[PYTHON] Classez les visages d'anime avec l'apprentissage en profondeur avec Chainer

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introduction

Ceci est mon premier message posté. Les journées chaudes continuent, mais j'aimerais classer les données d'images animées du visage à l'aide du deep learning. Je ne connais pas très bien l'anime. Vous pouvez dire si c'est Hatsune Miku. Qui diable est qui?

base de données

L'ensemble de données peut être obtenu à partir de animeface-character-dataset. Référence: J'ai essayé d'extraire les caractéristiques du visage animé avec Denoising AutoEncoder

code

Cette fois, nous utiliserons Chainer pour implémenter un réseau neuronal convolutif. Tout d'abord, définissez le modèle. C'est comme Convolution → Max Pooling → Convolution → Max Pooling → Full-Connected → Softmax. Veuillez pardonner que le code est sale.

Référence: https://github.com/mitmul/chainer-cifar10/blob/master/models/Cifar10.py

CNN.py

import time
import six.moves.cPickle as pickle
import numpy as np
from sklearn.datasets import fetch_mldata
from sklearn.cross_validation import train_test_split
from chainer import cuda, Variable, FunctionSet, optimizers
import chainer.functions as F

class ImageNet(FunctionSet):
	def __init__(self, n_outputs):
		super(ImageNet, self).__init__(
			conv1=	F.Convolution2D(3, 32, 5),
			conv2=	F.Convolution2D(32, 32, 5),
			l3=		F.Linear(512, 512),
			l4=		F.Linear(512, n_outputs)
		)

	def forward(self, x_data, y_data, train=True, gpu=-1):

		if gpu >= 0:
			x_data = cuda.to_gpu(x_data)
			y_data = cuda.to_gpu(y_data)

		x, t = Variable(x_data), Variable(y_data)
		h = F.max_pooling_2d(F.relu(self.conv1(x)), ksize=2, stride=2)
		h = F.max_pooling_2d(F.relu(self.conv2(h)), ksize=3, stride=3)
		h = F.dropout(F.relu(self.l3(h)), train=train)
		y = self.l4(h)
		return F.softmax_cross_entropy(y, t), F.accuracy(y,t)

Pour l'heure, nous allons permettre d'apprendre et d'évaluer à l'aide du modèle défini.

CNN.py

class CNN:
	def __init__(self, data, target, n_outputs, gpu=-1):

		self.model = ImageNet(n_outputs)
		self.model_name = 'cnn_model'

		if gpu >= 0:
			self.model.to_gpu()

		self.gpu = gpu

		self.x_train,\
		self.x_test,\
		self.y_train,\
		self.y_test = train_test_split(data, target, test_size=0.1)

		self.n_train = len(self.y_train)
		self.n_test = len(self.y_test)

		self.optimizer = optimizers.Adam()
		self.optimizer.setup(self.model.collect_parameters())

	def predict(self, x_data, gpu=-1):
		return self.model.predict(x_data, gpu)


	def train_and_test(self, n_epoch=100, batchsize=100):

		epoch = 1
		best_accuracy = 0
		while epoch <= n_epoch:
			print 'epoch', epoch

			perm = np.random.permutation(self.n_train)
			sum_train_accuracy = 0
			sum_train_loss = 0
			for i in xrange(0, self.n_train, batchsize):
				x_batch = self.x_train[perm[i:i+batchsize]]
				y_batch = self.y_train[perm[i:i+batchsize]]

				real_batchsize = len(x_batch)

				self.optimizer.zero_grads()
				loss, acc = self.model.forward(x_batch, y_batch, train=True, gpu=self.gpu)
				loss.backward()
				self.optimizer.update()

				sum_train_loss += float(cuda.to_cpu(loss.data)) * real_batchsize
				sum_train_accuracy += float(cuda.to_cpu(acc.data)) * real_batchsize

			print 'train mean loss={}, accuracy={}'.format(sum_train_loss/self.n_train, sum_train_accuracy/self.n_train)

			# evaluation
			sum_test_accuracy = 0
			sum_test_loss = 0
			for i in xrange(0, self.n_test, batchsize):
				x_batch = self.x_test[i:i+batchsize]
				y_batch = self.y_test[i:i+batchsize]

				real_batchsize = len(x_batch)

				loss, acc = self.model.forward(x_batch, y_batch, train=False, gpu=self.gpu)

				sum_test_loss += float(cuda.to_cpu(loss.data)) * real_batchsize
				sum_test_accuracy += float(cuda.to_cpu(acc.data)) * real_batchsize

			print 'test mean loss={}, accuracy={}'.format(sum_test_loss/self.n_test, sum_test_accuracy/self.n_test)			

			epoch += 1

	def dump_model(self):
		self.model.to_cpu()
		pickle.dump(self.model, open(self.model_name, 'wb'), -1)

	def load_model(self):
		self.model = pickle.load(open(self.model_name,'rb'))
		if self.gpu >= 0:
			self.model.to_gpu()
		self.optimizer.setup(self.model.collect_parameters())

Prétraitement de l'ensemble de données

Toutes les tailles d'image sont réglées sur 32 * 32 pour réduire le traitement. De plus, ** supprimez à l'avance le répertoire qui ne contient pas d'images **.

