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毫秒級檢測！你見過帶GPU的樹莓派嗎？

本文轉載自   查看原文   2018-03-17 01:51   2422    ssd/ 檢測/ 快速/ 樹莓派/ mobilenet/ ncs

樹莓派3B+英特爾神經計算棒進行高速目標檢測

轉載請注明作者夢里茶

NCS Pi

代碼:
訓練數據預處理：
https://gist.github.com/ahangchen/ae1b7562c1f93fdad1de58020e94fbdf
測試：https://github.com/ahangchen/ncs_detection

Star是一種美德。

Background

最近在做一個項目，要在樹莓派上分析視頻中的圖片，檢測目標，統計目標個數，這是一張樣例圖片：

Cattle Counting

Motivation

當下效果最好的目標檢測都是基於神經網絡來做的，包括faster rcnn， ssd, yolo2等等，要在樹莓派這種資源緊張的設備上運行檢測模型，首先想到的就是用最輕量的MobileNet SSD，使用Tensorflow object detection api實現的MobileNet SSD雖然已經非常輕，但在樹莓派上推導一張1280x720的圖仍然需要2秒，有興趣的同學可以參考這兩個項目：

具體的操作在Tensorflow文檔里都說的很清楚了，在樹莓派上的操作也是一樣的，有問題可以評論區討論

Hardware

極限的模型仍然不能滿足性能需求，就需要請出我們今天的主角了，Intel Movidius Neural Computing Stick
Intel Movidius Neural Computing Stick

處理器 Intel Movidius VPU
支持框架 TensorFlow, Caffe
連接方式 USB 3.0 Type-A
尺寸 USB stick (72.5mm X 27mm X 14mm)
工作溫度 0° - 40° C
x86_64 Ubuntu 16.04主機
Raspberry Pi 3B Stretch desktop
Ubuntu 16.04 虛擬機
系統要求 USB 2.0 以上 (推薦 USB 3.0)
1GB 內存
4GB 存儲

實際上這不是一個GPU，而是一個專用計算芯片，但能起到類似GPU對神經網絡運算的加速作用。

京東上搜名字可以買到，只要500元左右，想想一塊GPU都要幾千塊錢，就會覺得很值了。

SDK是開源的：https://github.com/movidius/ncsdk

提問不在GitHub issue里，而是在一個專門的論壇：https://ncsforum.movidius.com/

雖然目前NCSDK支持的框架包含Tensorflow和Caffe，但並不是支持所有的模型，目前已支持的模型列表可以在這里查到：https://github.com/movidius/ncsdk/releases

截止到2018年3月15日，NCSDK還沒有支持Tensorflow版的MobileNet SSD（比如tf.cast這個操作還未被支持），所以我們需要用Caffe來訓練模型，部署到樹莓派上。

Environment

ncsdk的環境分為兩部分，訓練端和測試端。

  • 訓練端通常是一個Ubuntu 帶GPU主機，訓練Caffe或TensorFlow模型，編譯成NCS可以執行的graph；
  • 測試端則面向ncs python mvnc api編程，可以運行在樹莓派上raspbian stretch版本，也可以運行在訓練端這種機器上。

訓練端

安裝

安裝這個過程，說難不難，也就幾行命令的事情，但也有很多坑

在訓練端主機上，插入神經計算棒，然后：

git clone https://github.com/movidius/ncsdk
cd ncsdk
make install

其中，make install干的是這些事情：

  • 檢查安裝Tensorflow
  • 檢查安裝Caffe(SSD-caffe)
  • 編譯安裝ncsdk（不包含inference模塊，只包含mvNCCompile相關模塊，用來將Caffe或Tensorflow模型轉成NCS graph的）

注意，

  • 這些庫都是安裝到/opt/movidius/這個目錄下，並關聯到系統python3里邊的（/usr/bin/python3），如果你電腦里原來有tf或caffe，也不會被關聯上去

