TensorFlow 深度神經網絡圖像識別入門

牟曉東

通過對攝像頭所捕獲的畫面內容進行處理和分析的圖像識別，通常又稱為“圖像分類”任務。TensorFlow Lite 是深度神經網絡圖像識別解決方案中的一種，它提供了經過優化計算的若干預訓練模型數據和標簽文件，下載保存至本地后通過Python 編程調用即可實現畫面內容的快速圖像識別。

1.準備工作：安裝TensorFlow及下載模型和標簽文件

以Python 3.8 為例， 在本地安裝對應版本的TensorFlow， 通過在WindowsPowerShell 窗口中執行“pipinstall tensorflow==2.3.1 -i https：//pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple” 命令來實現；然后下載預訓練模型（mobilenet_v1_1.0_224_quant.tflite）和中英文標簽文件（labels_mobilenet_quant_v1_224.txt、labels_mobilenet_quant_v1_224_cn_baidu.txt），兩個txt 標簽文件內容是一一對應的，分別保存了包括“背景”在內的1001 種常見的動植物和生活辦公類物品，比如金魚（goldfish）、鴕鳥（ostrich）和酒瓶（wine bottle）等等，每種物品名稱均占單獨的一行（如圖1）。

2.Python代碼編程

（1）庫模塊的導入與標簽文件的讀取

首先，導入OpenCV、Numpy、tflite和PIL 庫模塊：“import cv2”“importnumpy as np”“import tflite_runtime.interpreter as tflite”“from PIL importImage，ImageFont，ImageDraw”； 接著， 建立變量file_model 和file_label，賦值為“mobilenet_v1_1.0_224_quant.t f lite”“la be ls_mobile n e t _qua n t _v1_224_cn_baidu.txt”， 分別對應分類模型和中文標簽（如果想加載英文標簽文件則將變量file_label 賦值為“labels_mobilenet_quant_v1_224.txt”）；再進行標簽文件的讀取操作：“with open（file_label， 'r'，encoding='utf-8'） as f：labels =[line.strip（） for line in f.readlines（）]”。

（2）分類模型的加載預處理

建立變量Max_number 并賦值為3，作用是控制輸出概率最高的分類結果數量為3 個；建立變量interpreter，賦值為“tflite.Interpreter（model_path=file_model）”，再通過語句“interpreter.allocate_tensors（）” 進行分類模型的加載； 建立變量Input_Details 和Output_Details，分別賦值為“interpreter.get_input_details（）” 和“interpreter.get_output_details（）”，作用是實現輸入數據和輸出數據的讀取； 此處可通過“print（Input_Details）” 和“print（Output_Details）”分別打印輸出二者的具體信息，均是包含了“'shape'：array（[1，224，224，3]）” 和“'quantization'：（0.0078125，128）” 等數據在內的列表；建立變量height 和width，賦值為“Input_Details[0]['shape'][1]”和“Input_Details[0]['shape'][2]”，即從列表Input_Details 取出輸入圖像的高度和寬度值，均為224（通道數為3）；建立變量cap，賦值為“cv2.VideoCapture（0）”，準備讀取攝像頭的畫面數據（如圖2）。

（3）“whileTrue：”循環體部分建立變量success 和img 并賦值為“capture.read（）”， 進行攝像頭一幀圖像數據的讀取； 建立變量img_rgb， 賦值為“cv2.cvtColor（img， cv2.COLOR_BGR2RGB）”， 進行顏色模式從BGR 到RGB 的轉換； 建立變量img_resize， 賦值為“cv2.resize（img_rgb，（width，height））”，進行圖像寬度與高度縮放；建立變量Input_Data，賦值為“np.expand_dims（img_resize，axis=0）”，作用是根據列表Input_Details 中的“'shape'：array（[1，224，224，3]）” 內容格式增加一個維度；接著，通過語句“interpreter.set_tensor（Input_Details[0]['index']，Input_Data）”和“interpreter.invoke（）”分別完成數據的輸入并進行識別；建立變量Output，賦值為“np.squeeze（interpreter.get_tensor（Output_Details[0]['index']）[0]）”，獲取數據的輸出；“if Output_Details[0]['dtype'] == np.uint8：”部分完成的功能是根據圖像識別的量化對輸出數據進行還原，并且找出數目為Max_number 個“ 最大值”： 建立變量Ordered， 賦值為“np.argpartition（-Output，Max_number-1）”。

在“for i in range（Max_number）：”中進行Max_number 次循環，依次執行以下操作：建立變量Notes，賦值為“"%s：%.1f%%"%（labels[Ordered[i]]，Output[Ordered[i]]*100）”， 其內容為待輸出顯示的文字信息內容；建立變量position，賦值為“（400，1+i*30）”，對應的是文字信息的起始坐標值； 建立變量img_PIL， 賦值為“Image.fromarray（cv2.cvtColor（img，cv2.COLOR_BGR2RGB））”，仍是進行顏色模式的轉換；建立變量font，賦值為“ImageFont.truetype（r'C：＼Windows＼Fonts＼Microsoft YaHei UI＼msyhl.ttc'，28，encoding="utf-8"）”，作用是設置待顯示文字信息的字體，可根據自己Windows 操作系統字體目錄位置及內容來設置；建立變量draw 并賦值為“ImageDraw.Draw（img_PIL）”，作用是創建Draw 繪畫對象，通過語句“draw.text（position，Notes，（0，255，0），font）”在圖像上對應的位置用綠色添加文字信息；最后，仍是進行顏色模式轉換、畫面信息的顯示、熱鍵退出響應、攝像頭資源的釋放及窗口的關閉等操作（如圖3）。

3.圖像識別的運行測試

將程序保存為Recognize_image.py，按F5 鍵進行測試。先在攝像頭前展示三張電腦屏幕圖片，分別是大熊貓、金魚和波斯貓，程序均正確進行了圖像識別，各自的識別度分別是99.6%、99.6% 和84.4%；再來嘗試識別一組實物，分別是螺絲刀、鼠標和兩支圓珠筆，識別度也分別達到了97.3%、96.9% 和80.9%， 效果確實相當不錯，而且識別的速度也非常快（如圖4）。