Press "Enter" to skip to content

全卷积网络(FCN)实战:使用FCN实现语义分割

本站内容均来自兴趣收集,如不慎侵害的您的相关权益,请留言告知,我们将尽快删除.谢谢.

摘要: FCN对图像进行像素级的分类,从而解决了语义级别的图像分割问题。

 

本文分享自华为云社区《 全卷积网络(FCN)实战:使用FCN实现语义分割 》,作者: AI浩。

 

FCN对图像进行像素级的分类,从而解决了语义级别的图像分割(semantic segmentation)问题。与经典的CNN在卷积层之后使用全连接层得到固定长度的特征向量进行分类(全联接层+softmax输出)不同,FCN可以接受任意尺寸的输入图像,采用反卷积层对最后一个卷积层的feature map进行上采样, 使它恢复到输入图像相同的尺寸,从而可以对每个像素都产生了一个预测, 同时保留了原始输入图像中的空间信息, 最后在上采样的特征图上进行逐像素分类。

 

下图是语义分割所采用的全卷积网络(FCN)的结构示意图:

 

 

传统的基于CNN的分割方法缺点?

 

传统的基于CNN的分割方法:为了对一个像素分类,使用该像素周围的一个图像块作为CNN的输入,用于训练与预测,这种方法主要有几个缺点:

 

1)存储开销大,例如,对每个像素使用15 * 15的图像块,然后不断滑动窗口,将图像块输入到CNN中进行类别判断,因此,需要的存储空间随滑动窗口的次数和大小急剧上升;

 

2)效率低下,相邻像素块基本上是重复的,针对每个像素块逐个计算卷积,这种计算有很大程度上的重复;

 

3)像素块的大小限制了感受区域的大小,通常像素块的大小比整幅图像的大小小很多,只能提取一些局部特征,从而导致分类性能受到限制。

 

而全卷积网络(FCN)则是从抽象的特征中恢复出每个像素所属的类别。即从图像级别的分类进一步延伸到像素级别的分类。

 

FCN改变了什幺?

 

对于一般的分类CNN网络,如VGG和Resnet,都会在网络的最后加入一些全连接层,经过softmax后就可以获得类别概率信息。但是这个概率信息是1维的,即只能标识整个图片的类别,不能标识每个像素点的类别,所以这种全连接方法不适用于图像分割。

 

而FCN提出可以把后面几个全连接都换成卷积,这样就可以获得一张2维的feature map,后接softmax层获得每个像素点的分类信息,从而解决了分割问题,如图。

 

 

FCN缺点

 

(1)得到的结果还是不够精细。进行8倍上采样虽然比32倍的效果好了很多,但是上采样的结果还是比较模糊和平滑,对图像中的细节不敏感。

 

(2)对各个像素进行分类,没有充分考虑像素与像素之间的关系。忽略了在通常的基于像素分类的分割方法中使用的空间规整(spatial regularization)步骤,缺乏空间一致性。

 

数据集

 

本例的数据集采用PASCAL VOC 2012 数据集,它有二十个类别:

 

Person:person

 

Animal: bird, cat, cow, dog, horse, sheep

 

Vehicle:aeroplane, bicycle, boat, bus, car, motorbike, train

 

Indoor: bottle, chair, dining table, potted plant, sofa, tv/monitor

 

 

下载地址: The PASCAL Visual Object Classes Challenge 2012 (VOC2012) (ox.ac.uk) 。

 

数据集的结构:

 

VOCdevkit
    └── VOC2012
         ├── Annotations               所有的图像标注信息(XML文件)
         ├── ImageSets    
         │   ├── Action                人的行为动作图像信息
         │   ├── Layout                人的各个部位图像信息
         │   │
         │   ├── Main                  目标检测分类图像信息
         │   │     ├── train.txt       训练集(5717)
         │   │     ├── val.txt         验证集(5823)
         │   │     └── trainval.txt    训练集+验证集(11540)
         │   │
         │   └── Segmentation          目标分割图像信息
         │         ├── train.txt       训练集(1464)
         │         ├── val.txt         验证集(1449)
         │         └── trainval.txt    训练集+验证集(2913)
         │ 
         ├── JPEGImages                所有图像文件
         ├── SegmentationClass         语义分割png图(基于类别)
         └── SegmentationObject        实例分割png图(基于目标)

