用Pytorch实现三个优秀的自然图像分割框架！(4)

【GiantPandaCV导语】本文基于动手深度学习项目讲解了FCN进行自然图像语义分割的流程，并对U-Net和Deeplab网络进行了实验，在Github和谷歌网盘上开源了代码和预训练模型，训练和预测的脚本已经做好封装，读者可以自行下载使用。

1 前言¶

使用的VOC数据集链接开放在文章中，预训练模型已上传Github，环境我使用Colab pro，大家下载模型做预测即可。

代码链接： https://github.com/lixiang007666/segmentation-learning-experiment-pytorch

使用方法：

下载VOC数据集，将JPEGImages SegmentationClass两个文件夹放入到data文件夹下。

终端切换到目标目录，运行python train.py -h查看训练

(torch) qust116-jq@qustx-X299-WU8:~/语义分割$ python train.py -h
usage: train.py [-h] [-m {Unet,FCN,Deeplab}] [-g GPU]

choose the model

optional arguments:
  -h, --help            show this help message and exit
  -m {Unet,FCN,Deeplab}, --model {Unet,FCN,Deeplab}
                        输入模型名字
  -g GPU, --gpu GPU     输入所需GPU

选择模型和GPU编号进行训练，例如运行python train.py -m Unet -g 0

预测需要手动修改predict.py中的模型

如果对FCN非常了解的，可以直接跳过d2l(动手学深度学习)的讲解到最后一部分。

2 数据集¶

VOC数据集一般是用来做目标检测，在2012版本中，加入了语义分割任务。

基础数据集中包括：含有1464张图片的训练集，1449的验证集和1456的测试集。一共有21类物体。

PASCAL VOC分割任务中，共有20个类别的对象，其他内容作为背景类，其中红色代表飞机类，黑色是背景，飞机边界部分用米黄色（看着像白色）线条描绘，表示分割模糊区。

其中，分割标签都是png格式的图像，该图像其实是单通道的颜色索引图像，该图像除了有一个单通道和图像大小一样的索引图像外，还存储了256个颜色值列表（调色板），每一个索引值对应调色板里一个RGB颜色值，因此，一个单通道的索引图+调色板就能表示彩色图。

原图：

在这里插入图片描述

标签：

在这里插入图片描述

挑选一张图像可以发现，单张图像分割类别不只两类，且每张图像类别不固定。

在这里插入图片描述

3 全卷积神经网络¶

语义分割能对图像中的每个像素分类。全卷积网络 (fully convolutional network，FCN) 采用卷积神经网络实现了从图像像素到像素类别的变换。与我们之前在图像分类或目标检测部分介绍的卷积神经网络不同，全卷积网络将中间层特征图的高和宽变换回输入图像的尺寸：这是通过中引入的转置卷积（transposed convolution）层实现的。因此，输出的类别预测与输入图像在像素级别上具有一一对应关系：给定空间维上的位置，通道维的输出即该位置对应像素的类别预测。

%matplotlib inline
import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from d2l import torch as d2l

3.1 网络结构¶

全卷积网络先使用卷积神经网络抽取图像特征，然后通过 $1\times 1$ 卷积层将通道数变换为类别个数，最后再通过转置卷积层将特征图的高和宽变换为输入图像的尺寸。因此，模型输出与输入图像的高和宽相同，且最终输出的通道包含了该空间位置像素的类别预测。

下面，我们使用在ImageNet数据集上预训练的ResNet-18模型来提取图像特征，并将该网络实例记为pretrained_net。该模型的最后几层包括全局平均汇聚层和全连接层，然而全卷积网络中不需要它们。

pretrained_net = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
list(pretrained_net.children())[-3:]

运行结果创建一个全卷积网络实例net。它复制了Resnet-18中大部分的预训练层，但除去最终的全局平均汇聚层和最接近输出的全连接层。

net = nn.Sequential(*list(pretrained_net.children())[:-2])

