Modelos de Detección de Objetos

Luego de haber hecho un ejercicio Práctico de Detección de objetos en imágenes por medio de redes neuronales, veremos la teoría que hay detrás de estos algoritmos.

Para comprender el artículo doy por sentado que ya tienes conocimiento de cómo funcionan las redes neuronales y de la teoría de Clasificación de imágenes. Si no, te recomiendo que leas primero esos artículos.

Agenda

  • Introducción: ¿Qué es la detección de imágenes?
  • Primera intuición de detección a partir de la clasificación con CNN
  • R-CNN: búsqueda selectiva
    • ¿Cómo funciona R-Cnn?
  • Problemas y mejoras: fast y faster r-cnn
  • Detección Rápida: YOLO
    • ¿Cómo funciona YOLO?
    • Arquitectura de la red Darknet
  • Otras alternativas
    • 2016 – Single Shot Detection
    • 2018 – RetinaNet
    • 2019 – Google Spinet
    • 2020 – Facebook saca del horno DETR
  • Resumen

Introducción: ¿Qué es la detección de imágenes?

Podemos tener la errónea intuición de que la detección de imágenes sea una tarea sencilla, pero veremos que realmente no lo es y de hecho es un gran problema a resolver. Nosotros los humanos podemos ver una foto y reconocer inmediatamente cualquier objeto que contenga de un vistazo rápido, si hay objetos pequeños o grandes, si la foto es oscura ó hasta algo borrosa. Imaginemos un niño escondido detrás de un árbol donde apenas sobresale un poco su cabeza ó un pie.

Para la detección de imágenes mediante Algoritmos de Machine Learning esto implica una red neuronal convolucional que detecte una cantidad limitada (ó específica) de objetos, no pudiendo detectar objetos que antes no hubiera visto, ó si están en tamaños que logra discernir y todas las dificultades de posibles “focos”, rotación del objeto, sombras y poder determinar en qué posición -dentro de la imagen- se encuentra.

Si es difícil con 1 objeto… imagínate con muchos!.

¿En qué consiste la detección de objetos?

Un algoritmo de Machine Learning de detección, para considerarse como tal deberá:

  • Detectar multiples objetos.
  • dar la posición X e Y del objeto en la imagen (o su centro) y dibujar un rectángulo a su alrededor.
  • Otra alternativa es la segmentación de imágenes (no profundizaremos en este artículo).
  • Detectar “a tiempo”… o puede que no sirva el resultado. Esta es una característica que debemos tener en cuenta si por ejemplo queremos hacer detección en tiempo real sobre video.
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Detección de Objetos con Python

En este artículo podrás ver de manera práctica cómo crear tu propio detector de objetos que podrás utilizar con imagenes estáticas, video o cámara. Avanzaremos paso a paso en una Jupyter Notebook con el código completo usando redes neuronales profundas con Keras sobre Tensorflow.

Antes de empezar te recomiendo que leas mis artículos anteriores sobre Visión Artificial, que te ayudarán con las bases teóricas sobre las que nos apoyamos en este ejercicio:

Agenda

Tenemos mucho por delante! Antes que nada debo aclarar que próximamente un nuevo artículo explicará toda la teoría que hoy aplicaremos, pero mientras llega… pasemos a la acción!

  • ¿En qué consiste la Detección Yolo?
    • Algunos parámetros de la red
    • El proyecto propuesto
  • Lo que tienes que instalar (y todo el material)
  • Crear un dataset: Imágenes y Anotaciones
    • Recomendaciones para la imágenes
    • Anotarlo todo
    • El lego dataset
  • El código Python
    • Leer el dataset
    • Train y Validación
    • Data Augmentation
    • Crear la red YOLO
    • Crear la red de Detección
    • Generar las Anclas
    • Entrenar
    • Revisar los Resultados
    • Probar la red!
  • Conclusiones
  • Material Adicional

¿En qué consiste la detección YOLO?

Vamos a hacer un detector de objetos en imágenes utilizando YOLO, un tipo de técnica muy novedosa (2016), acrónimo de “You Only Look Once” y que es la más rápida del momento, permitiendo su uso en video en tiempo real.

Esta técnica utiliza un tipo de red Neuronal Convolucional llamada Darknet para la clasificacion de imágenes y le añade la parte de la detección, es decir un “cuadradito” con las posiciones x e y, alto y ancho del objeto encontrado.