 

数据集包含物体检测和语义分割,我们只需要语义分割的数据集,所以可以考虑把多余的图片删除,删除的思路:

 

1、获取所有图片的name。

 

2、获取所有语义分割mask的name。

 

3、求二者的差集,然后将差集的name删除。

 

代码如下:

 

import glob
import os
image_all = glob.glob('data/VOCdevkit/VOC2012/JPEGImages/*.jpg')
image_all_name = [image_file.replace('\\', '/').split('/')[-1].split('.')[0] for image_file in image_all]
image_SegmentationClass = glob.glob('data/VOCdevkit/VOC2012/SegmentationClass/*.png')
image_se_name= [image_file.replace('\\', '/').split('/')[-1].split('.')[0] for image_file in image_SegmentationClass]
image_other=list(set(image_all_name) - set(image_se_name))
print(image_other)
for image_name in image_other:
    os.remove('data/VOCdevkit/VOC2012/JPEGImages/{}.jpg'.format(image_name))

 

代码链接

 

本例选用的代码来自 deep-learning-for-image-processing/pytorch_segmentation/fcn at master · WZMIAOMIAO/deep-learning-for-image-processing (github.com)

 

其他的代码也有很多,这篇比较好理解!

 

其实还有个比较好的图像分割库: https://github.com/qubvel/segmentation_models.pytorch

 

这个图像分割集合由俄罗斯的程序员小哥Pavel Yakubovskiy一手打造。在后面的文章,我也会使用这个库演示。

 

项目结构

 

├── src: 模型的backbone以及FCN的搭建
├── train_utils: 训练、验证以及多GPU训练相关模块
├── my_dataset.py: 自定义dataset用于读取VOC数据集
├── train.py: 以fcn_resnet50(这里使用了Dilated/Atrous Convolution)进行训练
├── predict.py: 简易的预测脚本,使用训练好的权重进行预测测试
├── validation.py: 利用训练好的权重验证/测试数据的mIoU等指标,并生成record_mAP.txt文件
└── pascal_voc_classes.json: pascal_voc标签文件

 

由于代码很多不能一一讲解,所以,接下来对重要的代码做剖析。

 

自定义数据集读取

 

my_dataset.py自定义数据读取的方法,代码如下:

 

import os
import torch.utils.data as data
from PIL import Image
class VOCSegmentation(data.Dataset):
    def __init__(self, voc_root, year="2012", transforms=None, txt_name: str = "train.txt"):
        super(VOCSegmentation, self).__init__()
        assert year in ["2007", "2012"], "year must be in ['2007', '2012']"
        root = os.path.join(voc_root, "VOCdevkit", f"VOC{year}")
        root=root.replace('\\','/')
        assert os.path.exists(root), "path '{}' does not exist.".format(root)
        image_dir = os.path.join(root, 'JPEGImages')
        mask_dir = os.path.join(root, 'SegmentationClass')
        txt_path = os.path.join(root, "ImageSets", "Segmentation", txt_name)
        txt_path=txt_path.replace('\\','/')
        assert os.path.exists(txt_path), "file '{}' does not exist.".format(txt_path)
        with open(os.path.join(txt_path), "r") as f:
            file_names = [x.strip() for x in f.readlines() if len(x.strip()) > 0]
        self.images = [os.path.join(image_dir, x + ".jpg") for x in file_names]
        self.masks = [os.path.join(mask_dir, x + ".png") for x in file_names]
        assert (len(self.images) == len(self.masks))
        self.transforms = transforms

 

导入需要的包。

 

