Rozpoznawanie kwiatów za pomocą TensorFlow Lite na Androidzie

1. Wprowadzenie

Uwaga: w tym module używamy biblioteki TensorFlow Lite. Zalecamy, aby cały nowy kod korzystał z narzędzi biblioteki Google AI Edge LiteRT.

Uwaga: to ćwiczenie wymaga urządzenia fizycznego do testowania.

TensorFlow to wielofunkcyjna platforma do uczenia maszynowego. TensorFlow można używać w różnych sytuacjach – od trenowania ogromnych modeli w klastrach w chmurze po uruchamianie modeli lokalnie w systemie wbudowanym, takim jak telefon.

W tych ćwiczeniach z programowania użyjemy TensorFlow Lite do uruchomienia modelu rozpoznawania obrazów na urządzeniu z Androidem.

Instalowanie Androida Studio w wersji 4.1 lub nowszej

Jeśli nie masz jeszcze zainstalowanego środowiska Android Studio, pobierz i zainstaluj Androida Studio w wersji 4.1 lub nowszej podczas trenowania modelu TensorFlow Lite.

Czego się nauczysz

• Jak wytrenować własny niestandardowy klasyfikator obrazów za pomocą TensorFlow Lite Model Maker.
• Jak używać Androida Studio do importowania modelu TensorFlow Lite w celu zintegrowania modelu niestandardowego z aplikacją na Androida za pomocą CameraX.
• Jak używać GPU na telefonie do przyspieszania działania modelu.

Co utworzysz

Prosta aplikacja do obsługi aparatu, która uruchamia program do rozpoznawania obrazów TensorFlow, aby identyfikować kwiaty.

Licencja: bezpłatna

2. Trenowanie rozpoznawania kwiatów za pomocą Colab

Zanim rozpoczniesz trenowanie modelu, pobierz i zainstaluj Androida Studio w wersji 4.1 lub nowszej.

Otwórz Colab, w którym pokazujemy, jak wytrenować klasyfikator za pomocą Keras do rozpoznawania kwiatów przy użyciu uczenia przez przeniesienie w TensorFlow Lite.

Pamiętaj, aby:

1. pobrano wytrenowany model (model.tflite);
2. zmieniłem nazwę pliku FlowerModel.tflite

przed kontynuowaniem.

Niektóre przeglądarki blokują pobieranie:

Może być konieczne przyznanie Colab uprawnień do pobierania plików:

3. Konfigurowanie katalogu roboczego

Klonowanie repozytorium Git

To polecenie sklonuje repozytorium Git zawierające pliki wymagane w tym ćwiczeniu:

git clone https://github.com/hoitab/TFLClassify.git

Następnie przejdź do katalogu, do którego sklonowano repozytorium. W tym miejscu będziesz pracować przez resztę tego ćwiczenia:

cd TFLClassify

4. Konfigurowanie szkieletowej aplikacji na Androida

Instalowanie Androida Studio w wersji 4.1 lub nowszej

Jeśli nie masz jeszcze zainstalowanego środowiska, zainstaluj Androida Studio w wersji 4.1 lub nowszej.

Otwieranie projektu w Android Studio

Aby otworzyć projekt w Android Studio, wykonaj te czynności:

1. Otwórz Android Studio . Po wczytaniu w tym wyskakującym okienku wybierz „Otwórz istniejący projekt”:

2. W selektorze plików wybierz TFLClassify/build.gradle z katalogu roboczego.

Projekt zawiera 2 moduły: start i finish. Jeśli utkniesz, skorzystaj z modułu finish, aby uzyskać wskazówkę.

3. Gdy otworzysz projekt po raz pierwszy, pojawi się wyskakujące okienko „Gradle Sync” z pytaniem o użycie narzędzia Gradle Wrapper. Kliknij przycisk „OK”.

4. Włącz tryb programisty i debugowanie USB na telefonie, jeśli nie zostały jeszcze włączone. Jest to jednorazowa konfiguracja. Postępuj zgodnie z tą instrukcją.
5. Gdy projekt i telefon będą gotowe, możesz uruchomić go na prawdziwym urządzeniu, klikając TFL_Classify.start i przycisk uruchamiania  na pasku narzędzi:

6. Teraz zezwól wersji demonstracyjnej TensorFlow na dostęp do kamery:

7. Na telefonie zobaczysz ten ekran z losowymi liczbami zamiast rzeczywistych wyników.

5. Dodawanie TensorFlow Lite do aplikacji na Androida

1. W eksploratorze projektu po lewej stronie wybierz moduł start:

2. Kliknij prawym przyciskiem myszy moduł start lub kliknij File, a następnie New > Other > TensorFlow Lite Model.

3. Wybierz lokalizację modelu, w której wcześniej pobrano wytrenowany niestandardowo model FlowerModel.tflite.

Narzędzia skonfigurują zależność modułu w Twoim imieniu za pomocą powiązania modelu ML, a wszystkie zależności zostaną automatycznie wstawione do pliku build.gradle modułu Androida.

