Implante seu modelo TensorFlow em um aplicativo do Windows com as APIs do Windows Machine Learning

Esta seção final explicará como criar um aplicativo UWP simples com uma GUI para transmitir a webcam e detetar objetos avaliando nosso modelo YOLO com o Windows ML.

Criar um aplicativo UWP no Visual Studio

1. Abra o Visual Studio e selecione Create a new project. Pesquisar UWP e selecione Blank App (Universal Windows).

2. Na página seguinte, defina as configurações do projeto dando ao projeto um Nome e Local. Em seguida, selecione uma versão de destino e mínima do sistema operacional do seu aplicativo. Para usar APIs de ML do Windows, você deve usar X ou pode escolher o pacote NuGet para oferecer suporte até X. Se você optar por usar o pacote NuGet, siga estas instruções [link].

Chamar APIs de ML do Windows para avaliar o modelo

Etapa 1: Use o Gerador de Código de Aprendizado de Máquina para gerar classes de wrapper para APIs de ML do Windows.

Passo 2: Modifique o código gerado no arquivo .cs gerado. O ficheiro final tem o seguinte aspeto:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.Media;
using Windows.Storage;
using Windows.Storage.Streams;
using Windows.AI.MachineLearning;
namespace yolodemo
{
    
    public sealed class YoloInput
    {
        public TensorFloat input_100; // shape(-1,3,416,416)
    }
    
    public sealed class YoloOutput
    {
        public TensorFloat concat_1600; // shape(-1,-1,-1)
    }
    
    public sealed class YoloModel
    {
        private LearningModel model;
        private LearningModelSession session;
        private LearningModelBinding binding;
        public static async Task<YoloModel> CreateFromStreamAsync(IRandomAccessStreamReference stream)
        {
            YoloModel learningModel = new YoloModel();
            learningModel.model = await LearningModel.LoadFromStreamAsync(stream);
            learningModel.session = new LearningModelSession(learningModel.model);
            learningModel.binding = new LearningModelBinding(learningModel.session);
            return learningModel;
        }
        public async Task<YoloOutput> EvaluateAsync(YoloInput input)
        {
            binding.Bind("input_1:0", input.input_100);
            var result = await session.EvaluateAsync(binding, "0");
            var output = new YoloOutput();
            output.concat_1600 = result.Outputs["concat_16:0"] as TensorFloat;
            return output;
        }
    }
}

Avalie cada quadro de vídeo para detetar objetos e desenhar caixas delimitadoras.

1. Adicione as seguintes bibliotecas ao mainPage.xaml.cs.

using System.Threading.Tasks;
using Windows.Devices.Enumeration;
using Windows.Media;
using Windows.Media.Capture;
using Windows.Storage;
using Windows.UI;
using Windows.UI.Xaml.Media.Imaging;
using Windows.UI.Xaml.Shapes;
using Windows.AI.MachineLearning;

2. Adicione as seguintes variáveis em public sealed partial class MainPage : Page.

private MediaCapture _media_capture;
private LearningModel _model;
private LearningModelSession _session;
private LearningModelBinding _binding;
private readonly SolidColorBrush _fill_brush = new SolidColorBrush(Colors.Transparent);
private readonly SolidColorBrush _line_brush = new SolidColorBrush(Colors.DarkGreen);
private readonly double _line_thickness = 2.0;
        private readonly string[] _labels =
            {
                "<list of labels>"
        };

3. Crie uma estrutura para como os resultados da deteção são formatados.

        internal struct DetectionResult
        {
            public string label;
            public List<float> bbox;
            public double prob;
        }

4. Crie um objeto Comparer que compara dois objetos do tipo Box. Essa classe será usada para desenhar caixas delimitadoras ao redor dos objetos detetados.

        class Comparer : IComparer<DetectionResult>
        {
            public int Compare(DetectionResult x, DetectionResult y)
            {
                return y.prob.CompareTo(x.prob);
            }
        }

5. Adicione o seguinte método para inicializar o fluxo da webcam do dispositivo e começar a processar cada quadro para detetar objetos.

        private async Task InitCameraAsync()
        {
            if (_media_capture == null || _media_capture.CameraStreamState == Windows.Media.Devices.CameraStreamState.Shutdown || _media_capture.CameraStreamState == Windows.Media.Devices.CameraStreamState.NotStreaming)
            {
                if (_media_capture != null)
                {
                    _media_capture.Dispose();
                }

                MediaCaptureInitializationSettings settings = new MediaCaptureInitializationSettings();
                var cameras = await DeviceInformation.FindAllAsync(DeviceClass.VideoCapture);
                var camera = cameras.FirstOrDefault();
                settings.VideoDeviceId = camera.Id;