定义VOC数据集读取类VOCSegmentation。在init方法中,核心是读取image列表和mask列表。

 

  def __getitem__(self, index):
        img = Image.open(self.images[index]).convert('RGB')
        target = Image.open(self.masks[index])
        if self.transforms is not None:
            img, target = self.transforms(img, target)
        return img, target

 

__getitem__方法是获取单张图片和图片对应的mask,然后对其做数据增强。

 

 def collate_fn(batch):
        images, targets = list(zip(*batch))
        batched_imgs = cat_list(images, fill_value=0)
        batched_targets = cat_list(targets, fill_value=255)
        return batched_imgs, batched_targets

 

collate_fn方法是对一个batch中数据调用cat_list做数据对齐。

 

在train.py中torch.utils.data.DataLoader调用

 

 train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,
                                               batch_size=batch_size,
                                               num_workers=num_workers,
                                               shuffle=True,
                                               pin_memory=True,
                                               collate_fn=train_dataset.collate_fn)
  val_loader = torch.utils.data.DataLoader(val_dataset,
                                             batch_size=1,
                                             num_workers=num_workers,
                                             pin_memory=True,
                                             collate_fn=val_dataset.collate_fn)

 

训练

 

重要参数

 

打开train.py,我们先认识一下重要的参数:

 

def parse_args():
    import argparse
    parser = argparse.ArgumentParser(description="pytorch fcn training")
    # 数据集的根目录(VOCdevkit)所在的文件夹
    parser.add_argument("--data-path", default="data/", help="VOCdevkit root")
    parser.add_argument("--num-classes", default=20, type=int)
    parser.add_argument("--aux", default=True, type=bool, help="auxilier loss")
    parser.add_argument("--device", default="cuda", help="training device")
    parser.add_argument("-b", "--batch-size", default=32, type=int)
    parser.add_argument("--epochs", default=30, type=int, metavar="N",
                        help="number of total epochs to train")
    parser.add_argument('--lr', default=0.0001, type=float, help='initial learning rate')
    parser.add_argument('--momentum', default=0.9, type=float, metavar='M',
                        help='momentum')
    parser.add_argument('--wd', '--weight-decay', default=1e-4, type=float,
                        metavar='W', help='weight decay (default: 1e-4)',
                        dest='weight_decay')
    parser.add_argument('--print-freq', default=10, type=int, help='print frequency')
    parser.add_argument('--resume', default='', help='resume from checkpoint')
    parser.add_argument('--start-epoch', default=0, type=int, metavar='N',
                        help='start epoch')
    # 是否使用混合精度训练
    parser.add_argument("--amp", default=False, type=bool,
                        help="Use torch.cuda.amp for mixed precision training")
    args = parser.parse_args()
    return args

 

data-path:定义数据集的根目录(VOCdevkit)所在的文件夹

 

num-classes:检测目标类别数(不包含背景)。

 

aux:是否使用aux_classifier。

 

device:使用cpu还是gpu训练,默认是cuda。

 

batch-size:BatchSize设置。

 

epochs:epoch的个数。

 

lr:学习率。

 

resume:继续训练时候,选择用的模型。

 

start-epoch:起始的epoch,针对再次训练时,可以不需要从0开始。

 

amp:是否使用torch的自动混合精度训练。

 

数据增强

 

增强调用transforms.py中的方法。

 

训练集的增强如下:

 

class SegmentationPresetTrain:
    def __init__(self, base_size, crop_size, hflip_prob=0.5, mean=(0.485, 0.456, 0.406), std=(0.229, 0.224, 0.225)):
        # 随机Resize的最小尺寸
        min_size = int(0.5 * base_size)
        # 随机Resize的最大尺寸
        max_size = int(2.0 * base_size)
        # 随机Resize增强。
        trans = [T.RandomResize(min_size, max_size)]
        if hflip_prob > 0:
            #随机水平翻转
            trans.append(T.RandomHorizontalFlip(hflip_prob))
        trans.extend([
            #随机裁剪
            T.RandomCrop(crop_size),
            T.ToTensor(),
            T.Normalize(mean=mean, std=std),
        ])
        self.transforms = T.Compose(trans)
    def __call__(self, img, target):
        return self.transforms(img, target)

