植物の病気をDeep Learningで判別  概要+準備編(1/3)

植物の写真から病気を判別するサイト(http://www.plant-check.jp/)を作ってみた。
サイトは2017年8月くらいに作ったのだが、そのメモがてら、やったことをまとめてみる。
使用した技術は最近の流行をふまえ、わりと本格的。バリバリのDeep Learningなので、人工知能(AI)を利用し、植物の病気判定を行った!と言っていいはず。

  • 病気判定に使用してたのは(1)植物の葉かそれ以外かを判別する2値分類モデル+(2)植物の葉が病気か否かを判別する多値分類モデル。
  • 2つのモデルともにDeep Learningを活用。具体的にはInception V3(ImageNet)を転移学習させる形で作成。
  • ソフトウェアはPythonで作成。Deep Learning部分はkeras + tensorflow、WEB部分はnginx + uwsgi + bottleで構成。
  • インフラ部分にnvidia-docker(keras + tensorflowでの学習部分)とdocker(WEB部分と判別モデル利用)を使用。サーバはsakuraのVPS(ubuntu 16.04 LTS)。
  • 学習データにはa) 自分で集めたバラの葉っぱ画像(健康な葉と病気の葉をハンドラベリング)とb)SUN Database(http://groups.csail.mit.edu/vision/SUN/)を使用。
    • (1)植物の葉かそれ以外かを判別するモデルにはa) + b)を利用
    • (2)植物の葉が病気か否かを判別するモデルにはa)のハンドラベリング結果を利用

開発環境の準備

開発環境としてDockerを利用したコンテナを2つ+リリース用のコンテナを1つ作成した。

  1. GPUを用いた学習用としてtensorflow + kerasが動作するコンテナ
    • ホストとなるUbuntu 16.04にnVidia公式ドライバをインストールした後、nvidia-dockerを導入して構築。
    • 安定版のgcr.io/tensorflow/tensorflow:latest-gpuをベースにしてkerasを追加で入れた。
    • (困ったときは公式サイトを見るのが一番だった。)
  2. 学習したモデルを用いたWEBアプリを開発するためのコンテナ
    • ホストは1.と同じ。pipからkeras, tensorflow, bottle, uwsgiを入れた。
    • 開発用なのでjupyterも導入。
  3. WEBアプリをリリースする環境のためのコンテナ
    • 2.との違いはjupyterなど余計なソフトウェアを省いている点だけ。

データの準備

本件で作成したモデルの概要とモデル構築に利用するデータは次のとおり。

  1. 植物の葉かそれ以外かを判別する2値分類モデル
    • バラの葉の画像データを正例、SUN Database(http://groups.csail.mit.edu/vision/SUN/)の植物以外のカテゴリを負例とする2値分類モデル。
    • Imagenetで学習したInception V3(keras付属)を利用。
    • 前半250層を固定。Inception V3の後に判別層を追加する形でネットワークを構成(詳細は次回記載)、学習させた。
    • いわゆる転移学習とかfine tuningとか呼ばれる手法。
    • 使ったデータは約16000枚。(data augmentation前)
  2. 植物の葉が病気か否かを判別する多値分類モデル
    • バラの葉の画像データを「健康」「黒星病」「うどん粉病」「その他カビ系の病気」の4カテゴリに分類する多値分類モデル。カテゴリ分けは自分でとったバラの写真・動画(画像に一定フレームごとに画像として切り出し)をハンドラベリングした。
    • 利用した学習手法は1.と同様。
    • 使ったデータは約1800枚。(data augmentation前)

バラの葉の画像データは夏休みに都内の公園をめぐって自分で撮影した。モデルに投入していないデータ(バラ以外、対象病気以外)も含めて3000枚以上撮影。機械学習のコード書くより大変だった(が良い経験になった(詳しくは次回))

その他

2年に1回くらいの割合で何か作りたい衝動に駆られる。そして、とりあえず作って満足したので、まとめの作成も冬休みまで放置してしまった・・・。手元の写真はバラ以外も集まっていたり、バラの病気以外の事例もあったりするので、もう少し拡張しようかなーと思わなくもない。

使ったデータセットのうち、SUN databaseはThe images provided here are for research purposes only.(http://groups.csail.mit.edu/vision/SUN/)なので、広告は貼ってはいない。(日本の著作権法の場合、商用利用も可能という話もあるけど・・・。)

広告を貼りたくなったら、(1)のモデルも自分がとった写真ベースで更新するかも。

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