opencv dnn模块

1.DNN模块
1.1. 模块简介
OpenCV中的深度学习模块（DNN）只提供了推理功能，不涉及模型的训练，支持多种深度学习框架，比如TensorFlow，Caffe,Torch和Darknet。

 

 OpenCV那为什么要实现深度学习模块？

轻量型。DNN模块只实现了推理功能，代码量及编译运行开销远小于其他深度学习模型框架。

使用方便。DNN模块提供了内建的CPU和GPU加速，无需依赖第三方库，若项目中之前使用了OpenCV，那么通过DNN模块可以很方便的为原项目添加深度学习的能力。

通用性。DNN模块支持多种网络模型格式，用户无需额外的进行网络模型的转换就可以直接使用，支持的网络结构涵盖了常用的目标分类，目标检测和图像分割的类别，如下图所示：

 

 DNN模块支持多种类型网络层，基本涵盖常见的网络运算需求。

 

 也支持多种运算设备（CPU，GPU等）和操作系统（Linux,windows,MacOS等）。

1.2.模块架构
DNN模块的架构如下图所示：

 

 

 从上往下依次是：

第一层：语言绑定层，主要支持Python和Java，还包括准确度测试、性能测试和部分示例程序。
第二层：C++的API层，是原生的API，功能主要包括加载网络模型、推理运算以及获取网络的输出等。
第三层：实现层，包括模型转换器、DNN引擎以及层实现等。模型转换器将各种网络模型格式转换为DNN模块的内部表示，DNN引擎负责内部网络的组织和优化，层实现指各种层运算的实现过程。
第四层：加速层，包括CPU加速、GPU加速、Halide加速和Intel推理引擎加速。CPU加速用到了SSE和AVX指令以及大量的多线程元语，而OpenCL加速是针对GPU进行并行运算的加速。Halide是一个实验性的实现，并且性能一般。Intel推理引擎加速需要安装OpenVINO库，它可以实现在CPU、GPU和VPU上的加速，在GPU上内部会调用clDNN库来做GPU上的加速，在CPU上内部会调用MKL-DNN来做CPU加速，而Movidius主要是在VPU上使用的专用库来进行加速。
除了上述的加速方法外，DNN模块还有网络层面的优化。这种优化优化分两类，一类是层融合，还有一类是内存复用。

层融合

层融合通过对网络结构的分析，把多个层合并到一起，从而降低网络复杂度和减少运算量。

 

如上图所示，卷积层后面的BatchNorm层、Scale层和RelU层都被合并到了卷积层当中。这样一来，四个层运算最终变成了一个层运算。

 

 如上图所示，网络结构将卷积层1和Eltwise Layer和RelU Layer合并成一个卷积层，将卷积层2作为第一个卷积层新增的一个输入。这样一来，原先的四个网络层变成了两个网络层运算。

 

 如上图所示，原始的网络结构把三个层的输出通过连接层连接之后输入到后续层，这种情况可以把中间的连接层直接去掉，将三个网络层输出直接接到第四层的输入上面，这种网络结构多出现SSD类型的网络架构当中。

内存复用
深度神经网络运算过程当中会占用非常大量的内存资源，一部分是用来存储权重值，另一部分是用来存储中间层的运算结果。我们考虑到网络运算是一层一层按顺序进行的，因此后面的层可以复用前面的层分配的内存。
下图是一个没有经过优化的内存重用的运行时的存储结构，红色块代表的是分配出来的内存，绿色块代表的是一个引用内存，蓝色箭头代表的是引用方向。数据流是自下而上流动的，层的计算顺序也是自下而上进行运算。每一层都会分配自己的输出内存，这个输出被后续层引用为输入。

 

对内存复用也有两种方法：

第一种内存复用的方法是输入内存复用。

 

 如上图所示，如果我们的层运算是一个in-place模式，那么我们无须为输出分配内存，直接把输出结果写到输入的内存当中即可。in-place模式指的是运算结果可以直接写回到输入而不影响其他位置的运算，如每个像素点做一次Scale的运算。类似于in-place模式的情况，就可以使用输入内存复用的方式。

第二种内存复用的方法是后续层复用前面层的输出。

 

 如上图所示，在这个例子中，Layer3在运算时，Layer1和Layer2已经完成了运算。此时，Layer1的输出内存已经空闲下来，因此，Layer3不需要再分配自己的内存，直接引用Layer1的输出内存即可。由于深度神经网络的层数可以非常多，这种复用情景会大量的出现，使用这种复用方式之后，网络运算的内存占用量会下降30%~70%。

