【開源項目】特斯拉+樹莓派實現(xiàn)車牌識別檢測系統(tǒng)
來源：機(jī)器之心 |?作者：Robert Lucian Chiriac
參與：王子嘉、思、一鳴
怎樣在不換車的前提下打造一個智能車系統(tǒng)呢？一段時間以來，本文作者 Robert Lucian Chiriac 一直在思考讓車擁有探測和識別物體的能力。這個想法非常有意思，因為我們已經(jīng)見識過特斯拉的能力，雖然沒法馬上買一輛特斯拉（不得不提一下，Model 3 現(xiàn)在看起來越來越有吸引力了），但他有了一個主意，可以努力實現(xiàn)這一夢想。
所以，作者用樹莓派做到了，它放到車上可以實時檢測車牌。
在接下來的內(nèi)容里，我們將介紹項目中的每個步驟，并提供 GitHub 項目地址，其中項目地址只是客戶端工具，還其它數(shù)據(jù)集與預(yù)訓(xùn)練模型都可以在原博客結(jié)尾處找到。
項目地址：
https://github.com/RobertLucian/cortex-license-plate-reader-client
下面，讓我們看看作者 Robert Lucian Chiriac 是如何一步步打造一個好用的車載檢測識別系統(tǒng)。
放一張成品圖鎮(zhèn)樓。
第一步：確定項目范圍
開始之前，我腦海里出現(xiàn)的第一個問題是這樣一個系統(tǒng)應(yīng)該能夠做到什么。如果說我活到現(xiàn)在學(xué)到了什么，那就是循序漸進(jìn)——從小處著手永遠(yuǎn)是最好的策略。所以，除了基本的視覺任務(wù)，我需要的只是在開車時能清楚地識別車牌。這個識別過程包括兩個步驟:
檢測到車牌。
識別每個車牌邊界框內(nèi)的文本。
我覺得如果我能完成這些任務(wù)，再做其他類似的任務(wù)（如確定碰撞風(fēng)險、距離等）就會容易得多。我甚至可能可以創(chuàng)建一個向量空間來表示周圍的環(huán)境——想想都覺得酷。
在確定這些細(xì)節(jié)之前，我知道我得先做到：
一個機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以未標(biāo)記的圖像作為輸入，從而檢測到車牌；
某種硬件。簡單地說，我需要連接了一個或多個攝像頭的計算機(jī)系統(tǒng)來調(diào)用我的模型。
那就先從第一件事開始吧——構(gòu)建對象檢測模型。
第二步：選擇正確的模型
經(jīng)過仔細(xì)研究，我決定用這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型：
YOLOv3- 這是當(dāng)下最快的模型之一，而且跟其他 SOTA 模型的 mAP 相當(dāng)。我們用這個模型來檢測物體；
CRAFT 文本檢測器 - 我們用它來檢測圖像中的文本；
CRNN - 簡單來說，它就是一個循環(huán)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。為了將檢測到的字符按照正確的順序排成單詞，它必須是時序數(shù)據(jù)；
這三個模型是怎么通力合作的呢？下面說的就是操作流程了：
首先，YOLOv3 模型從攝像機(jī)處接收到一幀幀圖像，然后在每個幀中找到車牌的邊界框。這里不建議使用非常精確的預(yù)測邊界框——邊界框比實際檢測對象大一些會更好。如果太擠，可能會影響到后續(xù)進(jìn)程的性能；
文本檢測器接收 YOLOv3 裁剪過的車牌。這時，如果邊界框太小，那么很有可能車牌文本的一部分也被裁掉了，這樣預(yù)測結(jié)果會慘不忍睹。但是當(dāng)邊界框變大時，我們可以讓 CRAFT 模型檢測字母的位置，這樣每個字母的位置就可以非常精確；
最后，我們可以將每個單詞的邊界框從 CRAFT 傳遞到 CRNN 模型，以預(yù)測出實際單詞。
有了我的基本模型架構(gòu)草圖，我可以開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)硬件了。
第三步：設(shè)計硬件
當(dāng)我發(fā)現(xiàn)我需要的是一種低功耗的硬件時，我想起了我的舊愛：樹莓派。因為它有專屬相機(jī) Pi Camera，也有足夠的計算能力在不錯的幀率下預(yù)處理各個幀。Pi Camera 是樹莓派（Raspberry Pi）的實體攝像機(jī)，而且有其成熟完整的庫。
為了接入互聯(lián)網(wǎng)，我可以通過 EC25-E 的 4G 接入，我以前的一個項目里也用過它的一個 GPS 模塊，詳情可見：
博客地址：https://www.robertlucian.com/2018/08/29/mobile-network-access-rpi/
然后我要開始設(shè)計外殼了——把它掛在汽車的后視鏡上應(yīng)該沒問題，所以我最終設(shè)計了一個分為兩部分的支撐結(jié)構(gòu):