 

训练集增强,包括随机Resize、随机水平翻转、随即裁剪。

 

验证集增强:

 

class SegmentationPresetEval:
    def __init__(self, base_size, mean=(0.485, 0.456, 0.406), std=(0.229, 0.224, 0.225)):
        self.transforms = T.Compose([
            T.RandomResize(base_size, base_size),
            T.ToTensor(),
            T.Normalize(mean=mean, std=std),
        ])
    def __call__(self, img, target):
        return self.transforms(img, target)

 

验证集的增强比较简单,只有随机Resize。

 

Main方法

 

对Main方法,我做了一些修改,修改的代码如下:

 

 #定义模型,并加载预训练
    model = fcn_resnet50(pretrained=True)
    # 默认classes是21,如果不是21,则要修改类别。
    if num_classes != 21:
        model.classifier[4] = torch.nn.Conv2d(512, num_classes, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
        model.aux_classifier[4] = torch.nn.Conv2d(256, num_classes, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1))
    print(model)
    model.to(device)
    # 如果有多张显卡,则使用多张显卡
    if torch.cuda.device_count() > 1:
        print("Let's use", torch.cuda.device_count(), "GPUs!")
        model = torch.nn.DataParallel(model)

 

模型,我改为pytorch官方的模型了,如果能使用官方的模型尽量使用官方的模型。

 

默认类别是21,如果不是21,则要修改类别。

 

检测系统中是否有多张卡,如果有多张卡则使用多张卡不能浪费资源。

 

如果不想使用所有的卡,而是指定其中的几张卡,可以使用:

 

os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0,1'

 

也可以在DataParallel方法中设定:

 

model = torch.nn.DataParallel(model,device_ids=[0,1])

 

如果使用了多显卡, 再使用模型的参数就需要改为model.module.xxx ,例如:

 

  params = [p for p in model.module.aux_classifier.parameters() if p.requires_grad]
            params_to_optimize.append({"params": params, "lr": args.lr * 10})

 

上面的都完成了就可以开始训练了,如下图:

 

 

测试

 

在开始测试之前,我们还要获取到调色板,新建脚本get_palette.py,代码如下:

 

import json
import numpy as np
from PIL import Image
# 读取mask标签
target = Image.open("./2007_001288.png")
# 获取调色板
palette = target.getpalette()
palette = np.reshape(palette, (-1, 3)).tolist()
print(palette)
# 转换成字典子形式
pd = dict((i, color) for i, color in enumerate(palette))
json_str = json.dumps(pd)
with open("palette.json", "w") as f:
    f.write(json_str)

 

选取一张mask,然后使用getpalette方法获取,然后将其转为字典的格式保存。

 

接下来,开始预测部分,新建predict.py,插入以下代码:

 

import os
import time
import json
import torch
from torchvision import transforms
import numpy as np
from PIL import Image
from torchvision.models.segmentation import fcn_resnet50

 

导入程序需要的包文件,然在mian方法中:

 

def main():
    aux = False  # inference time not need aux_classifier
    classes = 20
    weights_path = "./save_weights/model_5.pth"
    img_path = "./2007_000123.jpg"
    palette_path = "./palette.json"
    assert os.path.exists(weights_path), f"weights {weights_path} not found."
    assert os.path.exists(img_path), f"image {img_path} not found."
    assert os.path.exists(palette_path), f"palette {palette_path} not found."
    with open(palette_path, "rb") as f:
        pallette_dict = json.load(f)
        pallette = []
        for v in pallette_dict.values():
            pallette += v

定义是否需要aux_classifier,预测不需要aux_classifier,所以设置为False。
设置类别为20,不包括背景。
定义权重的路径。
定义调色板的路径。
读去调色板。