2.常用方法简介
DNN模块有很多可直接调用的Python API接口，现将其介绍如下：

2.1.dnn.blobFromImage
作用：根据输入图像，创建维度N（图片的个数），通道数C，高H和宽W次序的blobs

原型：

blobFromImage(image, 
                  scalefactor=None, 
                  size=None, 
                  mean=None, 
                  swapRB=None, 
                  crop=None, 
                  ddepth=None):
参数：

image:cv2.imread 读取的图片数据

scalefactor: 缩放像素值，如 [0, 255] - [0, 1]

size: 输出blob(图像)的尺寸，如 (netInWidth, netInHeight)
mean: 从各通道减均值. 如果输入 image 为 BGR 次序，且swapRB=True，则通道次序为 (mean-R, mean-G, mean-B).
swapRB: 交换 3 通道图片的第一个和最后一个通道，如 BGR - RGB
crop: 图像尺寸 resize 后是否裁剪. 如果crop=True，则，输入图片的尺寸调整resize后，一个边对应与 size 的一个维度，而另一个边的值大于等于 size 的另一个维度；然后从 resize 后的图片中心进行 crop. 如果crop=False，则无需 crop，只需保持图片的长宽比
ddepth: 输出 blob 的 Depth. 可选: CV_32F 或 CV_8U
示例：

import cv2
from cv2 import dnn
import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt
 
img_cv2 = cv2.imread("test.jpeg")
print("原图像大小: ", img_cv2.shape)
 
inWidth = 256
inHeight = 256
outBlob1 = cv2.dnn.blobFromImage(img_cv2,
                                scalefactor=1.0 / 255,
                                size=(inWidth, inHeight),
                                mean=(0, 0, 0),
                                swapRB=False,
                                crop=False)
print("未裁剪输出: ", outBlob1.shape)
outimg1 = np.transpose(outBlob1[0], (1, 2, 0))
 
outBlob2 = cv2.dnn.blobFromImage(img_cv2,
                                scalefactor=1.0 / 255,
                                size=(inWidth, inHeight),
                                mean=(0, 0, 0),
                                swapRB=False,
                                crop=True)
print("裁剪输出: ", outBlob2.shape)
outimg2 = np.transpose(outBlob2[0], (1, 2, 0))
 
plt.figure(figsize=[10, 10])
plt.subplot(1, 3, 1)
plt.title('输入图像', fontsize=16)
plt.imshow(cv2.cvtColor(img_cv2, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.axis("off")
plt.subplot(1, 3, 2)
plt.title('输出图像 - 未裁剪', fontsize=16)
plt.imshow(cv2.cvtColor(outimg1, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.axis("off")
plt.subplot(1, 3, 3)
plt.title('输出图像 - 裁剪', fontsize=16)
plt.imshow(cv2.cvtColor(outimg2, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.axis("off")
plt.show()

输出结果为：

 

 另外一个API与上述API类似，是进行批量图片处理的，其原型如下所示：

blobFromImages(images, 
                   scalefactor=None, 
                   size=None, mean=None, 
                   swapRB=None, 
                   crop=None, 
                   ddepth=None):
作用：批量处理图片，创建4维的blob，其它参数类似于 dnn.blobFromImage。

2.2.dnn.NMSBoxes
作用：根据给定的检测boxes和对应的scores进行NMS（非极大值抑制）处理

原型：

NMSBoxes(bboxes, 
             scores, 
             score_threshold, 
             nms_threshold, 
             eta=None, 
             top_k=None
        )
参数：

boxes: 待处理的边界框 bounding boxes
scores: 对于于待处理边界框的 scores
score_threshold: 用于过滤 boxes 的 score 阈值
nms_threshold: NMS 用到的阈值
indices: NMS 处理后所保留的边界框的索引值
eta: 自适应阈值公式中的相关系数： 

 

top_k: 如果 top_k>0，则保留最多 top_k 个边界框索引值.
2.3. dnn.readNet
作用：加载深度学习网络及其模型参数

原型：

readNet(model, config=None, framework=None)
参数：

model: 训练的权重参数的模型二值文件，支持的格式有：*.caffemodel(Caffe)、*.pb(TensorFlow)、*.t7 或 *.net(Torch)、 *.weights(Darknet)、*.bin(DLDT).
config: 包含网络配置的文本文件，支持的格式有：*.prototxt (Caffe)、*.pbtxt (TensorFlow)、*.cfg (Darknet)、*.xml (DLDT).
framework: 所支持格式的框架名
该函数自动检测训练模型所采用的深度框架，然后调用 readNetFromCaffe、readNetFromTensorflow、readNetFromTorch 或 readNetFromDarknet 中的某个函数完成深度学习网络模型及模型参数的加载。

下面我们看下对应于特定框架的API：

Caffe
readNetFromCaffe(prototxt, caffeModel=None)
作用：加载采用Caffe的配置网络和训练的权重参数
Darknet

readNetFromDarknet(cfgFile, darknetModel=None)
作用：加载采用Darknet的配置网络和训练的权重参数

Tensorflow

readNetFromTensorflow(model, config=None)
作用：加载采用Tensorflow 的配置网络和训练的权重参数

参数：

model: .pb 文件
config: .pbtxt 文件
Torch

readNetFromTorch(model, isBinary=None)
作用：加载采用 Torch 的配置网络和训练的权重参数

参数：

model: 采用 torch.save()函数保存的文件
ONNX

readNetFromONNX(onnxFile)
作用：加载 .onnx 模型网络配置参数和权重参数

总结

DNN模块是OPenCV中的深度学习模块

优势：轻量型，方便，通用性

架构：语言绑定层，API层，实现层，加速层

加速方法：层融合、内存复用

常用API

dnn.blobfromImage

利用图片创建输入到模型中的blobs

dnn.NMSBoxes

根据boxes和scores进行非极大值抑制

dnn.readNet

加载网络模型和训练好的权重参数
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