在后視鏡的方向上，樹莓派+ GPS 模塊+ 4G 模塊將保留下來。關(guān)于我使用的 GPS 和 4G 天線，你可以去看一下我關(guān)于 EC25-E 模塊的文章；
在另一側(cè)，我用一個利用球關(guān)節(jié)活動的手臂來支撐 Pi Camera
我會用我可靠的 Prusa i3 MK3S 3D 打印機(jī)來打印這些零件，在原文文末也提供了 3D 打印參數(shù)。
圖 1 ：樹莓派+4G/GPS 殼的外形
圖 2：利用球關(guān)節(jié)活動臂支撐 Pi Camera
圖 1 和圖 2 就是它們渲染時候的樣子。注意這里的 c 型支架是可插拔的，所以樹莓派的附件和 Pi Camera 的支撐物沒有和支架一起打印出來。他們共享一個插座，插座上插著支架。如果某位讀者想要復(fù)現(xiàn)這個項目，這是非常有用的。他們只需要調(diào)整后視鏡上的支架就可以了。目前，這個底座在我的車（路虎 Freelander）上工作得很好。
圖 3：Pi Camera 支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖
圖 4：Pi Camera 支撐結(jié)構(gòu)和 RPi 底座的正視圖
圖 5：預(yù)計的相機(jī)視野
圖 6：內(nèi)置 4G/GPS 模塊、Pi Camera，樹莓派的嵌入式系統(tǒng)近照
顯然，這些東西需要一些時間來建模，我需要做幾次才能得到堅固的結(jié)構(gòu)。我使用的 PETG 材料每層高度為 200 微米。PETG 在 80-90 攝氏度下可以很好地工作，并且對紫外線輻射的抵抗力很強——雖然沒有 ASA 好，但是也很強。
這是在 SolidWorks 中設(shè)計的，所以我所有的 SLDPRT/SLDASM 文件以及所有的 STLs 和 gcode 都可以在原文末找到。你也可以用這些東西來打印你自己的版本。
第四步：訓(xùn)練模型
既然硬件解決了，就該開始訓(xùn)練模型了。大家應(yīng)該都知道，盡可能站在巨人的肩膀上工作。這就是遷移學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容了——先用非常大的數(shù)據(jù)集來學(xué)習(xí)，然后再利用這里面學(xué)到的知識。
YOLOv3
我在網(wǎng)上找了很多預(yù)先訓(xùn)練過的車牌模型，并沒有我最初預(yù)期的那么多，但我找到了一個在 3600 張車牌圖上訓(xùn)練過的。這個訓(xùn)練集并不大，但也比什么都沒有強。除此之外，它也是在 Darknet 的預(yù)訓(xùn)練模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行訓(xùn)練的，所以我可以直接用。
模型地址：https://github.com/ThorPham/License-plate-detection
因為我已經(jīng)有了一個可以記錄的硬件系統(tǒng)，所以我決定用我的系統(tǒng)在鎮(zhèn)上轉(zhuǎn)上幾個小時，收集新的視頻幀數(shù)據(jù)來對前面的模型進(jìn)行微調(diào)。
我使用 VOTT 來對那些含有車牌的幀進(jìn)行標(biāo)注，最終創(chuàng)建了一個包含 534 張圖像的小數(shù)據(jù)集，這些圖像中的車牌都有標(biāo)記好的邊界框。
數(shù)據(jù)集地址：https://github.com/RobertLucian/license-plate-dataset
然后我又找到利用 Keras 實現(xiàn) YOLOv3 網(wǎng)絡(luò)的代碼，并用它來訓(xùn)練我的數(shù)據(jù)集，然后將我的模型提交到這個 repo，這樣別人也能用它。我最終在測試集上得到的 mAP 是 90%，考慮到我的數(shù)據(jù)集非常小，這個結(jié)果已經(jīng)很好了。
Keras 實現(xiàn)：https://github.com/experiencor/keras-yolo3
提交合并請求：https://github.com/experiencor/keras-yolo3/pull/244
CRAFT & CRNN
為了找到一個合適的網(wǎng)絡(luò)來識別文本，我經(jīng)過了無數(shù)次的嘗試。最后我偶然發(fā)現(xiàn)了 keras-ocr，它打包了 CRAFT 和 CRNN，非常靈活，而且有預(yù)訓(xùn)練過的模型，這太棒了。我決定不對模型進(jìn)行微調(diào)，讓它們保持原樣。
keras-ocr 地址：https://github.com/faustomorales/keras-ocr
最重要的是，用 keras-ocr 預(yù)測文本非常簡單?；旧暇褪菐仔写a。你可以去該項目主頁看看這是如何做到的。
第五步：部署我的車牌檢測模型
模型部署主要有兩種方法:
在本地進(jìn)行所有的推理；
在云中進(jìn)行推理。