4. Kliknij Finish.
5. Na końcu zobaczysz te informacje. Plik FlowerModel.tflite został zaimportowany. Wyświetlają się informacje ogólne o modelu, w tym dane wejściowe i wyjściowe, a także przykładowy kod, który pomoże Ci zacząć.

6. Opcjonalnie: sprawdzanie całej listy zadań

Lista zadań ułatwia przejście do dokładnej lokalizacji, w której musisz zaktualizować codelab. Możesz też użyć go w projekcie aplikacji na Androida, aby przypomnieć sobie o przyszłych zadaniach. Możesz dodawać elementy do zrobienia za pomocą komentarzy do kodu i wpisywać słowo kluczowe TODO. Aby uzyskać dostęp do listy zadań do wykonania:

1. Aby dowiedzieć się, co zamierzamy zrobić, sprawdź listę zadań. Aby to zrobić, na pasku menu u góry kliknij View > Tool Windows > TODO.

2. Domyślnie wyświetla wszystkie zadania we wszystkich modułach, co może być nieco mylące. Możemy posortować tylko początkowe zadania do wykonania, klikając przycisk grupowania z boku panelu zadań do wykonania i wybierając Modules.

3. Rozwiń wszystkie elementy w modułach początkowych:

7. Uruchamianie modelu niestandardowego za pomocą TensorFlow Lite

1. Na liście zadań do wykonania kliknij TODO 1 lub otwórz plik MainActivity.kt i znajdź TODO 1. Zainicjuj model, dodając ten wiersz:

private class ImageAnalyzer(ctx: Context, private val listener: RecognitionListener) :
        ImageAnalysis.Analyzer {

  ...
  // TODO 1: Add class variable TensorFlow Lite Model
  private val flowerModel = FlowerModel.newInstance(ctx)

  ...
}

2. W metodzie analizy w analizatorze CameraX musimy przekonwertować dane wejściowe z kamery ImageProxy na Bitmap i utworzyć obiekt TensorImage na potrzeby procesu wnioskowania.

Pamiętaj, że obecne narzędzia wymagają, aby dane wejściowe obrazu były w formacie Bitmap.

• Oznacza to, że jeśli dane wejściowe są plikiem, a nie ImageProxy, możesz przekazać je bezpośrednio do metody fromBitmap jako obiekt Bitmap.
• Jeśli chcesz dowiedzieć się, jak ImageProxy jest konwertowany na Bitmap, zapoznaj się z metodą toBitmap i YuvToRgbConverter. Spodziewamy się, że zapotrzebowanie na te metody będzie tymczasowe, ponieważ zespół pracuje nad obsługą ImageProxy w TensorImage.

override fun analyze(imageProxy: ImageProxy) {
  ...
  // TODO 2: Convert Image to Bitmap then to TensorImage
  val tfImage = TensorImage.fromBitmap(toBitmap(imageProxy))
  ...
}

3. Przetwórz obraz i wykonaj na wyniku te operacje:

• Posortuj wyniki malejąco według prawdopodobieństwa w atrybucie score, zaczynając od najwyższego prawdopodobieństwa.
• Wybierz k najlepszych wyników określonych przez stałą MAX_RESULT_DISPLAY. Możesz opcjonalnie zmieniać wartość tej zmiennej, aby uzyskać więcej lub mniej wyników.

override fun analyze(imageProxy: ImageProxy) {
  ...
  // TODO 3: Process the image using the trained model, sort and pick out the top results
  val outputs = flowerModel.process(tfImage)
      .probabilityAsCategoryList.apply {
          sortByDescending { it.score } // Sort with highest confidence first
      }.take(MAX_RESULT_DISPLAY) // take the top results

  ...
}

4. Przekształć posortowane i przefiltrowane wyniki w obiekty danychRecognition gotowe do wykorzystania przez RecyclerView za pomocą powiązania danych:

override fun analyze(imageProxy: ImageProxy) {
  ...
  // TODO 4: Converting the top probability items into a list of recognitions
  for (output in outputs) {
      items.add(Recognition(output.label, output.score))
  }
  ...
}

5. Zmień w komentarzu lub usuń te wiersze, które pomagają generować fałszywe wyniki widoczne wcześniej:

// START - Placeholder code at the start of the codelab. Comment this block of code out.
for (i in 0..MAX_RESULT_DISPLAY-1){
    items.add(Recognition("Fake label $i", Random.nextFloat()))
}
// END - Placeholder code at the start of the codelab. Comment this block of code out.

