Python+树莓派+YOLO打造一款人工智能相机

不久之前，亚马逊刚刚推出了DeepLens。这是一款专门面向开发人员的全球首个支持深度学习的摄像机，它所使用的机器学习算法不仅可以检测物体活动和面部表情，而且还可以检测类似弹吉他等复杂的活动。虽然DeepLens还未正式上市，但智能摄像机的概念已经诞生了。

今天，我们将自己动手打造出一款基于深度学习的照相机，当小鸟出现在摄像头画面中时，它将能检测到小鸟并自动进行拍照。最终成品所拍摄的画面如下所示：

相机不傻，它可以很机智

我们不打算将一个深度学习模块整合到相机中，相反，我们准备将树莓派“挂钩”到摄像头上，然后通过WiFi来发送照片。本着“一切从简”（穷）为核心出发，我们今天只打算搞一个跟DeepLens类似的概念原型，感兴趣的同学可以自己动手尝试一下。

接下来，我们将使用Python编写一个Web服务器，树莓派将使用这个Web服务器来向计算机发送照片，或进行行为推断和图像检测。

我们这里所使用的计算机其处理能力会更强，它会使用一种名叫YOLO的神经网络架构来检测输入的图像画面，并判断小鸟是否出现在了摄像头画面内。

我们得先从YOLO架构开始，因为它是目前速度最快的检测模型之一。该模型专门给Tensorflow（谷歌基于DistBelief进行研发的第二代人工智能学习系统）留了一个接口，所以我们可以轻松地在不同的平台上安装和运行这个模型。友情提示，如果你使用的是我们本文所使用的迷你模型，你还可以用CPU来进行检测，而不只是依赖于价格昂贵的GPU。

接下来回到我们的概念原型上… 如果像框内检测到了小鸟，那我们就保存图片并进行下一步分析。

检测与拍照

正如我们所说的，DeepLens的拍照功能是整合在计算机里的，所以它可以直接使用板载计算能力来进行基准检测，并确定图像是否符合我们的标准。

但是像树莓派这样的东西，我们其实并不需要使用它的计算能力来进行实时计算。因此，我们准备使用另一台计算机来推断出现在图像中的内容。

我使用的是一台简单的Linux计算机，它带有一个摄像头以及WiFi无线网卡（树莓派3+摄像头），而这个简单的设备将作为我的深度学习机器并进行图像推断。对我来说，这是目前最理想的解决方案了，这不仅大大缩减了我的成本，而且还可以让我在台式机上完成所有的计算。

当然了，如果你不想使用树莓派视频照相机的话，你也可以选择在树莓派上安装OpenCV 3来作为方案B，具体的安装方法请参考【这份文档】。友情提示，安装过程可谓是非常的麻烦！

接下来，我们需要使用Flask来搭建Web服务器，这样我们就可以从摄像头那里获取图像了。这里我使用了MiguelGrinberg所开发的网络摄像头服务器代码（Flask视频流框架），并创建了一个简单的jpg终端：

#!/usr/bin/envpython
from import lib import import_module
import os
from flask import Flask, render_template, Response
 
#uncomment below to use Raspberry Pi camera instead
#from camera_pi import Camera
 
#comment this out if you're not using USB webcam
from camera_opencv import Camera
 
app =Flask(__name__)
 
@app.route('/')
def index():
    return "hello world!"
 
def gen2(camera):
    """Returns a single imageframe"""
    frame = camera.get_frame()
    yield frame
 
@app.route('/image.jpg')
def image():
    """Returns a single currentimage for the webcam"""
    return Response(gen2(Camera()),mimetype='image/jpeg')
 
if __name__ == '__main__':
app.run(host='0.0.0.0', threaded=True)

如果你使用的是树莓派视频照相机，请确保没有注释掉上述代码中from camera_pi那一行，然后注释掉from camera_opencv那一行。

你可以直接使用命令python3 app.py或gunicorn来运行服务器，这跟Miguel在文档中写的方法是一样的。如果我们使用了多台计算机来进行图像推断的话，我们还可以利用Miguel所开发的摄像头管理方案来管理摄像头以及计算线程。

当我们启动了树莓派之后，首先需要根据IP地址来判断服务器是否正常工作，然后尝试通过Web浏览器来访问服务器。

URL地址格式类似如下：

http://192.168.1.4:5000/image.jpg

在树莓派中加载Web页面及图像来确定服务器是否正常工作：

图像导入及推断

既然我们已经设置好了终端来加载摄像头当前的图像内容，我们就可以构建一个脚本来捕捉图像并推断图像中的内容了。

这里我们需要用到request库（一个优秀的Python库，用于从URL地址获取文件资源）以及Darkflow（YOLO模型基于Tensorflow的实现）。

不幸的是，我们没办法使用pip之类的方法来安装Darkflow，所以我们需要克隆整个代码库，然后自己动手完成项目的构建和安装。安装好Darkflow项目之后，我们还需要下载一个YOLO模型。

因为我使用的是速度比较慢的计算机和板载CPU（而不是速度较快的GPU），所以我选择使用YOLO v2迷你网络。当然了，它的功能肯定没有完整的YOLO v2模型的推断准确性高啦！

配置完成之后，我们还需要在计算机中安装Pillow、numpy和OpenCV。最后，我们就可以彻底完成我们的代码，并进行图像检测了。

最终的代码如下所示：

from darkflow.net.build import TFNet
import cv2
 
from io import BytesIO
import time
import requests
from PIL import Image
import numpy as np
 
options= {"model": "cfg/tiny-yolo-voc.cfg", "load":"bin/tiny-yolo-voc.weights", "threshold": 0.1}
 
tfnet= TFNet(options)
 
birdsSeen= 0
def handleBird():
    pass
 
whileTrue:
    r =requests.get('http://192.168.1.11:5000/image.jpg') # a bird yo
    curr_img = Image.open(BytesIO(r.content))
    curr_img_cv2 =cv2.cvtColor(np.array(curr_img), cv2.COLOR_RGB2BGR)
 
    result = tfnet.return_predict(curr_img_cv2)
    print(result)
    for detection in result:
        if detection['label'] == 'bird':
            print("bird detected")
            birdsSeen += 1
            curr_img.save('birds/%i.jpg' %birdsSeen)
    print('running again')
time.sleep(4)

此时，我们不仅可以在命令控制台中查看到树莓派所检测到的内容，而且我们还可以直接在硬盘中查看保存下来的小鸟照片。接下来，我们就可以使用YOLO来标记图片中的小鸟了。

假阳性跟假阴性之间的平衡

我们在代码的options字典中设置了一个threshold键，这个阈值代表的是我们用于检测图像的某种成功率。在测试过程中，我们将其设为了0.1，但是如此低的阈值会给我们带来是更高的假阳性以及误报率。更糟的是，我们所使用的迷你YOLO模型准确率跟完整的YOLO模型相比，差得太多了，但这也是需要考虑的一个平衡因素。

降低阈值意味着我们可以得到更多的模型输出（照片），在我的测试环境中，我阈值设置的比较低，因为我想得到更多的小鸟照片，不过大家可以根据自己的需要来调整阈值参数。

代码开源

跟之前一样，我已经将所有的代码上传到GitHub上了，感兴趣的同学可以自行下载安装【GitHub传送门】。

https://github.com/burningion/poor-mans-deep-learning-camera

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