這兩種方法都有其挑戰(zhàn)。第一個意味著有一個中心「大腦」計算機(jī)系統(tǒng)，這很復(fù)雜，而且很貴。第二個面臨的則是延遲和基礎(chǔ)設(shè)施方面的挑戰(zhàn)，特別是使用 gpu 進(jìn)行推理。
在我的研究中，我偶然發(fā)現(xiàn)了一個名為 cortex 的開源項目。它是 AI 領(lǐng)域的新人，但作為 AI 開發(fā)工具的下一個發(fā)展方向，這無疑是有意義的。
cortex 項目地址：https://github.com/cortexlabs/cortex
基本上，cortex 是一個將機(jī)器學(xué)習(xí)模型部署為生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的平臺。這意味著我可以專注于我的應(yīng)用程序，而把其余的事情留給 cortex 去處理。它在 AWS 上完成所有準(zhǔn)備工作，而我唯一需要做的就是使用模板模型來編寫預(yù)測器。更棒的是，我只需為每個模型編寫幾十行代碼。
如下是從 GitHub repo 獲取的 cortex 運行時的終端。如果這都稱不上優(yōu)美簡潔，那我就不知道該用什么詞來形容它了:
因為這個計算機(jī)視覺系統(tǒng)不是為了實現(xiàn)自動駕駛而設(shè)計的，所以延遲對我來說不那么重要，我可以用 cortex 來解決這個問題。如果它是自動駕駛系統(tǒng)的一部分，那么使用云提供商提供的服務(wù)就不是一個好主意，至少現(xiàn)在不是。
部署帶有 cortex 的 ML 模型只需:
定義 cortex.yaml 文件，它是我們的 api 的配置文件。每個 API 將處理一種類型的任務(wù)。我給 yolov3 的 API 分配的任務(wù)是檢測給定幀上的車牌邊界框，而 crnn API 則是在 CRAFT 文本檢測器和 crnn 的幫助下預(yù)測車牌號碼；
定義每個 API 的預(yù)測器?；旧夏阋龅木褪窃?cortex 中定義一個特定類的 predict 方法來接收一個有效負(fù)載（所有的 servy part 都已經(jīng)被平臺解決了），這個有效負(fù)載來可以來預(yù)測結(jié)果，然后返回預(yù)測結(jié)果。就這么簡單!
這里有一個經(jīng)典 iris 數(shù)據(jù)集的預(yù)測器示例，但因為文章篇幅原因，具體細(xì)節(jié)在此就不做贅述了。項目鏈接里可以找到 cortex 使用這兩個 api 的方法——這個項目的所有其他資源都在本文的最后。
#?predictor.pyimport?boto3
import?picklelabels?=?["setosa",?"versicolor",?"virginica"]
class?PythonPredictor:
????def?__init__(self,?config):
????????s3?=?boto3.client("s3")
????????s3.download_file(config["bucket"],?config["key"],?"model.pkl")
????????self.model?=?pickle.load(open("model.pkl",?"rb"))????def?predict(self,?payload):
????????measurements?=?[
????????????payload["sepal_length"],
????????????payload["sepal_width"],
????????????payload["petal_length"],
????????????payload["petal_width"],
????????]????????label_id?=?self.model.predict([measurements])[0]
????????return?labels[label_id]
為了做預(yù)測，你只需要像下面這樣使用 curl 就行了：
curl?http://***.amazonaws.com/iris-classifier?\
????-X?POST?-H?"Content-Type:?application/json"?\
????-d?'{"sepal_length":?5.2,?"sepal_width":?3.6,?"petal_length":?1.4,?"petal_width":?0.3}'
然后你會收到類似setosa這樣的反饋，非常簡單！
第六步：開發(fā)客戶端
有了 cortex 來幫我進(jìn)行部署之后，我就可以開始設(shè)計客戶端了——這算是比較棘手的部分。
我想到了以下架構(gòu):
從 Pi Camera 以可接受的分辨率（800x450 或 480x270）收集幀速率為 30 FPS 的幀，并將每個幀推入一個公共隊列；
在一個單獨的進(jìn)程中，我將從隊列中取出幀，并將它們分發(fā)給不同線程上的多個工作站；