8. Uruchom aplikację na prawdziwym urządzeniu, klikając TFL_Classify.start, a następnie naciśnij przycisk uruchamiania  na pasku narzędzi:

9. Na telefonie zobaczysz ten ekran z losowymi liczbami zamiast rzeczywistych wyników:

8. Opcjonalnie: przyspieszanie wnioskowania za pomocą delegata GPU

TensorFlow Lite obsługuje kilka akceleratorów sprzętowych, które przyspieszają wnioskowanie na urządzeniu mobilnym. GPU to jeden z akceleratorów, które TensorFlow Lite może wykorzystywać za pomocą mechanizmu delegowania. Jest on dość łatwy w użyciu.

1. Otwórz plik build.gradle w module start lub kliknij TODO 5 na liście TODO i dodaj to zależności:

// TODO 5: Optional GPU Delegates    
implementation 'org.tensorflow:tensorflow-lite-gpu:2.3.0'

Uwaga: w tym laboratorium dodajemy import ręcznie, ale w projekcie możesz po prostu zaznaczyć drugie pole na ekranie importowania, aby dodać zależność akceleracji GPU:

2. Wróć do pliku MainActivity.kt lub kliknij TODO 6 na liście TODO. Zastąp proste inicjowanie elementu flowerModel tym kodem: pobierz instancję listy zgodności GPU i zainicjuj GPU w zależności od tego, czy jest on jednym z wymienionych zgodnych procesorów GPU. W innym przypadku uruchom 4 wątki procesora, aby uruchomić model:

private class ImageAnalyzer(ctx: Context, private val listener: RecognitionListener) :
        ImageAnalysis.Analyzer {
  ...

  // TODO 1: Add class variable TensorFlow Lite Model
  // Initializing the flowerModel by lazy so that it runs in the same thread when the process
  // method is called.
  private val flowerModel: FlowerModel by lazy{

    // TODO 6. Optional GPU acceleration
    val compatList = CompatibilityList()

    val options = if(compatList.isDelegateSupportedOnThisDevice){
        Log.d(TAG, "This device is GPU Compatible ")
        Model.Options.Builder().setDevice(Model.Device.GPU).build()
    } else {
        Log.d(TAG, "This device is GPU Incompatible ")
        Model.Options.Builder().setNumThreads(4).build()
    }

  ...
}

Uwaga: istnieje wiele obiektów Model. Wybierz obiekt org.tensorflow.lite.support.model.Model w importowanym pliku.

3. Aby zmienić inicjator modelu, dodaj options do danych wejściowych metody:

private class ImageAnalyzer(ctx: Context, private val listener: RecognitionListener) :
        ImageAnalysis.Analyzer {

  private val flowerModel: FlowerModel by lazy{

    ...

    // Initialize the Flower Model
    FlowerModel.newInstance(ctx, options)
  }
}

10. Uruchom aplikację na prawdziwym urządzeniu, klikając TFL_Classify.start, a następnie naciśnij przycisk uruchamiania  na pasku narzędzi:

Na urządzeniach mobilnych średniej i wysokiej klasy procesor graficzny jest znacznie szybszy niż procesor. Urządzenia z niższej półki mają zwykle wolniejsze procesory graficzne, więc przyspieszenie może być różne.

9. Co dalej?

Więcej informacji znajdziesz w tych artykułach:

• Wypróbuj inne modele TFLite zgodne z powiązaniem modelu ML z tfhub.dev.
• Więcej informacji o TFLite znajdziesz w dokumentacji na tensorflow.org i w repozytorium kodu.
• Wypróbuj inne wstępnie wytrenowane modele TFLite, w tym detektor słów aktywujących mowę i wersję inteligentnych odpowiedzi na urządzeniu.
• Więcej informacji o TensorFlow znajdziesz w dokumentach dla początkujących.