  • NCSDK mvNCCompile模塊目前只兼容python3，我嘗試過將安裝完的SDK改成兼容python2的版本，可以將模型編譯出來，但是在運行時會報錯，所以暫時放棄兼容python2了，也建議大家用默認的python3版本

  • 這個步驟主要的坑來自萬惡的Caffe，如果你裝過python3版的caffe，大概會有經驗一些，這里有幾個小坑提示一下：

    • 最好在ncsdk目錄中的ncsdk.conf中，開啟caffe的cuda支持，即設置CAFFE_USE_CUDA=yes，這樣你之后也能用這個caffe來訓練模型
    • caffe的依賴會在腳本中安裝，但有些Debian兼容問題要解決
    • 開啟CUDA支持后，編譯caffe會找不到libboost-python3，因為在Ubuntu16.04里，它叫libboost-python3.5，所以要軟鏈接一下：
cd /usr/lib/x86_64-linux-gnu/
sudo ln -s libboost_python-py35.so libboost_python3.so
  • 其他可能出現的caffe的坑，可以在我博客找找答案，如果沒有的話，就去caffe的GitHub issue搜吧

測試

一波操作之后，我們裝好了ncsdk編譯模塊，可以下載我訓練的caffe模型，嘗試編譯成ncs graph

git clone https://github.com/ahangchen/MobileNetSSD
mvNCCompile example/MobileNetSSD_deploy.prototxt -w MobileNetSSD_deploy.caffemodel -s 12 -is 300 300 -o ncs_mobilenet_ssd_graph

這里其實是調用python3去執行/usr/local/bin/ncsdk/mvNCCompile.py這個文件， 不出意外在當前版本（1.12.00）你會遇到這個錯誤：

[Error 17] Toolkit Error: Internal Error: Could not build graph. Missing link: conv11_mbox_conf

這是因為NCSDK在處理caffe模型的時候，會把conv11_mbox_conf_new節點叫做conv11_mbox_conf，所以build graph的時候就會找不着。因此需要為這種節點起一個別名，即，將conv11_mbox_conf_new起別名為conv11_mbox_conf，修改SDK代碼中的/usr/local/bin/ncsdk/Models/NetworkStage.py，在第85行后面添加：

if ''_new' in name:
    self.alias.append(name[:-4])

於是就能編譯生成graph了，你會看到一個名為ncs_mobilenet_ssd_graph的文件。

上邊這個bug我已經跟NCSDK的工程師講了，他們在跟進修這個bug：
NCS bug

測試端

NCSDK

測試端要安裝ncsdk python api，用於inference，實際上測試端能做的操作，訓練端也都能做

git clone https://github.com/movidius/ncsdk
cd api/src
make install

從輸出日志可以發現，將ncsdk的lib和include文件分別和系統的python2（/usr/bin/python2）和python3(/usr/bin/python3)做了關聯。

然后你可以下一個GitHub工程來跑一些測試：

git clone https://github.com/movidius/ncappzoo
cd ncappzoo/apps/hello_ncs_py
python3 hello_ncs.py
python2 hello_ncs.py

