iOS CreateML的使用

CreateML 使用#

背景#

业务需求，想要通过拍照识别照片中指定物体的数量或者物体的种类。而这种物体的模型网上没有训练好的，需要从头开始。所以调研了苹果的 createML 的实现方案，具体操作如下：

需求是：通过拍照识别照片中指定物体的数量，实现方案大致有几种：

通过第三方平台，训练数据，生成模型，提供前端使用
自己搭建平台，训练数据，生成模型，提供前端使用
通过苹果的 CreateML 工具，训练数据，生成模型，供 iOS 使用或转换成其他模型使用

对比可以发现，通过苹果的 CreateML 工具，可以省去搭建平台的过程。下面来看看怎么使用 CreateML。

使用 CreateML 的整体流程是：

有大量的样本
标注所有的样本
用这些样本训练生成模型
验证模型的识别率
测试模型效果
导出模型供使用

需求是通过拍照识别照片中指定物体的数量，所以对我来说样本就是照片，下面就来看下怎么生成 CreateML 训练需求的标注信息。

使用#

样本照片标注#

首先要有大量的样本照片，这里由于是调研测试，所以选取 20 张照片，照片来源是百度图片。。。麻烦的是照片标注，由于苹果 CreateML 训练需要指定格式的JSON文件，格式如下：


[
    {
        "image": "图片名字.jpg",
        "annotations": [
            {
                "label": "标签名字",
                "coordinates": {
                    "x": 133,
                    "y": 240.5,
                    "width": 113.5,
                    "height": 185
                }
            }
        ]
    }
 ]

所以找一个能直接导出Create ML支持的JSON格式的标注工具尤其重要。这里参考Object Detection with Create ML: images and dataset使用roboflow来进行标注，具体使用如下：

roboflow登陆后，会有引导步骤，建立 workSpace，workSpace 下新建项目，也可以邀请用户加入到同一个 workSpace，界面如下：

点击Create Project，需要输入项目的名字，选择项目的License，选择项目的功能，输入要标记的物体的名字，界面如下：

然后导入照片，比如去网上下载十几张钢管的照片，训练识别钢管（通常应该是很多很多照片，样本越多，训练出的模型就越准确这里只用于演示流程，所以选取的照片不多）；注意照片上传完成后，不要点击右上角的Finish Uploading，因为此时还没有标注，注意All Images(18)，Annotated(0)，说明没有一张标注的。

双击任意一张照片，即可进入标注页面，

在标注页面，要先选择最右侧标注工具，默认是长方形框框标注；
然后选择标注的范围，注意的是使用曲线标注时，起始和结束的两个点要闭合；
然后在弹出的 Annotation Editor 框中，输入要标记的 label，然后点击保存；
如果有多个标记，则重复上面的过程；
所有标记都完成后，点击左侧的返回即可；

所有照片都标记好之后，点击 Finish Uploading，会弹出如下提示框，选择如何分配照片给Train、Valid和Test，默认是所有照片都用于Train，如下：

点击 Continue，进入下一步。可以看到步骤 1 和 2 都已完成，如果想要编辑上面两个步骤，也可以移动鼠标到对应模块的右半边，会出现编辑按钮；目前所在步骤 3，Auto-Orient意思是Discard EXIF rotations and standardize pixel ordering.，如果不需要可以删除这步；Resize是把照片重新调整大小。也可以添加Preprosession Step。这个步骤的预处理的目的是用于节省最终训练时间。

点击 Continue，进入步骤 4，这个步骤的目的是通过生成训练集中每个图像的增强版本，为模型创建新的训练示例以进行学习。如果不需要，可以直接点击 Continue，进入下一步。

最后一步，就是生成结果，点击 Generate，然后等待结果出现。结果如下：

从上图可以看到，所有标注的照片、Train和Validation和Test的数量，Start Training按钮是网站提供的在线训练功能，这里用不到；需要的是导出 CreateML 类型的标注信息，所以点击Export，在弹出的弹窗中选择要导出的格式，这个网站最好用的就是导出支持的格式很多，这里选择CreateML，然后选中download zip to computer，点击 Continue。

在 finder 中找到下载的xxx.createml.zip，解压，查看文件夹，内容如下，可以看到Train、Valid、Test都已分类好，查看Train文件夹下_annotations.createml.json，可以看到格式和CreateML需要的一致，可以直接使用。

CreateML 使用#

选择 Xcode -> Open Developer Tool -> Create ML，打开 CreateML 工具，如下：

然后进入选择项目界面，如果已有 CreateML 项目，则选择打开；没有则选择要保存的文件夹，然后点击左下角的New Document进入创建页面，创建页面如下：

根据需要，选择要创建的模板，这里选择Object Detection，然后输入项目名字和描述，如下：

这里歪个楼，看到Text Classification和Word Tagging，想起来商店里的短信过滤 APP，可能就是用大量的垃圾短信，然后通过 CreateML 训练出模型，再导入到项目中，在项目中继续用 Core ML 来不断更新这个模型，从而针对每个人做到识别效果更好。

点击下一步，进入主界面，如下图所示，可以看到有以下几部分：

上方中间的Setting、Traning、Evaluation、Preview、Output代表 CreateML 的几个步骤，可以切换查看，目前后面个步骤都是空的，因为还没有训练的结果。
上方左侧的Train按钮是在中间部分TrainingData选择导入数据后，开始训练。
Data 部分分别可以用刚刚下载的文件夹中的内容，但是首先要导入Train的文件，并且等训练结果出来后，可以继续后面的步骤。
Parameters 部分
- Algorithm 是选择算法，默认的FullNetworking是基于 YOLOv2 的，可以选择TransferLearning，TransferLearning与样本数量相关，训练出的模型也更小。至于什么是 YOLOv2，可以参考这篇文章A Gentle Introduction to Object Recognition With Deep Learning，看完会对深度学习的几种算法有大致的理解
- Iterations训练的迭代次数，并不是越大越好，也不能太小。
- Batch Size，每次迭代训练的数据大小，值越大占用的内存越大。参考What is batch size in neural network?
- Grid Size，参考gridsize，YOLO 算法中分割图片为多少块。

