使用Google Teachable Machine 來實現Raspberry Pi 4 的影像分類推論

本文實現影像分類分成幾個步驟:

• 在TM網頁中蒐集資料，訓練模型，在網站中即時影像分類。
• 匯出模型及標籤檔。
• 至樹莓派官網下載最新版本的RPi4映像檔。
• 安裝模型框架Tensorflow Lite。
• 安裝OpenCV套件。
• 實現影像分類於RPi4。

了解以上步驟後，其建置RPi4環境的時間花得最久，但讀者們仍可同步進行，例如:

RPi4在燒錄SD卡或安裝套件時，又同時在TM網站蒐集資料及訓練模型。

Teachable Machine (TM)介紹

TM網站可供初學者認識AI人工智慧的神經網路應用平台，主要是以「監督式學習Supervised learning」建置而成的訓練平台。目前網站針對使用者提供三種不同的AI應用，分別是影像分類專案(Image Project)、聲音辨識專案(Audio Project) 與身體姿態辨識專案(Pose Project)，也提供了Tensorflow、Tensorflow.js與Tensorflow Lite三種訓練模型框架，可供使用者匯入如RPi4的裝置來實現邊緣運算。

每個專案都被設計成三個步驟，分別是蒐集(Gather)、訓練(Train) 與匯出(Export)。

請選擇 「Image Project」開始專案

Step1.  在TM網頁中蒐集資料，訓練模型，在網站中即時影像分類。

進入頁面後會看到幾項操作流程，a.設定標籤及蒐集資料、b.訓練集及c及時預覽功能和匯出模型。

首先在a部分，可將標籤名稱Class 1更名，接著透過電腦Webcam或Upload，從電腦或Google雲端硬碟上傳圖片，及按下「Add a class」來增加類別。本文是開啟電腦Webcam來蒐集資料。

可直接按下「Record 10 Second」，網頁便會倒數計時持續拍攝直到10秒結束，如果認為10秒的張數太少，可以按下齒輪，可以更改秒數等相關參數。初始參數有「24FPS」 (理論值為每秒鐘拍24張)、「Hold-to-record   OFF」(關閉手動拍攝)、「Delay: 2 seconds」(2秒後才開始拍攝)、「Duration: 10 second 」(拍攝10秒鐘，理論值約可拍攝240張，但實際上要取決於網頁執行效能)，本文將秒數調成25秒，可以刪掉一些拍攝失敗的照片，再者也可以使資料量豐富。

按下「Save Setting」à 「Record 25 seconds」，開始拍攝，拍攝完成可將拍得不好或模糊的圖片刪除。

本文建立了5種類別，分別是「mouse」、「nothing」、「RaspberryPi」、「PEN」、「Bruce Lee」，但有一個種類必須要建立的是「nothing」，意思是沒有照到「mouse」、「RaspberryPi」、「PEN」、「Bruce Lee」時的情形。當初筆者忘了建立「nothing」種類，當沒有照到物品時，就會一直認為「mouse」。

要分辨的影像張數盡量不要相差太遠，本文接近約莫300張左右，在「nothing」類別較多張是為了沒有照到的影像都要視為「nothing」，故照了很多「mouse」、「RaspberryPi」、「PEN」、「Bruce Lee」以外的照片。

接下來是訓練模型，按下「Train Model」即可。但要修改參數，請按下「Advanced」，預設參數有「Epochs :50」(50個訓練回合)、「Batch Size: 16」(批次大小)、「Learning Rate:0.001」(學習率)，以下分別說明。

Epochs:

訓練的回合設定，訓練回合數和時間成正比，若要針對細微變化的差異進行辨識時則要提高回合數，會助於模型辨識效能，但特別要注意的是過高的回合數可能會使模型產生「過適Overfitting」的問題，若是過低的回合數會產生「乏適Underfitting」的問題，但無論是甚麼問題都會降低模型辨識效能。

Batch Size：

適當的批次大小設定有助於模型的優化，而且可以提高訓練的速度，及減少訓練誤差。

Learning Rate：

學習率設定影響著訓練模型尋找最佳解的過程中是否會收斂或發散。若設定過大，雖會快速收斂，但也可能難以收斂產生震盪甚至發散；相對的，設定過小會導致尋找最佳解時緩慢收斂。讀者們若有興趣，可以搜尋『梯度下降法』。

在訓練過程中會跑出對話框 ，提醒使用者不要更動到標籤類別以免影響訓練。

訓練完成後即可在網頁上作及時的影像推論，影像來源除了根據攝影機之外，還可以從電腦端及Google雲端匯入照片進行物件辨識。

Step2.  匯出模型及標籤檔

按下「Export Model」後可匯出模型檔及標籤檔

請選「Tensorflow Lite」à「Quantized」à「Download my model」。「Floating point」格式建議在個人電腦的環境操作；「Quantized」格式適合在像Raspberry Pi的單板電腦操作則有最佳效能；「Edge TPU」格式則僅限於Google Coral 的系列產品，如: Google Coral USB Accelerator 或 Google Coral Dev Board 的產品上。

Step3.  至樹莓派官網下載最新版本的RPi4映像檔。

請到 https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/ 下載 「Raspbian Buster with desktop」，此版本為桌面簡易版，沒有多餘的軟體，且較不占SD卡空間。

下載至電腦後，須將檔案解壓縮，再準備一張16G的SD卡，利用Win32 Disk Imager 軟體(下載點: https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/)燒錄至SD卡中。

a部分先選擇RPi4 的映像檔;b部分選擇燒錄SD卡的磁碟位置(要小心不要選錯，以免燒錯磁區);c部分則選擇資料到「裝置」，將映像檔燒錄至SD卡內。

燒錄完成後可將SD卡插至RPi4 卡槽後，但先別急著開機，而是先將RPi4連結到螢幕再開機，否則開機後再接螢幕是沒有畫面的，最後在接上鍵盤、滑鼠即可，這樣較好設定網路。將網路和地區都設定好之後，請開啟RPi4圖示à「Preferences」à「Raspberry Pi configuration」à「Interfaces」，將所有功能開啟後重新開機，以便可用遠端軟體控制RPi4。