沒報錯就是裝好了，測試端很簡單。

OpenCV

看pyimagesearch這個教程

Caffe模型訓練

就是正常的用caffe訓練MobileNet-SSD，主要參考這個倉庫：

README里將步驟講得很清楚了

  1. 下載SSD-caffe（這個我們已經在NCSDK里裝了）
  2. 下載chuanqi在VOC0712上預訓練的模型
  3. 把MobileNet-SSD這個項目放到SSD-Caffe的examples目錄下，這一步可以不做，但是要對應修改train.sh里的caffe目錄位置
  4. 創建你自己的labelmap.prototxt，放到MobileNet-SSD目錄下，比如說，你是在coco預訓練模型上訓練的話，可以把coco的標簽文件復制過來，將其中與你的目標類（比如我的目標類是Cattle）相近的類（比如Coco中是Cow）改成對應的名字，並用它的label作為你的目標類的label。（比如我用21這個類代表Cattle）
  5. 用你自己的數據訓練MobileNet-SSD，參考SSD-caffe的wiki，主要思路還是把你的數據轉換成類似VOC或者COCO的格式，然后生成lmdb，坑也挺多的：
  • 假設你的打的標簽是這樣一個文件raw_label.txt，假裝我們數據集只有兩張圖片：
data/strange_animal/1017.jpg 0.487500	0.320675	0.670000	0.433193
data/strange_animal/1018.jpg 0.215000	0.293952	0.617500	0.481013
  • 我們的目標是將標簽中涉及的圖片和位置信息轉成這樣一個目錄（在ssd-caffe/data/coco目錄基礎上生成的）：
coco_cattle
├── all # 存放全部圖片和xml標簽文件
│   ├── 1017.jpg
│   ├── 1017.xml
│   ├── 1018.jpg
│   └── 1018.xml
├── Annotations # 存放全部標簽xml
│   ├── 1017.xml
│   └── 1018.xml
├── create_data.sh # 將圖片轉為lmdb的腳本
├── create_list.py # 根據ImageSets里的數據集划分文件，生成jpg和xml的對應關系文件到coco_cattle目錄下，但我發現這個對應關系文件用不上
├── images  # 存放全部圖片
│   ├── 1017.jpg
│   └── 1018.jpg
├── ImageSets # 划分訓練集，驗證集和測試集等，如果只想分訓練和驗證的話，可以把minival.txt,testdev.txt,test.txt內容改成一樣的
│   ├── minival.txt 
│   ├── testdev.txt
│   ├── test.txt
│   └── train.txt
├── labelmap_coco.prototxt # 如前所述的標簽文件，改一下可以放到MobileNet-SSD目錄下
├── labels.txt
├── lmdb # 手動創建這個目錄
│   ├── coco_cattle_minival_lmdb # 自動創建的，由圖片和標簽轉換來的LMDB文件
│   ├── coco_cattle_testdev_lmdb
│   ├── coco_cattle_test_lmdb
│   └── coco_cattle_train_lmdb
├── minival.log
├── README.md
├── testdev.log
├── test.log
└── train.log
  • 其中，標簽xml的格式如下：
<annotation>
  <folder>train</folder>
  <filename>86</filename>
  <source>
    <database>coco_cattle</database>
  </source>
  <size>
    <width>720</width>
    <height>1280</height>
    <depth>3</depth>
  </size>
  <segmented>0</segmented>
  <object>
    <name>21</name>
    <pose>Unspecified</pose>
    <truncated>0</truncated>
    <difficult>0</difficult>
    <bndbox>
      <xmin>169</xmin>
      <ymin>388</ymin>
      <xmax>372</xmax>
      <ymax>559</ymax>
    </bndbox>
  </object>
  <object>
    <name>21</name>
    <pose>Unspecified</pose>
    <truncated>0</truncated>
    <difficult>0</difficult>
    <bndbox>
      <xmin>169</xmin>
      <ymin>388</ymin>
      <xmax>372</xmax>
      <ymax>559</ymax>
    </bndbox>
  </object>
</annotation>

代表一張圖中多個對象所在位置（bndbox節點表示），以及類別（name）。

  • 一開始，all, Annotations, images, ImageSets,lmdb四個目錄都是空的，你可以把自己的圖片放到隨便哪個地方，只要在raw_label.txt里寫好圖片路徑就行

  • 讀取raw_label.txt，利用lxml構造一棵dom tree，然后寫到Annotations對應的xml里，並將對應的圖片移動到image目錄里，可以參考這份代碼。並根據我們設置的train or not標志符將當前這張圖片分配到訓練集或測試集中（也就是往ImageSet/train.txt中寫對應的圖片名）

  • 這樣一波操作之后，我們的images和Annotations目錄里都會有數據了，接下來我們需要把它們一塊復制到all目錄下

cp images/* all/
cp Annotations/* all/
  • 然后用create_data.sh將all中的數據，根據ImageSet中的數據集划分，創建訓練集和測試集的lmdb，這里對coco的create_data.sh做了一點修改：
cur_dir=$(cd $( dirname ${BASH_SOURCE[0]} ) && pwd )
root_dir=$cur_dir/../..