animeface.py

#! -*- coding: utf-8 -*-

import os
import six.moves.cPickle as pickle
import numpy as np
import cv2 as cv

class AnimeFaceDataset:
	def __init__(self):
		self.data_dir_path = u"./animeface-character-dataset/thumb/"
		self.data = None
		self.target = None
		self.n_types_target = -1
		self.dump_name = u'dataset'
		self.image_size = 32

	def get_dir_list(self):
		tmp = os.listdir(self.data_dir_path)
		if tmp is None:
			return None
		return sorted([x for x in tmp if os.path.isdir(self.data_dir_path+x)])

	def get_class_id(self, fname):
		dir_list = self.get_dir_list()
		dir_name = filter(lambda x: x in fname, dir_list)
		return dir_list.index(dir_name[0])

	def load_data_target(self):
		if os.path.exists(self.dump_name):
			self.load_dataset()
		if self.target is None:
			dir_list = self.get_dir_list()
			ret = {}
			self.target = []
			target_name = []
			self.data = []
			for dir_name in dir_list:
				file_list = os.listdir(self.data_dir_path+dir_name)
				for file_name in file_list:
					root, ext = os.path.splitext(file_name)
					if ext == u'.png':
						abs_name = self.data_dir_path+dir_name+'/'+file_name
						# read class id i.e., target
						class_id = self.get_class_id(abs_name)
						self.target.append(class_id)
						target_name.append(str(dir_name))
						# read image i.e., data
						image = cv.imread(abs_name)
						image = cv.resize(image, (self.image_size, self.image_size))
						image = image.transpose(2,0,1)
						image = image/255.
						self.data.append(image)

			self.index2name = {}
			for i in xrange(len(self.target)):
				self.index2name[self.target[i]] = target_name[i]
				
		self.data = np.array(self.data, np.float32)
		self.target = np.array(self.target, np.int32)

		self.dump_dataset()

	def get_n_types_target(self):
		if self.target is None:
			self.load_data_target()

		if self.n_types_target is not -1:
			return self.n_types_target

		tmp = {}
		for target in self.target:
			tmp[target] = 0
		return len(tmp)

	def dump_dataset(self):
		pickle.dump((self.data,self.target,self.index2name), open(self.dump_name, 'wb'), -1)

	def load_dataset(self):
		self.data, self.target, self.index2name = pickle.load(open(self.dump_name, 'rb'))

Lisons réellement les données.

In [1]: from animeface import AnimeFaceDataset

In [2]: dataset = AnimeFaceDataset()

In [3]: dataset.load_data_target()       

In [5]: dataset.get_n_types_target()
Out[5]: 176

In [6]: len(dataset.target)
Out[6]: 14490

Il s'agit donc d'un problème de classification avec 14490 données et 176 classes (nombre de caractères). Je me demande s'il y a 176 personnes. Apprenons en fait avec le code suivant.

from CNN import CNN
from animeface import AnimeFaceDataset
from chainer import cuda

#J'utiliserai le GPU
cuda.init(0)

print 'load AnimeFace dataset'
dataset = AnimeFaceDataset()
dataset.read_data_target()
data = dataset.data
target = dataset.target
n_outputs = dataset.get_n_types_target()

cnn = CNN(data=data,
		  target=target,
		  gpu=0,
		  n_outputs=n_outputs)
		  
cnn.train_and_test(n_epoch=100)

Le résultat de l'exécution est le suivant.

C:\Python27\lib\site-packages\skcuda\cublas.py:273: UserWarning: creating CUBLAS
 context to get version number
  warnings.warn('creating CUBLAS context to get version number')
load AnimeFace dataset
epoch 1
train mean loss=4.77383880182, accuracy=0.0361935423276
test mean loss=3.88453409868, accuracy=0.116632157313
epoch 2
train mean loss=3.52874370272, accuracy=0.158193386024
test mean loss=3.00467933286, accuracy=0.247066933423
epoch 3
train mean loss=2.95961939461, accuracy=0.254735058687
test mean loss=2.6362867278, accuracy=0.327122144303
epoch 4
train mean loss=2.634737659, accuracy=0.319607384265
test mean loss=2.38959699009, accuracy=0.395445127233

----
Omission
----

epoch 96
train mean loss=0.227027994983, accuracy=0.925159092696
test mean loss=2.70711887911, accuracy=0.589371965415
epoch 97
train mean loss=0.216873285405, accuracy=0.927382851637
test mean loss=2.6218228118, accuracy=0.594893018034
epoch 98
train mean loss=0.209225204521, accuracy=0.930220058136
test mean loss=2.68379376295, accuracy=0.5935127585
epoch 99
train mean loss=0.209071503231, accuracy=0.928072985573
test mean loss=2.62009712151, accuracy=0.593512752658
epoch 100
train mean loss=0.210750763214, accuracy=0.92999001446
test mean loss=2.75891605618, accuracy=0.589371977427
Early Stopping was not executed.

en conclusion

Le résultat a été un taux de réponse correcte d'environ 60%. Peut-être que je pense que je peux y aller si je change l'architecture de CNN, et je pense que c'était trop petit pour faire l'image 32 * 32. .. .. Quand Je vais donner le code, le nom de la variable, le nom de la fonction, etc. à GitHub la prochaine fois. Je vous serais reconnaissant si vous pouviez souligner des points étranges.