                _media_capture = new MediaCapture();
                await _media_capture.InitializeAsync(settings);
                WebCam.Source = _media_capture;
            }

            if (_media_capture.CameraStreamState == Windows.Media.Devices.CameraStreamState.NotStreaming)
            {
                await _media_capture.StartPreviewAsync();
                WebCam.Visibility = Visibility.Visible;
            }

            ProcessFrame();
        }

6. Adicione o seguinte método para processar cada quadro. Este método chama EvaluateFrame e DrawBoxes, que implementaremos em uma etapa posterior.

        private async Task ProcessFrame()
        {
            var frame = new VideoFrame(Windows.Graphics.Imaging.BitmapPixelFormat.Bgra8, (int)WebCam.Width, (int)WebCam.Height);
            await _media_capture.GetPreviewFrameAsync(frame);
            var results = await EvaluateFrame(frame);
            await DrawBoxes(results.ToArray(), frame);
            ProcessFrame();
        }

7. Criar um novo flutuador Sigmoid

        private float Sigmoid(float val)
        {
            var x = (float)Math.Exp(val);
            return x / (1.0f + x);
        }

8. Crie um limite para detetar objetos corretamente.

        private float ComputeIOU(DetectionResult DRa, DetectionResult DRb)
        {
            float ay1 = DRa.bbox[0];
            float ax1 = DRa.bbox[1];
            float ay2 = DRa.bbox[2];
            float ax2 = DRa.bbox[3];
            float by1 = DRb.bbox[0];
            float bx1 = DRb.bbox[1];
            float by2 = DRb.bbox[2];
            float bx2 = DRb.bbox[3];

            Debug.Assert(ay1 < ay2);
            Debug.Assert(ax1 < ax2);
            Debug.Assert(by1 < by2);
            Debug.Assert(bx1 < bx2);
   
            // determine the coordinates of the intersection rectangle
            float x_left = Math.Max(ax1, bx1);
            float y_top = Math.Max(ay1, by1);
            float x_right = Math.Min(ax2, bx2);
            float y_bottom = Math.Min(ay2, by2);

            if (x_right < x_left || y_bottom < y_top)
                return 0;
            float intersection_area = (x_right - x_left) * (y_bottom - y_top);
            float bb1_area = (ax2 - ax1) * (ay2 - ay1);
            float bb2_area = (bx2 - bx1) * (by2 - by1);
            float iou = intersection_area / (bb1_area + bb2_area - intersection_area);

            Debug.Assert(iou >= 0 && iou <= 1);
            return iou;
        }

9. Implemente a lista a seguir para controlar os objetos atuais detetados no quadro.

        private List<DetectionResult> NMS(IReadOnlyList<DetectionResult> detections, 
            float IOU_threshold = 0.45f, 
            float score_threshold=0.3f)
        {
            List<DetectionResult> final_detections = new List<DetectionResult>();
            for (int i = 0; i < detections.Count; i++)
            {
                int j = 0;
                for (j = 0; j < final_detections.Count; j++)
                {
                    if (ComputeIOU(final_detections[j], detections[i]) > IOU_threshold)
                    {
                        break;
                    }
                }
                if (j==final_detections.Count)
                {
                    final_detections.Add(detections[i]);
                }
            }
            return final_detections;
        }

10. Implemente o seguinte método.

        private List<DetectionResult> ParseResult(float[] results)
        {
            int c_values = 84;
            int c_boxes = results.Length / c_values;
            float confidence_threshold = 0.5f;
            List<DetectionResult> detections = new List<DetectionResult>();
            this.OverlayCanvas.Children.Clear();
            for (int i_box = 0; i_box < c_boxes; i_box++)
            {
                float max_prob = 0.0f;
                int label_index = -1;
                for (int j_confidence = 4; j_confidence < c_values; j_confidence++)
                {
                    int index = i_box * c_values + j_confidence;
                    if (results[index] > max_prob)
                    {
                        max_prob = results[index];
                        label_index = j_confidence - 4;
                    }
                }
                if (max_prob > confidence_threshold)
                {
                    List<float> bbox = new List<float>();
                    bbox.Add(results[i_box * c_values + 0]);
                    bbox.Add(results[i_box * c_values + 1]);
                    bbox.Add(results[i_box * c_values + 2]);
                    bbox.Add(results[i_box * c_values + 3]);

                    detections.Add(new DetectionResult()
                    {
                        label = _labels[label_index],
                        bbox = bbox,
                        prob = max_prob
                    });
                }
            }
            return detections;
        }