cd $root_dir

redo=true
# 這里改成all目錄
data_root_dir="$cur_dir/all"
# 這里改成自己的數據集名，也是我們這個目錄的名字
dataset_name="coco_cattle"
# 指定標簽文件
mapfile="$root_dir/data/$dataset_name/labelmap_coco.prototxt"
anno_type="detection"
label_type="xml"
db="lmdb"
min_dim=0
max_dim=0
width=0
height=0

extra_cmd="--encode-type=jpg --encoded"
if $redo
then
  extra_cmd="$extra_cmd --redo"
fi
for subset in minival testdev train test
do
  python3 $root_dir/scripts/create_annoset.py --anno-type=$anno_type --label-type=$label_type --label-map-file=$mapfile --min-dim=$min_dim --max-dim=$max_dim --resize-width=$width --resize-height=$height --check-label $extra_cmd $data_root_dir $root_dir/data/$dataset_name/ImageSets/$subset.txt $data_root_dir/../$db/$dataset_name"_"$subset"_"$db examples/$dataset_name 2>&1 | tee $root_dir/data/$dataset_name/$subset.log
done

於是會lmdb目錄下會為每個划分集合創建一個目錄，存放數據

├── lmdb
│   ├── coco_cattle_minival_lmdb
│   │   ├── data.mdb
│   │   └── lock.mdb
│   ├── coco_cattle_testdev_lmdb
│   │   ├── data.mdb
│   │   └── lock.mdb
│   ├── coco_cattle_test_lmdb
│   │   ├── data.mdb
│   │   └── lock.mdb
│   └── coco_cattle_train_lmdb
│       ├── data.mdb
│       └── lock.mdb
  1. 將5生成的lmdb鏈接到MobileNet-SSD的目錄下：
cd MobileNet-SSD
ln -s PATH_TO_YOUR_TRAIN_LMDB trainval_lmdb
ln -s PATH_TO_YOUR_TEST_LMDB test_lmdb
  1. 運行gen_model.sh生成三個prototxt（train, test, deploy）
# 默認clone下來的目錄是沒有example這個目錄的，而gen_model.sh又會把文件生成到example目錄
mkdir example
./gen_model.sh
  1. 訓練
./train.sh

這里如果爆顯存了，可以到example/MobileNetSSD_train.prototxt修改batch size，假如你batch size改到20，剛好可以吃滿GTX1060的6G顯存，但是跑到一定步數（設置在solver_test.prototxt里的test_interval變量），會執行另一個小batch的test（這個batch size定義在example/MobileNetSSD_test.prototxt里），這樣就會再爆顯存，所以如果你的 train_batch_size + test_batch_size <= 20的話才可以保證你在6G顯存上能順利完成訓練，我的設置是 train_batch_size=16, test_batch_size=4

一開始的training loss可能比較大，30左右，等到loss下降到2.x一段時間就可以ctrl+c退出訓練了，模型權重會自動保存在snapshot目錄下

  1. 運行merge_bn.py將訓練得到的模型去除bn層，得到可部署的Caffe模型，這樣你就能得到一個名為MobileNetSSD_deploy.caffemodel的權重文件，對應的prototxt為example/MobileNetSSD_deploy.prototxt

  2. 離題那么久，終於來到主題，我們要把這個caffemodel編譯成NCS可運行的graph，這個操作之前在搭環境的部分也提過：

mvNCCompile example/MobileNetSSD_deploy.prototxt -w MobileNetSSD_deploy.caffemodel -s 12 -is 300 300 -o ncs_mobilenet_ssd_graph