给定高度和宽度分别为320和480的输入，net的前向计算将输入的高和宽减小至原来的 $1/32$ ，即10和15。

X = torch.rand(size=(1, 3, 320, 480))
net(X).shape

使用

$1\times1$ 卷积层将输出通道数转换为Pascal VOC2012数据集的类数（21类)。最后，我们需要将要素地图的高度和宽度增加32倍，从而将其变回输入图像的高和宽。

回想一下卷积层输出形状的计算方法：

由于 $(320-64+16\times2+32)/32=10$ 且 $(480-64+16\times2+32)/32=15$ ，我们构造一个步幅为 $32$ 的转置卷积层，并将卷积核的高和宽设为 $64$ ，填充为 $16$ 。

我们可以看到如果步幅为 $s$ ，填充为 $s/2$ （假设 $s/2$ 是整数)且卷积核的高和宽为 $2s$ ，转置卷积核会将输入的高和宽分别放大 $s$ 倍。

num_classes = 21
net.add_module('final_conv', nn.Conv2d(512, num_classes, kernel_size=1))
net.add_module('transpose_conv', nn.ConvTranspose2d(num_classes, num_classes,
                                    kernel_size=64, padding=16, stride=32))

3.2 初始化转置卷积层¶

将图像放大通常使用上采样(upsampling)方法。双线性插值（bilinear interpolation）是常用的上采样方法之一，它也经常用于初始化转置卷积层。

为了解释双线性插值，假设给定输入图像，我们想要计算上采样输出图像上的每个像素。

首先，将输出图像的坐标 (𝑥,𝑦) 映射到输入图像的坐标 (𝑥′,𝑦′) 上。例如，根据输入与输出的尺寸之比来映射。请注意，映射后的 𝑥′ 和 𝑦′ 是实数。

然后，在输入图像上找到离坐标 (𝑥′,𝑦′) 最近的4个像素。

最后，输出图像在坐标 (𝑥,𝑦) 上的像素依据输入图像上这4个像素及其与 (𝑥′,𝑦′) 的相对距离来计算。

双线性插值的上采样可以通过转置卷积层实现，内核由以下bilinear_kernel函数构造。限于篇幅，我们只给出bilinear_kernel函数的实现，不讨论算法的原理。

def bilinear_kernel(in_channels, out_channels, kernel_size):
    factor = (kernel_size + 1) // 2
    if kernel_size % 2 == 1:
        center = factor - 1
    else:
        center = factor - 0.5
    og = (torch.arange(kernel_size).reshape(-1, 1),
          torch.arange(kernel_size).reshape(1, -1))
    filt = (1 - torch.abs(og[0] - center) / factor) * \
           (1 - torch.abs(og[1] - center) / factor)
    weight = torch.zeros((in_channels, out_channels,
                          kernel_size, kernel_size))
    weight[range(in_channels), range(out_channels), :, :] = filt
    return weight

用双线性插值的上采样实验它由转置卷积层实现。我们构造一个将输入的高和宽放大2倍的转置卷积层，并将其卷积核用bilinear_kernel函数初始化。

conv_trans = nn.ConvTranspose2d(3, 3, kernel_size=4, padding=1, stride=2,
                                bias=False)
conv_trans.weight.data.copy_(bilinear_kernel(3, 3, 4));

在全卷积网络中，我们用双线性插值的上采样初始化转置卷积层。对于 1×1卷积层，我们使用Xavier初始化参数。

W = bilinear_kernel(num_classes, num_classes, 64)
net.transpose_conv.weight.data.copy_(W);

3.3 训练¶

损失函数和准确率计算与图像分类中的并没有本质上的不同，因为我们使用转置卷积层的通道来预测像素的类别，所以在损失计算中通道维是指定的。此外，模型基于每个像素的预测类别是否正确来计算准确率。

def loss(inputs, targets):
    return F.cross_entropy(inputs, targets, reduction='none').mean(1).mean(1)

num_epochs, lr, wd, devices = 5, 0.001, 1e-3, d2l.try_all_gpus()
trainer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=lr, weight_decay=wd)
d2l.train_ch13(net, train_iter, test_iter, loss, trainer, num_epochs, devices)