图像分类应用样例开发介绍（Python）

样例介绍

本文以MindX SDK来开发一个简单的图像分类应用，图像分类模型推理流程如图1 分类模型推理流程图所示。

图1 分类模型推理流程图

本例中使用的是Caffe框架的ResNet-50模型。可以直接使用训练好的开源模型，也可以基于开源模型的源码进行修改、重新训练，还可以基于算法、框架构建适合的模型。

模型的输入数据与输出数据格式：

• 输入数据：RGB格式、224*224分辨率的输入图片。
• 输出数据：图片的类别标签及其对应置信度。

获取代码

1. 获取代码文件。

   单击获取链接或使用wget命令，下载代码文件压缩包，以root用户登录开发者套件。

   wget https://ascend-repo.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/Atlas%20200I%20DK%20A2/DevKit/models/sdk_cal_samples/resnet50_sdk_python_sample.zip

2. 将“resnet50_sdk_python_sample.zip”压缩包上传到开发者套件，解压并进入解压后的目录。

   unzip resnet50_sdk_python_sample.zip
   cd resnet50_sdk_python_sample

   代码目录结构如下所示，按照正常开发流程，需要将框架模型文件转换成昇腾AI处理器支持推理的om格式模型文件，鉴于当前是入门内容，用户可直接获取已转换好的om模型进行推理。

   resnet50_sdk_python_sample
   ├── data
   │ ├── test.jpg               # 测试图片
   ├── model
   │ ├── resnet50.om            # ResNet-50网络的om模型
   ├── utils
   │ ├── resnet50.cfg           # 用于后处理的配置文件，包含类别数量和是否包含softmax操作，具体可打开文件查看
   │ ├── resnet50_clsidx_to_labels.names          # 类别标签文件
   ├── main.py                   # 运行程序的脚本

3. 准备用于推理的图片数据。

   如2所示文件结构，内置测试图片为“test.jpg”，用户也可从imagenet数据集中获取其它图片。

代码解析

开发代码过程中，在“resnet50_sdk_python_sample/main.py”文件中已包含读入数据、前处理、推理、后处理等功能，串联整个应用代码逻辑，此处仅对代码进行解析。

1. 在“main.py”文件的开头有如下代码，用于导入需要的第三方库以及MindX SDK推理所需文件。

   import numpy as np  # 用于对多维数组进行计算
   import cv2  # 图片处理三方库，用于对图片进行前后处理
   
   from mindx.sdk import Tensor  # mxVision 中的 Tensor 数据结构
   from mindx.sdk import base  # mxVision 推理接口
   from mindx.sdk.base import post  # post.Resnet50PostProcess 为 resnet50 后处理接口

2. 初始化资源和模型相关变量，如图片路径、模型路径、配置文件路径、标签路径等。

   '''初始化资源和变量'''
   base.mx_init()  # 初始化 mxVision 资源
   pic_path = 'data/test.jpg'  # 单张图片
   model_path = "model/resnet50.om"  # 模型路径
   device_id = 0  # 指定运算的Device
   config_path='utils/resnet50.cfg'  # 后处理配置文件
   label_path='utils/resnet50_clsidx_to_labels.names'  # 类别标签文件
   img_size = 256

3. 对输入数据进行前处理。先使用opencv读入图片，得到三维数组，再进行相应的图片裁剪、缩放、转换颜色空间等处理，并将其转化为MindX SDK推理所需要的数据格式（Tensor类型）。

   '''前处理'''
   img_bgr = cv2.imread(pic_path)
   img_rgb = img_bgr[:,:,::-1]
   img = cv2.resize(img_rgb, (img_size, img_size))  # 缩放到目标大小
   hw_off = (img_size - 224) // 2  # 对图片进行切分，取中间区域
   crop_img = img[hw_off:img_size - hw_off, hw_off:img_size - hw_off, :]
   img = crop_img.astype("float32")  # 转为 float32 数据类型
   img[:, :, 0] -= 104  # 常数 104,117,123 用于将图像转换到Caffe模型需要的颜色空间
   img[:, :, 1] -= 117
   img[:, :, 2] -= 123
   img = np.expand_dims(img, axis=0)  # 扩展第一维度，适应模型输入
   img = img.transpose([0, 3, 1, 2])  # 将 (batch,height,width,channels) 转为 (batch,channels,height,width)
   img = np.ascontiguousarray(img)  # 将内存连续排列
   img = Tensor(img) # 将numpy转为转为Tensor类

4. 使用MindX SDK接口进行模型推理，得到模型输出结果。

   '''模型推理'''
   model = base.model(modelPath=model_path, deviceId=device_id)  # 初始化 base.model 类
   output = model.infer([img])[0]  # 执行推理。输入数据类型：List[base.Tensor]， 返回模型推理输出的 List[base.Tensor]

5. 对模型输出进行后处理。利用MindX SDK所带的后处理插件，可直接得到预测类别及其置信度，并将其画在原图上。

   '''后处理'''
   postprocessor = post.Resnet50PostProcess(config_path=config_path, label_path=label_path)  # 获取后处理对象
   pred = postprocessor.process([output])[0][0]  # 利用SDK接口进行后处理，pred：<ClassInfo classId=... confidence=... className=...>
   confidence = pred.confidence  # 获取类别置信度
   className = pred.className  # 获取类别名称
   print('{}: {}'.format(className, confidence))  # 打印出结果  
   
