機械学習ライブラリML.netを使用し,描かれたストロークの図形を推定して,整形された図形に置き換える機能を実装する.
今回は,楕円と四角どちらかを推定する,二項分類を行う.
ML.netは.NET standard 2.0に依存している.UWPで.NET standard 2.0を使用可能な状態にするには最小ターゲットバージョンを1809にする必要がある.
ソリューションエクスプローラーから,Kisozemiプロジェクトのプロパティを開き,[アプリケーション]-[ターゲットバージョン]と[最小バージョン]を共に,1809に変更し,保存,いったんVisual Studioを再起動する.
再起動後,[プロジェクト]-[NuGetパッケージの管理]を開き,[参照]からML.netを検索し,プロジェクトにインストールする.
本来,今回のような分類の機械学習を行う場合,学習データの準備と学習モデルの作成が必要となる.
しかし,時間も限られているため,今回はすでに作成されている学習モデルを読み込み,図形の分類推定に使用することとする.
以下のmodel.zipは,楕円と四角の1ストロークで描いた図形を約60個学習させたモデルとなる.
model.zipは,プロジェクトのAssetsフォルダにドラッグ&ドロップなどで追加し,「プロパティ」から「ビルドアクション」を「コンテンツ」にしておく.
適当なButtonを用意し,Clickイベントでmodel.zipを読み込む.
ML.netを使用するため,usingに以下を追加:
using Microsoft.ML; using Microsoft.ML.Data;
クラスのメンバに以下を追加:
MLContext mlContext = null; ITransformer strokePredictModel = null;
クリックイベント内で実際にmodel.zipを読み込む,非同期処理(await, async)を使用しているため,イベントメソッドの先頭にasyncを追加すること,System.IOのクラスを使用しているのでusing System.IOを追加する必要があるが,System.IO.PathとWindows.UI.Xaml.Shapes.Pathがあいまいになるので,Windows.UI.Xaml.Shapes.Pathクラスを使用する場合,明示的にすべて書く必要がある:
Windows.Storage.StorageFolder installedFolder = Windows.ApplicationModel.Package.Current.InstalledLocation; Windows.Storage.StorageFolder assetsFolder = await installedFolder.GetFolderAsync("Assets"); Windows.Storage.StorageFile modelFile = await assetsFolder.GetFileAsync("model.zip"); mlContext = new MLContext(); //Define DataViewSchema for data preparation pipeline and trained model DataViewSchema modelSchema; // Load trained model using (System.IO.Stream stream = await modelFile.OpenStreamForReadAsync()) //using System.IO;が必要 { strokePredictModel = mlContext.Model.Load(stream, out modelSchema); stream.Flush(); }
注意
UWPで作成されるアプリはiOSやAndroidのアプリ同様に,端末内のストレージに自由にアクセスすることはできない.
そのため,
Windows.Storage.StorageFolder installedFolder = Windows.ApplicationModel.Package.Current.InstalledLocation; Windows.Storage.StorageFolder assetsFolder = await installedFolder.GetFolderAsync("Assets");
によって,プロジェクトのAssetsフォルダの場所を取得し,そこからmodel.zipを読み込んでいる.
Windows.Storage.StorageFolder storageFolder = Windows.Storage.ApplicationData.Current.LocalFolder;
また上記では,アプリが自由に使えるフォルダを取得できる.
以下の.csファイルをプロジェクトに追加する.中には機械学習用の入力データ(StrokeData),出力データ(StrokePredict)クラスが定義されている.
学習モデルを読み込んだ状態であれば,ストロークを描き終えた後,そのストロークを特徴ベクトルに変換し,それを学習モデルに入力,図形の推定を行い,推定結果を基に該当する図形をストロークの大きさ,位置に生成する.
以下のdrawingStrokeは描画中のWindows.UI.Xaml.Shapes.Pathである.
