О чём мы вспоминаем в первую очередь, когда слышим про распознавание образов? Сложные нейронные сети, мощные видеокарты, объёмные наборы данных. Всего этого не будет в моей истории - я расскажу, как с помощью OpenCV и NumPy можно за 1 вечер решить задачу классификации 57 символов из игры Доббль, используя менее 500 их изображений без дополнительной аугментации. Разный масштаб, произвольный угол поворота - всё это не имеет значения, когда для описания символа достаточно четырёх чисел.
Эта история произошла весной 2020 года, во время вынужденной самоизоляции. Я смотрел ролики на youtube и наткнулся на интересную игру - Доббль, или по-другому SpotIt. В местных магазинах я вряд ли смог бы её найти, а в условиях самоизоляции вариант с заказом тоже выглядел довольно призрачно. В результате нашёл в сети файл с изображениями карточек, распечатал на плотной фотобумаге и вырезал - получился довольно аккуратный набор. Сыну игра понравилась, стали играть.
На второй день внезапно выяснилось, что в наборе присутствуют две абсолютно одинаковые карточки. Дубль было решено отложить в сторону. В игре появились ничьи и какое-то чувство неправильности, не дающее забыть, что мы играем неполным набором. Что же делать? Я скачал еще один архив с изображениями карточек, но искать вручную какой же из них не хватает или тем более печатать и вырезать новый набор не хотелось.
И тут на Хабре обнаружилась статья "Как я научила свой компьютер играть в Доббль с помощью OpenCV и Deep Learning". Казалось бы, вот оно - решение, но… Проанализировав код, я понял, что у подобного решения есть два фатальных недостатка - нарезка и разметка такого количества картинок займет слишком много времени, а тренировка модели на машине с неподдерживаемой видеокартой продлится еще дольше. Стал думать.
Почему бы не использовать для описания символов только ту информацию, которую можно получить с помощью OpenCV? По идее, любой символ характеризуется соотношением длин сторон прямоугольника, в который он вписан. Выбрать такой прямоугольник минимального размера - подходящая задача для библиотеки машинного зрения. Но как быть с круглыми символами - часы, "кирпич", инь-янь, да даже ромашка или солнце? Попробую добавить среднее значение по каждому цветовому каналу. Написал код, который ищет контуры отдельных символов, определяет описывающий прямоугольник, вырезает и раскладывает файлы по отдельным папкам.
На самом деле, механизм определения прямоугольника минимального размера в OpenCV не всегда правильно срабатывает - это видно на примере картинки с якорем: она периодически скатывается в неоптимальный симметричный квадрат. (Дополнение : судя по отношению площади символа к площади прямоугольника (второе число в имени файла), оба варианта не сильно различаются. Так что я зря OpenCV обвинял.)
Чтобы облегчить дальнейшую разметку, названия папок соответствуют соотношению длин сторон прямоугольника, а названия файлов содержат все описывающие символ параметры и номер карточки. Потом запустил IrfanView в режиме миниатюр и перетащил в нужные папки неточно распределённые файлы. Это самый трудоёмкий и длительный этап работ, но благодаря тому что файлы были уже сгруппированы он длился меньше часа. В завершение переименовал папки в соответствии с номером и названием содержащегося в них символа.
Дополнение: Уже потом разобрался, как можно было более точно сгруппировать файлы: для этого применил кластеризацию из пакета sklearn по всем четырем параметрам. Это сильно сокращает время ручной сортировки.
Потом я обучил нейросеть - многослойный перцептрон (MLP). Сеть сделал на основе учебного примера из книги "Python Machine Learning" Себастьяна Рашки, для её реализации достаточно пакета NumPy.
В качестве входных данных использовал список файлов с символами - содержащейся в нём информации достаточно для обучения сети. Название папки с символами начинается с двузначного числа - номер символа, используем его как метку. Имя файла содержит 4 числа, соответствующие параметрам символа. Значение всех параметров оказалось в пределах 45..255, поэтому для полного использования диапазона 0..1 вычитаем из них 45 и делим на 210. Так как данных мало, в качестве тестового набора используем часть тренировочного. В списке 440 файлов, время обучения составило около 1 минуты.
И всё равно в результате проверки идеи выявились коллизии, не дающие правильно опознать символ. Пришлось добавить еще один параметр - отношение площади символа к площади описывающего его прямоугольника (я назвал его "плотность"). В результате этот параметр оказался очень полезным, от одного из цветовых каналов удалось избавиться. Единичные символы теперь распознавались устойчиво по четырём признакам.
Казалось бы, можно брать файл с карточкой, распознавать первые 8 самых крупных символов и получится описание карточки. Но тут выявилась другая проблема - некоторые символы состоят из нескольких отдельных частей, а с учётом разного масштаба мелкая часть одного может оказаться крупнее другого. Пришлось добавить в набор данных символы точек от восклицательного и вопросительного знаков и пропускать их при подсчете найденных символов.
Когда сеть была готова, составил список имеющихся у меня карточек и карточек из нового архива. Они выглядели немного по-другому, на нескольких пришлось разделять соприкасающиеся между собой символы - это мешало правильному обнаружению контуров в OpenCV. В результате недостающая карточка была найдена и напечатана.
Ради интереса проверил производительность - полный проход по колоде из 55 карточек (1485 комбинаций) занял 170 секунд, ошибок 0. Была идея сделать распознавание карточек по изображению с веб-камеры, но оказалось, что они сильно бликуют. Кроме того, у сети выявился недостаток - она сильно чувствительна к понижению разрешения картинки: мелкие детали (например, лучи снежинки) сливаются и это приводит к изменению параметров. Но сделать на ней игру с поиском совпадений по двум карточкам можно. Или использовать уже размеченные изображения символов для создания полноценного датасета и тренировки свёрточной нейронной сети.
Во всяком случае, данный способ распознавания карточек свою задачу решил, и на его реализацию потребовалось относительно немного времени. Весь необходимый код доступен в GitHub.