这里设置 Iterations 为 100，其余采用默认设置，然后点击Train，会进入Training的步骤，最终结果如下：

然后选择Testing Data，由于下载的标注中Test只有两条数据，所以可以接着用Train来作为Testing Data的数据，点击Test，然后等待结果出现，如下：

这个页面上的I/U 50%和Varied I/U的意义可参考CreateML object detection evaluation

I/U means "Intersection over Union". It is a very simple metric which tells you how good the model is at predicting a bounding box of an object. You can read more about I/U in the "Intersection over Union (IoU) for object detection" article at PyImageSearch.
So:
I/U 50% means how many observations have their I/U score over 50%
Varied I/U is an average I/U score for a data set

也可以通过 Preview 更直观的查看识别效果，如下，点击添加文件，选择所有钢管照片

然后一张张查看，就可以看到每张能不能识别出

最后，切到 Output，点击 Get，导出模型xxx.mlmodel，如下：

训练出的模型 mlmodel 的使用#

新建一个项目，把训练出的模型导入到项目中，如下：

然后导入Vision库，加载一张照片，然后生成VNImageRequestHandler，用生成的 handler 去识别，代码如下：


class PipeImageDetectorVC: UIViewController {


    // MARK: - properties
    fileprivate var coreMLRequest: VNCoreMLRequest?
    fileprivate var drawingBoxesView: DrawingBoxesView?
    fileprivate var displayImageView: UIImageView = UIImageView()
    fileprivate var randomLoadBtn: UIButton = UIButton(type: .custom)
    
    // MARK: - view life cycle
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        // Do any additional setup after loading the view.
        setupDisplayImageView()
        setupCoreMLRequest()
        setupBoxesView()
        setupRandomLoadBtn()
    }
    
    override func viewWillAppear(_ animated: Bool) {
        super.viewWillAppear(animated)
    }
    
    // MARK: - init
    fileprivate func setupDisplayImageView() {
        view.addSubview(displayImageView)
        displayImageView.contentMode = .scaleAspectFit
        displayImageView.snp.makeConstraints { make in
            make.center.equalTo(view.snp.center)
        }
    }
    
    fileprivate func setupCoreMLRequest() {
        guard let model = try? PipeObjectDetector(configuration: MLModelConfiguration()).model,
              let visionModel = try? VNCoreMLModel(for: model) else {
            return
        }
        
        coreMLRequest = VNCoreMLRequest(model: visionModel, completionHandler: { [weak self] (request, error) in
            self?.handleVMRequestDidComplete(request, error: error)
        })
        coreMLRequest?.imageCropAndScaleOption = .centerCrop
    }
    
    fileprivate func setupBoxesView() {
        let drawingBoxesView = DrawingBoxesView()
        drawingBoxesView.frame = displayImageView.frame
        displayImageView.addSubview(drawingBoxesView)
        drawingBoxesView.snp.makeConstraints { make in
            make.edges.equalToSuperview()
        }
        
        self.drawingBoxesView = drawingBoxesView
    }
    
    fileprivate func setupRandomLoadBtn() {
        randomLoadBtn.setTitle("随机加载一张图片", for: .normal)
        randomLoadBtn.setTitleColor(UIColor.blue, for: .normal)
        view.addSubview(randomLoadBtn)
        let screenW = UIScreen.main.bounds.width
        let screeH = UIScreen.main.bounds.height
        let btnH = 52.0
        let btnW = 200.0
        randomLoadBtn.frame = CGRect(x: (screenW - btnW) / 2.0, y: screeH - btnH - 10.0, width: btnW, height: btnH)
        
        randomLoadBtn.addTarget(self, action: #selector(handleRandomLoad), for: .touchUpInside)
    }
    
    // MARK: - utils
    
    
    // MARK: - action
    fileprivate func handleVMRequestDidComplete(_ request: VNRequest, error: Error?) {
        let results = request.results as? [VNRecognizedObjectObservation]
        DispatchQueue.main.async {
            if let prediction = results?.first {
                self.drawingBoxesView?.drawBox(with: [prediction])
            } else {
                self.drawingBoxesView?.removeBox()
            }
        }
    }
    
    @objc fileprivate func handleRandomLoad() {
        let imageName = randomImageName()
        if let image = UIImage(named: imageName),
            let cgImage = image.cgImage,
            let request = coreMLRequest {
            displayImageView.image = image
            let handler = VNImageRequestHandler(cgImage: cgImage)
            try? handler.perform([request])
        }
    }
    
    // MARK: - other
    fileprivate func randomImageName() -> String {
        let maxNum: UInt32 = 18
        let minNum: UInt32 = 1
        let randomNum = arc4random_uniform(maxNum - minNum) + minNum
        let imageName = "images-\(randomNum).jpeg"
        return imageName
    }
}

最终效果如下，完整代码已放在 Github: CreateMLDemo

总结#

本篇介绍了CreateML的整体流程，从模型标注，到训练生成模型，再到使用模型，希望大家能对CreateML有大致的了解。后面再来研究下，已导入项目中的模型，能否更新，如何更新？以及尝试做自己的短信过滤 APP。

CreateML 使用#

背景#

使用#

样本照片标注#

CreateML 使用#

训练出的模型 mlmodel 的使用#

总结#

参考#