本文所使用的遠端連線軟體為MobaXterm (下載處: https://mobaxterm.mobatek.net/download.html) ，此軟體優點除了可以遠端連線RPi4，也可以對RPi4傳輸檔案，但RPi4必須要和MobaXterm同個網域，開啟後請按「Session」à「SSH」à在「Remote host*」輸入RPi4 IP(本文IP為192.168.12.56)，連線成功會出現「login as:」，請輸入預設帳號pi ，再來是預設輸入密碼raspberry(密碼不會顯示在畫面上)，按下Enter即可登入成功。

之後的安裝套件步驟可直接將指令複製並貼至MobaXterm中。

登入RPi4成功畫面。

Step4.  安裝模型框架Tensorflow Lite。

請到https://www.tensorflow.org/lite/guide/python  官方網站下載套件，新下載的RPi4 映像檔的版本預設為Raspbian Buster ，Python 版本為3.7版 ，所以在MobaXterm請輸入:

$ pip3 install https://dl.google.com/coral/python/tflite_runtime-2.1.0.post1-cp37-cp37m-linux_armv7l.whl 

(P.S. $指令不需要複製)

Step5.  安裝OpenCV套件。                             

• 擴展文件系統到整張SD卡

首先在MobaXterm輸入

$ sudo raspi-config

選擇"7 Advanced Options" à "A1  Expand filesystem "，重開機。

• 刪除不必要的軟體Wolfram Engine和LibreOffice，非必要做，但可以省下約1G的SD卡容量。

$ sudo apt-get purge wolfram-engine
$ sudo apt-get purge libreoffice *
$ sudo apt-get clean
$ sudo apt-get autoremove

• 更新及升級所有套件包

$ sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade

• 安裝開發者套件CMake 需要用來編譯

$ sudo apt-get install build-essential cmake pkg-config

• 安裝有關OpenCV的相依套件

$ sudo apt-get install libjpeg-dev libpng-dev libtiff-dev
$ sudo apt-get install libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev libv4l-dev
$ sudo apt-get install libxvidcore-dev libx264-dev
$ sudo apt-get install libgtk-3-dev
$ sudo apt-get install libcanberra-gtk*
$ sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran
$ sudo apt-get install python3-dev

• 下載OpenCV4.0版至RPi4 。

$ cd ~
$ wget -O opencv.zip https://github.com/opencv/opencv/archive/4.0.0.zip
$ wget -O opencv_contrib.zip https://github.com/opencv/opencv_contrib/archive/4.0.0.zip

• 並解壓縮檔案

$ unzip opencv.zip
$ unzip opencv_contrib.zip

• 建立opencv 和 opencv_contrib資料夾及將檔案放置資料夾內

$ mv opencv-4.0.0 opencv
$ mv opencv_contrib-4.0.0 opencv_contrib

• 先在opencv資料夾內建立名為build的資料夾

$ cd ~/opencv
$ mkdir build
$ cd build

• 使用CMake來設置OpenCV 4環境(從這步驟開始是最花時間)

$ cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE \
-D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local \
-D OPENCV_EXTRA_MODULES_PATH=~/opencv_contrib/modules \
-D ENABLE_NEON=ON \
-D ENABLE_VFPV3=ON \
-D BUILD_TESTS=OFF \
-D OPENCV_ENABLE_NONFREE=ON \
-D INSTALL_PYTHON_EXAMPLES=OFF \
-D BUILD_EXAMPLES=OFF 

• 調整RPi4的SWAP交換空間，來解決編譯OpenCV記憶體不足的問題。

$ sudo nano /etc/dphys-swapfile

請把 CONF_SWAPSIZE=100改成 2048

• 重新開啟SWAP服務

$ sudo /etc/init.d/dphys-swapfile stop
$ sudo /etc/init.d/dphys-swapfile start

• 開啟四核心編譯OpenCV

$ make -j4

• 安裝OpenCV

$ sudo make install
$ sudo ldconfig

• 重新調整RPi4的SWAP 交換空間

$ sudo nano /etc/dphys-swapfile       

將CONF_SWAPSIZE=2048改成 100

• 重新開啟SWAP服務

$ sudo /etc/init.d/dphys-swapfile stop
$ sudo /etc/init.d/dphys-swapfile start

Step6.  實現影像分類於RPi4

• 將Step2 下載模型及標籤檔解壓縮後透過MobaXterm傳入RPi4中

• 匯入OpenCV 檔於專案資料夾內

• 查詢OpenCV 版本，會顯示4.0.0版

$python3
>>> import cv2
>>> cv2.__version__
'4.0.0'
>>> exit()

可回到指令列

• 在RPi4實現影像分類推論!
• 在執行程式之前需要下載分類器的檔案，連結: https://reurl.cc/4R3dVL

連接上Webcam 至RPi4 USB中，本文範例是將下列指令寫入RPi4的Terminal裡執行，讀者們亦可輸入至MobaXterm。

$ python3 TM2_tflite.py --model model.tflite --labels labels.txt

則可成功開啟畫面。

• 以下是辨識結果：nothing

• 以下是辨識結果：RaspberryPi

• 以下是辨識結果：mouse

• 以下是辨識結果：Bruce Lee

所有步驟在此告一段落，希望讀者們能夠做出屬於自己專案或用於生活當中，謝謝大家!