英文名 Bucket），TPU 节点在运算时读取存储于 Bucket 上的数据集（tf record 格式），同时将训练的结果图（checkout）文件和用于 tensorboard 可视化的 event 等文件写到 Bucket 中。Cloud 官方给出了如何创建一个 Bucket 教程：

https://cloud.google.com/tpu/docs/quickstart （其中的 Create a Cloud Storage bucket 小节）

下载 ctpu 工具并安装，下载和安装说明见官方仓库：

https://github.com/tensorflow/tpu/tree/master/tools/ctpu 

注意是 Local Machine 安装而不是 Cloud Shell，安装完成以后使用如下命令新建虚拟机和 TPU：

ctpu up

在此过程中会弹出网页让你登陆 Google 账号，登陆即可。配置完成后会弹出如下信息：

ctpu will use the following configuration:
Name: [your TPU's name]Zone: [your project's zone]GCP Project: [your project's name]TensorFlow Version: 1.13VM: Machine Type: [your machine type] Disk Size: [your disk size] Preemptible: [true or false]Cloud TPU: Size: [your TPU size] Preemptible: [true or false]
OK to create your Cloud TPU resources with the above configuration? [Yn]:

确认即可，其中 VM 是你的一个云上的虚拟机，TPU 是你的 TPU 节点，在完成配置后，下载安装 gcloud 工具：https://cloud.google.com/sdk/gcloud/ ，gcloud 工具为 Google Cloud Platform 提供了主要的命令行界面。借助此工具，可以通过命令行或在脚本和其他自动化功能中执行许多常见平台任务。安装 gcloud 以后，使用 gcloud init 初始化环境，使用如下指令设置当前 project 和 zone（保持和虚拟机以及 TPU 在同一个 zone）：

gcloud config set project [YOUR-CLOUD-PROJECT]gcloud config set compute/zone [YOUR-ZONE]

使用 gcloud 登陆虚拟机，指令如下：

gcloud compute ssh [你的虚拟机的名字]

使用 ctpu up 指令新建的虚拟机和 TPU 节点通常同名。登陆到你的远程虚拟机之后，使用和本地 GPU 环境一样的安装方式（见上文）安装 object detection API，注意虚拟机已经安装好了支持 TPU 的 Tensorflow，所以无需再安装，其余安装和环境配置流程和本地训练一致。

TPU 不能直接使用存储于虚拟机上的数据，TPU 的数据读入和训练结果的输出均面向 google 的云存储 Bucket，前文中我们已经新建了一个 Bucket 实例，下面我们要配置 Bucket 使得我们的 TPU 有权限读写该 Bucket，首先我们在虚拟机上查看我们的 TPU 服务账号，配置虚拟机的环境变量，配置虚拟机的 project：

gcloud config set project YOUR_PROJECT_NAME

在 .bashrc 添加 project id 和 Bucket：

export PROJECT="YOUR_PROJECT_ID"export YOUR_GCS_BUCKET="YOUR_UNIQUE_BUCKET_NAME"

使用如下指令得到当前 TPU 的服务账号：

curl -H "Authorization: Bearer $(gcloud auth print-access-token)" https://ml.googleapis.com/v1/projects/${PROJECT}:getConfig

得到当前 TPU 的服务账号，类似于 your-service-account-12345@cloud-tpu.iam.gserviceaccount.com 拷贝此账号，在 .bashrc 中添加如下环境变量：

export TPU_ACCOUNT=your-service-account

在 Google Cloud 控制台的找到 Bucket-Browser, 选择 Bucket 点击 Edit bucket permissions 如下：

复制 TPU 服务账号，选择添加 Bucket 读写权限和 Object 读写权限，修改完成以后，使用 gcloud 登录虚拟机，使用上文相同的方法制作 record 文件，lisa 数据集可以使用 wget 下载。制作完成 record 文件后，使用 gsutil 将数据集从虚拟机拷贝至 Bucket：

gsutil cp -r record/ gs://${YOUR_GCS_BUCKET}/

同样的，将从 Model Zoo 中下载的预训练权重和 label map 使用 gsutil 拷贝至 Bucket：

gsutil cp -r ssd_mobilenet_fpn/ gs://${YOUR_GCS_BUCKET}/gsutil cp lisa_label_map.pbtxt gs://${YOUR_GCS_BUCKET}/

修改 config 文件，我们使用的 TPU v2 是 Google 推出的第二代 Cloud TPU，其包含 8 个核心，每个核心具备 8G 的内存，所以使用 TPU 训练模型，可是设置较大的 batch size，较大的 batch size 意味着我们可以设置相对小的训练步数，本文中设置 batch size 为 32，训练步数为 25000 步。同时，config 文件中所有文件路径也要修改为云存储的路径，例如：

train_input_reader: {  tf_record_input_reader {    input_path: "gs://adamshan/record/lisa.record-?????-of-00029"  }  label_map_path: "gs://adamshan/lisa_label_map.pbtxt"}

其中 adamshan 是我的 Bucket 名称。同样的，使用 gsutil 将 config 文件拷贝至 Bucket，cd 到虚拟机的 models/research/ 目录下，执行如下命令开始训练：

python object_detection/model_tpu_main.py \    --gcp_project={你的cloud project}  \    --tpu_zone={你的TPU所在的zone，例如：us-central1-f}  \    --tpu_name={你的TPU名称，可以使用gcloud查看，也可在cloud的控制台查看}  \    --model=train  \    --num_train_steps=25000  \    --model_dir={你要输出模型和tensorboard event文件的路径，注意是bucket路径，例如gs://adamshan/saved/}  \    --pipeline_config_path={你保存于bucket中的config文件路径，例如：gs://adamshan/ssd_mobilenet_fpn.config}

TPU 将非常高效地开始训练，通常一个模型的 fine tune 在 Cloud TPU v2 上大约只需要 1-2 小时，最后的训练结果将被保存至 Bucket 的指定目录，如下：

模型的固化和应用同上文中本地训练的模型一致。

完整代码：https://github.com/AbangLZU/tl_detector

（本文为 AI科技大本营转载文章，转载请微信联系 1092722531）

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