使用FCN实现语义分割

来源：投稿 作者：王浩
编辑：学姐

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。

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改变了什么?

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4。

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)。

http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/index.html

数据集的结构

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)

https://github.com/WZMIAOMIAO/deep-learning-for-image-processing/tree/master/pytorch_segmentation/fcn

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增加一个难度。

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”。

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