Используем глубокое обучение, чтобы отгадывать страны по фотографиям в GeoGuessr

в 9:30, , рубрики: GeoGuessr, Google Street View, python, Блог компании VDSina.ru, Геоинформационные сервисы, игра, логические игры, ненормальное программирование

Во время последнего локдауна в Великобритании мы с женой играли в GeoGuessr. Эта игра более размеренна, чем те, в которые мы обычно играем, но хорошо подходит для нашей семьи с 11-недельным младенцем, который становится активнее с каждым днём.

GeoGuessr — это игра о географических исследованиях. Вас бросают на случайную точку в Google Street View, после чего ваша задача — указать своё местоположение на карте. Можно осматривать окрестности, увеличивать изображение и двигаться по пути автомобиля на местных улицах.

image

Нас серьёзно заинтересовали ежедневные соревнования (Daily Challenge) на GeoGuessr. Мы начали заходить на сайт каждый день и пытаться поставить новый рекорд. В формате Daily Challenge на каждый раунд выделяется по три минуты, которые мы тратили или на бешеное кликанье по австралийскому бушу (при этом иногда путая его с Южной Африкой), или на обсуждение того, есть ли в шведском языке буква ø.

Теперь у меня накопился большой объём знаний типа «увижу — узнаю». Я могу опознать Гренландию с первого взгляда. Вернулись мои утерянные знания флагов стран, а также появились новые знания о флагах штатов США, о тех странах, где ездят по левой и правой полосам, где используют километры или мили. Я знаю почти все доменные имена стран (их часто можно встретить на рекламных билбордах вдоль дорог) – мне ещё долго не забыть .yu.

Вы знали, что чёрно-белые дорожные ограждения распространены в России и Украине? Или что можно разобрать синюю полосу EU на автомобильных номерах, несмотря на размытие Google Street View? Подробнее об этом можно прочитать в этом руководстве из 80 тысяч словGeoguessr — the Top Tips, Tricks and Techniques.

Указывающая вниз полосатая красно-белая стрелка даёт понять, что вы находитесь в Японии, с большой вероятностью, на острове Хоккайдо или, возможно, на острове Хонсю рядом с горами.

image

Немного глубокого обучения

Однажды я прочитал, что машинное обучение уже умеет делать всё, что и человек, но меньше чем за одну секунду. Распознать лицо, выбрать текст из изображения, повернуть, чтобы не врезаться в другую машину. Это заставило меня задуматься, а размышления привели к статье под названием Geolocation Estimation of Photos using a Hierarchical Model and Scene Classification, написанной Эриком Мюллером-Будаком, Кадером Пусту-Иреном и Ральфом Эвертом. В этой статье геолокализация рассматривается как «задача классификации, в которой Земля подразделена на географические ячейки».

Она прогнозирует GPS-координаты фотографий.

image

Даже по фотографиям, которые сделаны в помещении! (Daily Challenge игры GeoGuessr часто засовывает игрока внутрь музеев).

Недавно авторы статьи выпустили реализацию на PyTorch и указали веса для обученной модели base(M, f*) с внутренней архитектурой ResNet50.

Я предположил, что обученная модель не очень хорошо будет соответствовать тем частям фотосфер, которые я смогу получить от GeoGuessr. В качестве данных обучения авторы использовали «подмножество набора данных из 100 миллионов фотографий Yahoo Flickr Creative Commons (YFCC100M)». В него вошли «примерно пять миллионов изображений Flickr с геометками и неопределённых фотографий, например, снимков внутри помещений, еды и людей, местоположение которых сложно спрогнозировать».

Любопытно было то, что в наборе данных Im2GPS люди определяли местоположение изображения с точностью на уровне страны (в пределах 750 км) в 13,9% случаев, а Individual Scene Networks справлялись с этой задачей в 66,7% случаев!

image

Итак, возник вопрос: кто лучше в GeoGuessr, моя жена (потрясающий игрок) или машина?

Автоматизируем GeoGuessr с помощью Selenium

Для скрейпинга скриншотов из текущего внутриигрового местоположения я создал программу на Selenium, четыре раза выполняющую следующие действия:

  • Сохраняем скриншот canvas
  • Делаем шаг вперёд
  • Поворачиваем обзор примерно на 90 градусов

Используем глубокое обучение, чтобы отгадывать страны по фотографиям в GeoGuessr - 5

Количество повторов этих действий можно настроить через NUMBER_OF_SCREENSHOTS в показанном ниже коде.

'''
Given a GeoGuessr map URL (e.g. https://www.geoguessr.com/game/5sXkq4e32OvHU4rf)
take a number of screenshots each one step further down the road and rotated ~90 degrees.
Usage: "python file_name.py https://www.geoguessr.com/game/5sXkq4e32OvHU4rf"
'''
from selenium import webdriver
import time
import sys
NUMBER_OF_SCREENSHOTS = 4


geo_guessr_map = sys.argv[1]

driver = webdriver.Chrome()
driver.get(geo_guessr_map)

# let JS etc. load
time.sleep(2)


def screenshot_canvas():
    '''
    Take a screenshot of the streetview canvas.
    '''
    with open(f'canvas_{int(time.time())}.png', 'xb') as f:
        canvas = driver.find_element_by_tag_name('canvas')
        f.write(canvas.screenshot_as_png)


def rotate_canvas():
    '''
    Drag and click the <main> elem a few times to rotate us ~90 degrees.
    '''
    main = driver.find_element_by_tag_name('main')
    for _ in range(0, 5):
        action = webdriver.common.action_chains.ActionChains(driver)
        action.move_to_element(main) 
            .click_and_hold(main) 
            .move_by_offset(118, 0) 
            .release(main) 
            .perform()


def move_to_next_point():
    '''
    Click one of the next point arrows, doesn't matter which one
    as long as it's the same one for a session of Selenium.
    '''
    next_point = driver.find_element_by_css_selector('[fill="black"]')
    action = webdriver.common.action_chains.ActionChains(driver)
    action.click(next_point).perform()


for _ in range(0, NUMBER_OF_SCREENSHOTS):
    screenshot_canvas()
    move_to_next_point()
    rotate_canvas()

driver.close()

Скриншоты содержат и интерфейс GeoGuessr, но я не стал заниматься его удалением.