參數格式：

mvNCCompile prototxt路徑 -w 權重文件路徑 -s 最大支持的NCS數目 -is 輸入圖片寬度 輸入圖片高度 -o 輸出graph路徑

其實訓練端相對於chuanqi的MobileNet-SSD沒啥改動，甚至訓練參數也不用怎么改動，主要工作還是在數據預處理上，可以參考我的預處理代碼

樹莓派NCS模型測試

現在我們要用ncs版的ssd模型在樹莓派上進行對圖片做檢測，這個目標一旦達成我們自然也能對視頻或攝像頭數據進行檢測了。

倉庫結構

ncs_detection
├── data # 標簽文件
│   └── mscoco_label_map.pbtxt
├── file_helper.py # 文件操作輔助函數
├── model # 訓練好的模型放在這里
│   ├── ncs_mobilenet_ssd_graph
│   └── README.md
├── ncs_detection.py # 主入口
├── object_detection # 改了一下TF的Object detection包中的工具類來用
│   ├── __init__.py
│   ├── protos
│   │   ├── __init__.py
│   │   ├── string_int_label_map_pb2.py
│   │   └── string_int_label_map.proto
│   └── utils
│       ├── __init__.py
│       ├── label_map_util.py
│       └── visualization_utils.py
├── r10 # 圖片數據
│   ├── 00000120.jpg
│   ├── 00000133.jpg
│   ├── 00000160.jpg
│   ├── 00000172.jpg
│   ├── 00000192.jpg
│   ├── 00000204.jpg
│   ├── 00000220.jpg
│   └── 00000236.jpg
├── README.md
└── total_cnt.txt
  • 由於這個工程一開始是用Tensorflow Object Detection API做的，所以改了其中的幾個文件來讀標簽和畫檢測框，將其中跟tf相關的代碼去掉。
  • TF的圖片IO是用pillow做的，在樹莓派上速度奇慢，對一張1280x720的圖使用Image的get_data這個函數獲取數據需要7秒，所以我改成了OpenCV來做IO。

任務目標

檢測r10目錄中的圖片中的對象，標記出來，存到r10_tmp目錄里

流程

  • 准備目標目錄
def config_init(dataset_pref):
    os.system('mkdir %s_tmp' % dataset_pref)
    os.system('rm %s_tmp/*' % dataset_pref)
  • 指定模型路徑，標簽位置，類別總數，測試圖片路徑
PATH_TO_CKPT = 'model/ncs_mobilenet_ssd_graph'
PATH_TO_LABELS = os.path.join('data', 'mscoco_label_map.pbtxt')
NUM_CLASSES = 81
TEST_IMAGE_PATHS = [os.path.join(img_dir, '%08d.jpg' % i) for i in range(start_index, end_index)]
  • 發現並嘗試打開神經計算棒
def ncs_prepare():
    print("[INFO] finding NCS devices...")
    devices = mvnc.EnumerateDevices()

    if len(devices) == 0:
        print("[INFO] No devices found. Please plug in a NCS")
        quit()

    print("[INFO] found {} devices. device0 will be used. "
          "opening device0...".format(len(devices)))
    device = mvnc.Device(devices[0])
    device.OpenDevice()
    return device
  • 將NCS模型加載到NCS中
def graph_prepare(PATH_TO_CKPT, device):
    print("[INFO] loading the graph file into RPi memory...")
    with open(PATH_TO_CKPT, mode="rb") as f:
        graph_in_memory = f.read()

    # load the graph into the NCS
    print("[INFO] allocating the graph on the NCS...")
    detection_graph = device.AllocateGraph(graph_in_memory)
    return detection_graph
  • 准備好標簽與類名對應關系
category_index = label_prepare(PATH_TO_LABELS, NUM_CLASSES)
  • 讀取圖片，由於Caffe訓練圖片采用的通道順序是RGB，而OpenCV模型通道順序是BGR，需要轉換一下
image_np = cv2.imread(image_path)
image_np = cv2.cvtColor(image_np, cv2.COLOR_BGR2RGB)
  • 使用NCS模型為輸入圖片推斷目標位置
def predict(image, graph):
    image = preprocess_image(image)
    graph.LoadTensor(image, None)
    (output, _) = graph.GetResult()
    num_valid_boxes = output[0]
    predictions = []
    for box_index in range(num_valid_boxes):
        base_index = 7 + box_index * 7

        if (not np.isfinite(output[base_index]) or
                not np.isfinite(output[base_index + 1]) or
                not np.isfinite(output[base_index + 2]) or
                not np.isfinite(output[base_index + 3]) or
                not np.isfinite(output[base_index + 4]) or
                not np.isfinite(output[base_index + 5]) or
                not np.isfinite(output[base_index + 6])):
            continue