   '''保存推理图片'''
   img_res = cv2.putText(img_bgr, f'{className}: {confidence:.2f}', (20, 20), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (255, 255, 255), 1)  # 将预测的类别与置信度添加到图片
   cv2.imwrite('result.png', img_res)
   print('save infer result success')

运行推理

1. 配置环境变量。

   source /usr/local/Ascend/mxVision/set_env.sh

2. 运行主程序。

   python main.py

   命令行输出如下，表明运行成功。

   Standard Poodle: 0.98583984375
   save infer result success

   推理完成后，在当前文件夹下生成“result.png”文件，如图2所示：

   图2 result.png文件
   

样例总结与扩展

以上代码包括以下几个步骤：

1. 前处理：对图片进行 缩放、裁剪、转换颜色空间、转换维度、连续排列内存、转为base.Tensor操作。

2. 推理：利用Model或者base.model初始化模型，并用infer进行推理。

3. 后处理：利用MindX SDK的后处理接口直接得到预测结果，提取结果后，将其打印到终端，顺便保存到图片。

MindX SDK接口分类总结：

理解各个接口含义后，用户可进行灵活运用。除此外，此样例中只示范了图片推理，若需要对视频流数据进行推理，可用两种方式输入视频流数据：USB摄像头、手机摄像头。具体使用方式可参考《摄像头拉流》，用户只需将前处理、推理及后处理代码放入摄像头推理代码的循环中即可，注意修改的逻辑如下：

• 引入三方库部分，加入import cv2。在初始化变量后，加入了USB摄像头读写相关代码，并在将图片前处理、推理、后处理相关代码放入了try...except...结构中。除此外，还相应的修改了数据前处理和后处理代码。
• 对于前处理，原来代码是利用opencv从路径中读入图片数据，而此处是直接从摄像头中获取图像帧，两者获取的数据都为bgr格式，所以前处理步骤相同。
• 对于后处理，代码也保持不变。

下面以USB摄像头为例，运行代码后，可在主目录保存结果视频“video_result.mp4”。其他摄像头使用方式可按相应逻辑修改：

import numpy as np  # 用于对多维数组进行计算
import cv2

from mindx.sdk import Tensor  # mxVision 中的 Tensor 数据结构
from mindx.sdk import base  # mxVision 推理接口
from mindx.sdk.base import post  # post.Resnet50PostProcess 为 resnet50 后处理接口


'''初始化变量'''
base.mx_init()  # 初始化 mxVision 资源
pic_path = 'data/test.jpg'  # 单张图片
model_path = "model/resnet50.om"  # 模型路径
device_id = 0  # 指定运算的Device
config_path='utils/resnet50.cfg'  # 后处理配置文件
label_path='utils/resnet50_clsidx_to_labels.names'  # 类别标签文件


# 打开摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)  # 打开摄像头

# 获取保存视频相关变量
fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS) 
fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'mp4v')
outfile = 'video_result.mp4'
video_width = int(cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
video_height = int(cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))
writer = cv2.VideoWriter(outfile, fourcc, fps, (video_width, video_height))

try:
    while(cap.isOpened()):  # 在摄像头打开的情况下循环执行
        ret, frame = cap.read()  # 此处 frame 为 bgr 格式图片

        '''前处理'''
        img_size = 256
        img_rgb = frame[:,:,::-1]  # bgr to rgb
        img = cv2.resize(img_rgb, (img_size, img_size))  # 缩放到目标大小
        hw_off = (img_size - 224) // 2  # 对图片进行切分，取中间区域
        crop_img = img[hw_off:img_size - hw_off, hw_off:img_size - hw_off, :]
        img = crop_img.astype("float32")  # 转为 float32 数据类型
        img[:, :, 0] -= 104  # 常数 104,117,123 用于将图像转换到Caffe模型需要的颜色空间
        img[:, :, 1] -= 117
        img[:, :, 2] -= 123
        img = np.expand_dims(img, axis=0)  # 扩展第一维度，适应模型输入
        img = img.transpose([0, 3, 1, 2])  # 将 (batch,height,width,channels) 转为 (batch,channels,height,width)
        img = np.ascontiguousarray(img)  # 将内存连续排列
        img = Tensor(img) # 将numpy转为转为Tensor类

        '''模型推理'''
        model = base.model(modelPath=model_path, deviceId=device_id)  # 初始化 base.model 类
        output = model.infer([img])[0]  # 执行推理。输入数据类型：List[base.Tensor]， 返回模型推理输出的 List[base.Tensor]

        '''后处理'''
        postprocessor = post.Resnet50PostProcess(config_path=config_path, label_path=label_path)  # 获取后处理对象
        pred = postprocessor.process([output])[0][0]  # 利用sdk接口进行后处理，pred：<ClassInfo classId=267 confidence=0.935546875 className=Standard Poodle>
        confidence = pred.confidence  # 获取类别置信度
        className = pred.className  # 获取类别名称

        '''保存推理帧到结果视频'''
        print('{}: {}'.format(className, confidence))  # 打印出结果
        img_res = cv2.putText(frame, f'{className}: {confidence:.2f}', (20, 20), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255, 255, 255), 1)
        writer.write(img_res)  # 将推理结果写入视频

except KeyboardInterrupt:
    cap.release()
    writer.release()
    print('save infer result success')
finally:
    cap.release()
    writer.release()
    print('save infer result success')