11. Adicione o seguinte método, para desenhar as caixas ao redor dos objetos detetados no quadro.

private async Task DrawBoxes(float[] results, VideoFrame frame)
        {
            List<DetectionResult> detections = ParseResult(results);
            Comparer cp = new Comparer();
            detections.Sort(cp);
            IReadOnlyList<DetectionResult> final_detetions = NMS(detections);

            for (int i=0; i < final_detetions.Count; ++i)
            {
                int top = (int)(final_detetions[i].bbox[0] * WebCam.Height);
                int left = (int)(final_detetions[i].bbox[1] * WebCam.Width);
                int bottom = (int)(final_detetions[i].bbox[2] * WebCam.Height);
                int right = (int)(final_detetions[i].bbox[3] * WebCam.Width);

                var brush = new ImageBrush();
                var bitmap_source = new SoftwareBitmapSource();
                await bitmap_source.SetBitmapAsync(frame.SoftwareBitmap);

                brush.ImageSource = bitmap_source;
                // brush.Stretch = Stretch.Fill;

                this.OverlayCanvas.Background = brush;

                var r = new Rectangle();
                r.Tag = i;
                r.Width = right - left;
                r.Height = bottom - top;
                r.Fill = this._fill_brush;
                r.Stroke = this._line_brush;
                r.StrokeThickness = this._line_thickness;
                r.Margin = new Thickness(left, top, 0, 0);

                this.OverlayCanvas.Children.Add(r);
                // Default configuration for border
                // Render text label
                

                var border = new Border();
                var backgroundColorBrush = new SolidColorBrush(Colors.Black);
                var foregroundColorBrush = new SolidColorBrush(Colors.SpringGreen);
                var textBlock = new TextBlock();
                textBlock.Foreground = foregroundColorBrush;
                textBlock.FontSize = 18;

                textBlock.Text = final_detetions[i].label;
                // Hide
                textBlock.Visibility = Visibility.Collapsed;
                border.Background = backgroundColorBrush;
                border.Child = textBlock;

                Canvas.SetLeft(border, final_detetions[i].bbox[1] * 416 + 2);
                Canvas.SetTop(border, final_detetions[i].bbox[0] * 416 + 2);
                textBlock.Visibility = Visibility.Visible;
                // Add to canvas
                this.OverlayCanvas.Children.Add(border);
            }
        }

12. Agora que lidamos com a infraestrutura necessária, é hora de incorporar a avaliação em si. Este método avalia o modelo em relação ao quadro atual para detetar objetos.

        private async Task<List<float>> EvaluateFrame(VideoFrame frame)
        {
            _binding.Clear();
            _binding.Bind("input_1:0", frame);
            var results = await _session.EvaluateAsync(_binding, "");
            Debug.Print("output done\n");

            TensorFloat result = results.Outputs["Identity:0"] as TensorFloat;
            var shape = result.Shape;
            var data = result.GetAsVectorView();
            
            return data.ToList<float>();
        }

13. Nosso aplicativo precisa começar de alguma forma. Adicione um método que inicia o fluxo da webcam e a avaliação do modelo quando o usuário pressiona o Go botão.

        private void button_go_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            InitModelAsync();
            InitCameraAsync();
        }

14. Adicione um método para chamar APIs de ML do Windows para avaliar o modelo. Primeiro, o modelo é carregado do armazenamento e, em seguida, uma sessão é criada e vinculada à memória.

        private async Task InitModelAsync()
        {
            var model_file = await StorageFile.GetFileFromApplicationUriAsync(new Uri("ms-appx:///Assets//Yolo.onnx"));
            _model = await LearningModel.LoadFromStorageFileAsync(model_file);
            var device = new LearningModelDevice(LearningModelDeviceKind.Cpu);
            _session = new LearningModelSession(_model, device);
            _binding = new LearningModelBinding(_session);
        }

Inicie o aplicativo

Agora você criou com sucesso um aplicativo de deteção de objetos em tempo real! Selecione o Run botão na barra superior do Visual Studio para iniciar o aplicativo. O aplicativo deve ter esta aparência.

Recursos adicionais

Para saber mais sobre os tópicos mencionados neste tutorial, visite os seguintes recursos:

• Ferramentas de ML do Windows: saiba mais ferramentas como o Painel de ML do Windows, o WinMLRunner e o gerador de códigos mglen Windows ML.
• Modelo ONNX: Saiba mais sobre o formato ONNX.
• Desempenho e memória do Windows ML: saiba mais como gerenciar o desempenho do aplicativo com o Windows ML.
• Referência da API do Windows Machine Learning: saiba mais sobre três áreas das APIs de ML do Windows.