La dificultad de esta tarea es enorme: poder localizar las áreas de las imágenes, que para una red neuronal es tan sólo una matriz de pixeles de colores, posicionar múltiples objetos y clasificarlos. YOLO lo hace todo “de una sola pasada” a su red convolucional. En resultados sobre el famoso COCO Dataset clasifica y detecta 80 clases de objetos distintos y etiquetar y posicionar hasta 1000 objetos (en 1 imagen!)

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Detección de outliers en Python

En este nuevo artículo de Aprende Machine Learning explicaremos qué son los outliers y porqué son tan importantes, veremos un ejemplo práctico paso a paso en Python, visualizaciones en 1, 2 y 3 dimensiones y el uso de una librería de propósito general.

Puedes encontrar la Jupyter Notebook completa en GitHub.  

¿Qué son los Outliers?

Es interesante ver las traducciones de “outlier” -según su contexto- en inglés:

  • Atípico
  • Destacado
  • Excepcional
  • Anormal
  • Valor Extremo, Valor anómalo, valor aberrante!!

Eso nos da una idea, ¿no?

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Sets de Entrenamiento, Test y Validación

Vamos a comentar las diferencias entre los conjuntos de Entrenamiento, Validación y Test utilizados en Machine Learning ya que suele haber bastante confusión en para qué es cada uno y cómo utilizarlos adecuadamente.

Intentaré hacerlo mediante un ejemplo práctico por eso de ser didácticos 🙂

Además veremos que tenemos distintas técnicas de hacer la validación del modelo y aplicarlas con Scikit Learn en Python.

Un nuevo Mundo

Al principio de los tiempos, sólo tenemos un conjunto Pangea que contiene todo nuestro dato disponible. Digamos que tenemos un archivo csv con 10.000 registros.

Para entrenar nuestro modelo de Machine Learning y poder saber si está funcionando bien, alguien dijo: Separemos el conjunto de datos inicial en 2: conjunto de entrenamiento (train) y conjunto de Pruebas (test). Por lo general se divide haciendo “80-20”. Y se toman muestras aleatorias -no en secuencia, si no, mezclado.

Para hacer el ejemplo sencillo, supongamos que queremos hacer clasificación usando un algoritmo supervisado, con lo cual tendremos:

  • X_train con 8.000 registros para entrenar
  • y_train con las “etiquetas” de los resultados esperados de X_train
  • X_test con 2.000 registros para test
  • y_test con las “etiquetas” de los resultados de X_test

Hágase el conjunto de Test

Lo interesante y a destacar de esto es que una vez los separamos en 8.000 registros para entrenar y 2.000 para probar, usaremos sólo esos 8.000 registros para alimentar al modelo al entrenarlo haciendo:

modelo.fit(X_train, y_train)

Luego de entrenar nuestro modelo y habiendo decidido como métrica de negocio el Accuracy (el % de aciertos) obtenemos un 75% sobre el set de entrenamiento (y asumimos que ese porcentaje nos sirve para nuestro objetivo de negocio).

Los 2.000 registros que separamos en X_test aún nunca han pasado por el modelo de ML. ¿Se entiende esto? porque eso es muy importante!!! Cuando usemos el set de test, haremos:

modelo.predict(X_test)

Como verás, no estamos usando fit()!!! sólo pasaremos los datos sin la columna de “y_test” que contiene las etiquetas. Además remarco que estamos haciendo predicción; me refiero a que el modelo NO se está entrenando ni <<incorporando conocimiento>>. El modelo se limita a “ver la entrada y escupir una salida”.

Cuando hacemos el predict() sobre el conjunto de test y obtenemos las predicciones, las podemos comprobar y contrastar con los valores reales almacenados en y_test y hallar así la métrica que usamos. Los resultados que nos puede dar serán:

  1. Si el accuracy en Test es <<cercano>> al de Entrenamiento (dijimos 75%) por ejemplo en este caso si estuviera entre 65 ú 85% quiere decir que nuestro modelo entrenado está generalizando bien y lo podemos dar por bueno (siempre y cuando estemos conformes con las métricas obtenidas).
  2. Si el Accuracy en Test es muy distinto al de Entrenamiento tanto por encima como por debajo, nos da un 99% ó un 25% (lejano al 75%) entonces es un indicador de que nuestro modelo no ha entrenado bien y no nos sirve. De hecho este podría ser un indicador de Overfitting.

Para evaluar mejor el segundo caso, es donde aparece el “conjunto de Validación”.

Al Séptimo día Dios creo el Cross-Validation

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