每個工作線程（或者我稱之為推斷線程）都會向我的 cortex API 發(fā)出 API 請求。首先，一個請求到我的 yolov3API，然后，如果有任何車牌檢測到，另一個請求會帶著一批裁剪的車牌發(fā)到我的 crnn API。預(yù)測的車牌號碼將以文本格式返回；
將每個檢測到的牌照（帶不帶識別后的文本都可以）推到另一個隊列，最終將其廣播到瀏覽器頁面。同時，還將車牌號碼預(yù)測推到另一個隊列，以便稍后將其以 csv 格式保存到磁盤；
廣播隊列將接收一組無序的幀。consumer 的任務(wù)是先把它們放在一個非常小的緩沖區(qū)（幾個幀的大小），每次廣播一個新的幀給 client 重新排序。這個 consumer 在另一個進(jìn)程上單獨運行，它還必須嘗試保持隊列的大小固定為指定值，以便以一致的幀速率顯示幀。顯然，如果隊列大小下降，那么幀率的下降是成比例的，反之亦然；
與此同時，在主進(jìn)程中還會運行另一個線程，從另一個隊列獲取預(yù)測和 GPS 數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端收到終止信號時，預(yù)測、GPS 數(shù)據(jù)和時間也會被轉(zhuǎn)存到 csv 文件中。
下圖是客戶端與 AWS 上的云 api 之間的關(guān)系流程圖。
圖 7：基于 cortex 提供的云 api 與客戶端流程圖
在我們的例子中，客戶端是樹莓派，推理請求發(fā)送到的云 api 由 AWS 上的 cortex 提供。
客戶端的源代碼也可以在其 GitHub 中找到：https://github.com/robertlucian/cortex-licens-plate-reader-client
我必須克服的一個挑戰(zhàn)是 4G 的帶寬。最好減少此應(yīng)用程序所需的帶寬，以減少可能的 hangups 或?qū)捎脭?shù)據(jù)的過度使用。我決定讓 Pi Camera 使用一個非常低的分辨率：480x270（我們這里可以用一個小分辨率，因為 Pi Camera 的視野非常窄，所以我們?nèi)匀豢梢院苋菀椎刈R別車牌）。
不過，即使是在這個分辨率下，每一幀的 JPEG 大小也是大約 100KB（0.8MBits）。乘以每秒 30 幀就得到 3000KB，也就是 24mb /s，這還是在沒有 HTTP 開銷的情況下，這是很多的。
因此，我用了一些小技巧:
將寬度減少到 416 像素，也就是 YOLOv3 模型所需要的大小，而且尺度顯然是完好無損的；
將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖；
移除圖片頂部 45% 的部分。這里的想法是車牌不會出現(xiàn)在車架的頂部，因為汽車不會飛，對吧？據(jù)我所知，刪除 45% 的圖像并不影響預(yù)測器的性能；
再次轉(zhuǎn)換圖像為 JPEG，但此時的質(zhì)量變低了很多。
最終得到的幀的大小大約是 7-10KB，這是非常好的。這相當(dāng)于 2.8Mb/s。但是考慮到響應(yīng)等所有的開銷，它大約是 3.5Mb/s。對于 crnn API，裁剪過的車牌根本不需要太多空間，即使沒有進(jìn)行壓縮，它們的大小也就是 2-3KB 左右一個。
總而言之，要以 30FPS 的速度運行，推理 api 所需的帶寬大約是 6Mb/s，這個數(shù)字我可以接受。
結(jié)果
成功了！
上面這個是通過 cortex 進(jìn)行實時推理的例子。我需要大約 20 個裝備了 gpu 的實例才能順暢地運行它。根據(jù)這一組 gpu 的延遲，你可能需要更多的 gpu 或是更少的實例。從捕獲幀到向瀏覽器窗口廣播幀之間的平均延遲約為 0.9 秒，考慮到推斷發(fā)生在很遠(yuǎn)的地方，這真是太神奇了——到現(xiàn)在我還是覺得驚訝。
文本識別部分可能不是最好的，但它至少證明了一點——它可以通過增加視頻的分辨率或通過減少攝像機(jī)的視場或通過微調(diào)來更精確。
至于 GPU 需求數(shù)太高的問題，這可以通過優(yōu)化來解決。例如，在模型中使用混合精度/全半精度 (FP16/BFP16)。一般來說，讓模型使用混合精度對精度的影響很小，所以我們并沒有做太多的權(quán)衡。
總而言之，如果所有的優(yōu)化都到位，那么將 gpu 的數(shù)量從 20 個減少到一個實際上是可行的。如果進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，甚至一個 gpu 的資源都用不完。
原文地址：https://towardsdatascience.com/i-built-a-diy-license-plate-reader-with-a-raspberry-pi-and-machine-learning-7e428d3c7401
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