接下来,是加载模型,单显卡训练出来的模型和多显卡训练出来的模型加载有区别,我们先看单显卡训练出来的模型如何加载。

 

   model = fcn_resnet50(num_classes=classes+1)
    print(model)
    # 单显卡训练出来的模型,加载
    # delete weights about aux_classifier
    weights_dict = torch.load(weights_path, map_location='cpu')['model']
    for k in list(weights_dict.keys()):
        if "aux_classifier" in k:
            del weights_dict[k]
    # load weights
    model.load_state_dict(weights_dict)
    model.to(device)

 

定义模型fcn_resnet50,num_classes设置为类别+1(背景)

 

加载训练好的模型,并将aux_classifier删除。

 

然后加载权重。

 

再看多显卡的模型如何加载

 

  # create model
    model = fcn_resnet50(num_classes=classes+1)
    model = torch.nn.DataParallel(model)
    # delete weights about aux_classifier
    weights_dict = torch.load(weights_path, map_location='cpu')['model']
    print(weights_dict)
    for k in list(weights_dict.keys()):
        if "aux_classifier" in k:
            del weights_dict[k]
    # load weights
    model.load_state_dict(weights_dict)
    model=model.module
    model.to(device)

 

定义模型fcn_resnet50,num_classes设置为类别+1(背景),将模型放入DataParallel类中。

 

加载训练好的模型,并将aux_classifier删除。

 

加载权重。

 

执行torch.nn.DataParallel(model)时,model被放在了model.module,所以model.module才真正需要的模型。所以我们在这里将model.module赋值给model。

 

接下来是图像数据的处理

 

  # load image
    original_img = Image.open(img_path)
    # from pil image to tensor and normalize
    data_transform = transforms.Compose([transforms.Resize(520),
                                         transforms.ToTensor(),
                                         transforms.Normalize(mean=(0.485, 0.456, 0.406),
                                                              std=(0.229, 0.224, 0.225))])
    img = data_transform(original_img)
    # expand batch dimension
    img = torch.unsqueeze(img, dim=0)

 

加载图像。

 

对图像做Resize、标准化、归一化处理。

 

使用torch.unsqueeze增加一个维度。

 

完成图像的处理后,就可以开始预测了。

 

    model.eval()  # 进入验证模式
    with torch.no_grad():
        # init model
        img_height, img_width = img.shape[-2:]
        init_img = torch.zeros((1, 3, img_height, img_width), device=device)
        model(init_img)
        t_start = time_synchronized()
        output = model(img.to(device))
        t_end = time_synchronized()
        print("inference+NMS time: {}".format(t_end - t_start))
        prediction = output['out'].argmax(1).squeeze(0)
        prediction = prediction.to("cpu").numpy().astype(np.uint8)
        np.set_printoptions(threshold=sys.maxsize)
        print(prediction.shape)
        mask = Image.fromarray(prediction)
        mask.putpalette(pallette)
        mask.save("test_result.png")

 

将预测后的结果保存到test_result.png中。查看运行结果:

 

原图:

 

 

结果:

 

 

打印出来的数据:

 

 

类别列表:

 

{
    "aeroplane": 1,
    "bicycle": 2,
    "bird": 3,
    "boat": 4,
    "bottle": 5,
    "bus": 6,
    "car": 7,
    "cat": 8,
    "chair": 9,
    "cow": 10,
    "diningtable": 11,
    "dog": 12,
    "horse": 13,
    "motorbike": 14,
    "person": 15,
    "pottedplant": 16,
    "sheep": 17,
    "sofa": 18,
    "train": 19,
    "tvmonitor": 20
}

 

从结果来看,已经预测出来图像上的类别是“train”。

 

总结

 

这篇文章的核心内容是讲解如何使用FCN实现图像的语义分割。

 

在文章的开始,我们讲了一些FCN的结构和优缺点。然后,讲解了如何读取数据集。接下来,告诉大家如何实现训练。最后,是测试以及结果展示。希望本文能给大家带来帮助。

 

完整代码: https://download.csdn.net/download/hhhhhhhhhhwwwwwwwwww/83778007

 

Be First to Comment

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。