StrokeData input; //input に ストロークを特徴ベクトル化したデータを生成(後述) StrokeData[] inputdata = new[] { input }; IDataView batchinput = mlContext.Data.LoadFromEnumerable(inputdata); IDataView predictions = strokePredictModel.Transform(batchinput); IEnumerable<StrokePredict> strokePredict = mlContext.Data.CreateEnumerable<StrokePredict>(predictions, reuseRowObject: false); foreach(StrokePredict sp in strokePredict) { //AddMessage($"Prediction: {(Convert.ToBoolean(sp.Prediction) ? "Ellipse" : "Rect")} | Probability: {sp.Probability} "); var pathgeom = (PathGeometry)drawingStroke.Data; var rect = pathgeom.Bounds; if (sp.Prediction == true) //trueであれば楕円として推定されたのでEllipseをrectのサイズ,位置で生成する falseであればRectangleを同様に生成 { var ellipse = new Windows.UI.Xaml.Shapes.Ellipse { Stroke = new SolidColorBrush(Color.FromArgb(255, 0, 0, 0)), StrokeThickness = 1 }; ellipse.Width = rect.Width; ellipse.Height = rect.Height; MainCanvas.Children.Add(ellipse); Canvas.SetLeft(ellipse, rect.X); Canvas.SetTop(ellipse, rect.Y); } else { var rectangle = new Windows.UI.Xaml.Shapes.Rectangle { Stroke = new SolidColorBrush(Color.FromArgb(255, 0, 0, 0)), StrokeThickness = 1 }; rectangle.Width = rect.Width; rectangle.Height = rect.Height; MainCanvas.Children.Add(rectangle); Canvas.SetLeft(rectangle, rect.X); Canvas.SetTop(rectangle, rect.Y); } }
Shapeクラスの位置指定はCanvas.Set〜メソッドで行う.
Canvas.SetLeft(ellipse, rect.X); Canvas.SetTop(ellipse, rect.Y);
ストロークの点群そのままでは,機械学習に使用できないため,特徴ベクトルへ変換する.
今回は,ストロークを構成する点群の差分ベクトル(Pi+1 - Pi)を算出し,その角度を整数値0〜359とし,各角度の出現回数をカウントすることで,360次元のベクトルを特徴ベクトルとする(少なくとも楕円と四角ではその分布は大きく異なるはず,という仮定)
ヒント:
StrokeData input; input = new StrokeData(); input.DirCount = new float[360]; //点群全体に以下の処理 //差分ベクトルの角度をMath.Atan2で算出し0〜359整数値に変換->deg input.DirCount[deg] += 1.0f; //一通り終わったら全体から最大値を求める->max //すべてをmaxで割り正規化 input.DirCount[i] /= max;
Windows.UI.Xaml.Shapes.Pathから点群,PolyLineSegmentを取り出すメソッド(エラー処理なし)
private PolyLineSegment GetPolyLineSegment(Windows.UI.Xaml.Shapes.Path src) { var pathgeom = (PathGeometry)src.Data; var pathfig = pathgeom.Figures[0]; return (PolyLineSegment)pathfig.Segments[0]; }
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ストロークの色や太さを変更できる,図形補間のオンオフ,画像の保存など,独自の機能を実装せよ.
ヒント:Shapeクラスの図形もXAMLからUI上に配置し,イベントを持たせることが可能である.
<Ellipse x:Name="PenColorBlack" Margin="10, 10, 10, 10" Fill="Black" Width="20" Height="20" RelativePanel.Below="PredictModeSwitch" PointerPressed="PenColorBlack_PointerPressed"></Ellipse> <Ellipse x:Name="PenColorGreen" Margin="10, 10, 10, 10" Fill="LimeGreen" Width="20" Height="20" RelativePanel.Below="PredictModeSwitch" RelativePanel.RightOf="PenColorBlack" PointerPressed="PenColorGreen_PointerPressed"></Ellipse>
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