Приблизительное определение геолокации

Я перешёл к ветке PyTorch branch, скачал обученную модель и установил зависимости с помощью conda. Мне понравился README репозитория. Раздел requirements был достаточно понятным и на новом Ubuntu 20.04 у меня не возникло никаких проблем.

Для выяснения отношений между человеком и машиной я выбрал в GeoGuessr карту World. Отправив URL своей программе Selenium, я прогнал её для четырёх скриншотов, сделанных в GeoGuessr.

Ниже представлены сокращённые результаты работы машины.

python -m classification.inference --image_dir ../images/

                                lat        lng
canvas_1616446493 hierarchy     44.002556  -72.988518
canvas_1616446507 hierarchy     46.259434  -119.307884
canvas_1616446485 hierarchy     40.592514  -111.940224
canvas_1616446500 hierarchy     40.981506  -72.332581

Я показал те же четыре скриншота своей жене. Она предположила, что точка находится в Техасе. На самом деле место находилось в Пенсильвании. Машина сделала для каждого из четырёх скриншотов четыре различные догадки. Все догадки машины находились в США. Две достаточно близко друг к другу и две подальше.

image

Если взять усреднённое местоположение, то машина в этом раунде побеждает!

Мы сыграли ещё два последующих раунда, и окончательный счёт оказался 2-1 в пользу машины. Машина довольно близко подобралась к улице в Сингапуре, но не смогла опознать заснеженную улицу в Канаде (Мэделин назвала город за считанные секунды).

После написания этого поста я узнал о потрясающей предыдущей работе со сравнением результатов человека и машины на поле боя GeoGuessr. В статье PlaNet — Photo Geolocation with Convolutional Neural Networks Тобиас Вейанд, Илья Костиков и Джеймс Филбин пытались определить местоположение фотографии всего по нескольким пикселям.

Чтобы выяснить, насколько PlaNet сравнима с интуицией человека, мы позволили ей соревноваться с десятью много путешествовавшими людьми в игре Geoguessr (www.geoguessr.com).

В сумме люди и PlaNet сыграли в 50 раундов. PlaNet выиграла 28 из 50 раундов с медианной погрешностью локализации в 1131,7 км, в то время как медианная погрешность людей составляла 2320,75 км.

Веб-демо

Авторы статьи Geolocation Estimation of Photos using a Hierarchical Model and Scene Classification создали довольно милый веб-инструмент. Я проверил его на одном из скриншотов Selenium.

Графическая демонстрация, в которой вы сможете посоревноваться против описанной в статье системы с глубоким обучением находится здесь: https://tibhannover.github.io/GeoEstimation/. Также мы создали многофункциональный веб-инструмент, поддерживающий загрузку и анализ пользовательских изображений: https://labs.tib.eu/geoestimation

image

Обучаемость GeoGuessr

Существует много причин, по которым попытки победить GeoGuessr (под этим мы подразумеваем частая демонстрация более высоких результатов, чем у человека) при помощи машинного обучения могут быть проще, чем определение местоположения фотографии, сделанной человеком.

В отличие от обобщённого определения геолокации, в GeoGuessr мы (почти всегда) пытаемся выяснить, на какой дороге находимся. Это означает, что можно предпринять больше усилий для распознания всегда присутствующих элементов, например, дорожной маркировки, марок и моделей автомобилей (и то, и другое часто выдаёт страну). Можно предпринять усилия к перемещениям по дорогам в поисках дорожных знаков, из которых можно понять язык страны, а тексты на вывесках можно использовать для поиска по таблице.

Существуют и другие маркеры (кое-кто в сообществе GeoGuessr считает их жульничеством), которые может распознавать фреймворк обучения.

Если в street view посмотреть вниз то можно увидеть часть машины, снимавшей текущую фотосферу. Например, в Кении спереди у машины есть чёрная труба. Основная часть Вьетнама была снята с мотоцикла, и часто можно увидеть шлем водителя. Страны часто снимаются одной машиной с уникальным цветом или антенной.

image

В других местах в небе есть место, где сшитая фотосфера выглядит разорванной (в основном в Сенегале, Черногории и Албании). В Африке за автомобилем Street View иногда едут машины сопровождения. Есть разные поколения камер, с разным разрешением, типами гало, цветопередачей и размытием в нижней части сферы. В нижнем углу фотосферы есть сообщение об авторстве, обычно это «Google» и указание года, но иногда бывает и имя фотографа.

Если использовать эти подсказки, то я не удивлюсь, что машина когда-нибудь в соревнованиях на время победит даже лучших пользователей GeoGuessr. На самом деле, я считаю, что было бы достаточно одного исследовательского гранта, чтобы мы стали играть в GeoGuessr существенно хуже, чем машины.


На правах рекламы

Закажите сервер и сразу начинайте работать! Создание VDS любой конфигурации в течение минуты. Эпичненько :)

Автор: Mikhail

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js