        (h, w) = image.shape[:2]
        x1 = max(0, output[base_index + 3])
        y1 = max(0, output[base_index + 4])
        x2 = min(w, output[base_index + 5])
        y2 = min(h, output[base_index + 6])
        pred_class = int(output[base_index + 1]) + 1
        pred_conf = output[base_index + 2]
        pred_boxpts = (y1, x1, y2, x2)

        prediction = (pred_class, pred_conf, pred_boxpts)
        predictions.append(prediction)

    return predictions

其中，首先將圖片處理為Caffe輸入格式，縮放到300x300，減均值，縮放到0-1范圍，轉浮點數

def preprocess_image(input_image):
    PREPROCESS_DIMS = (300, 300)
    preprocessed = cv2.resize(input_image, PREPROCESS_DIMS)
    preprocessed = preprocessed - 127.5
    preprocessed = preprocessed * 0.007843
    preprocessed = preprocessed.astype(np.float16)
    return preprocessed

graph推斷得到目標位置，類別，分數

graph.LoadTensor(image, None)
(output, _) = graph.GetResult()

其中的output格式為，

[
    目標數量，
    class，score，xmin, ymin, xmax, ymax,
    class，score，xmin, ymin, xmax, ymax,
    ...
]
  • 根據我們感興趣的類別和分數進行過濾
def predict_filter(predictions, score_thresh):
    num = 0
    boxes = list()
    scores = list()
    classes = list()
    for (i, pred) in enumerate(predictions):
        (cl, score, box) = pred
        if cl == 21 or cl == 45 or cl == 19 or cl == 76 or cl == 546 or cl == 32:
            if score > score_thresh:
                boxes.append(box)
                scores.append(score)
                classes.append(cl)
                num += 1
    return num, boxes, classes, scores
  • 用OpenCV將當前圖片的對象數量寫到圖片右上角，用pillow（tf庫中的實現）將當前圖片的對象位置和類別在圖中標出
def add_str_on_img(image, total_cnt):
    cv2.putText(image, '%d' % total_cnt, (image.shape[1] - 100, 50), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (0, 255, 0), 2)

result = vis_util.visualize_boxes_and_labels_on_image_array(
                image_np,
                np.squeeze(valid_boxes).reshape(num, 4),
                np.squeeze(valid_classes).astype(np.int32).reshape(num, ),
                np.squeeze(valid_scores).reshape(num, ),
                category_index,
                use_normalized_coordinates=True,
                min_score_thresh=score_thresh,
                line_thickness=8)
  • 保存圖片
 cv2.imwrite('%s_tmp/%s' % (dataset_pref, image_path.split('/')[-1]),
                        cv2.cvtColor(result, cv2.COLOR_RGB2BGR))
  • 釋放神經計算棒
def ncs_clean(detection_graph, device):
    detection_graph.DeallocateGraph()
    device.CloseDevice()

運行

python2 ncs_detection.py

結果

框架 圖片數量/張 耗時
TensorFlow 1800 60min
NCS 1800 10min
TensorFlow 1 2sec
NCS 1 0.3sec

性能提升6倍！單張圖300毫秒，可以說是毫秒級檢測了。在論壇上有霓虹國的同行嘗試后，甚至評價其為“超爆速”。

擴展

單根NCS一次只能運行一個模型，但是我們可以用多根NCS，多線程做檢測，達到更高的速度，具體可以看Reference第二條。

Reference

看了這么久，還不快去給我的GitHub點star!


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