在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP

本文属原创,转载须标明:https://blog.csdn.net/saw009/article/details/91788671

❶.简介

关键词:图像检索;VGG16;holidays数据集;mAP

运行环境:Windows10,MATLAB R2018b

注:本文重点关注如何计算holidays数据集的mAP,因此,不对其他部分做详细解释。

❷.步骤预览

1.搭建环境

2.特征提取

3.相似性匹配

4.计算性能(mAP)

❸.实施过程

1.搭建环境

a.安装VGG16模型

本文利用MATLAB R2018b来使用卷积神经网络VGG16来提取图像特征,因此,需要提前在MATLAB上安装预训练好的VGG16模型。具体步骤如下图所示:首先在附加功能中点击获取附加功能按钮;然后,搜索VGG16;最后,进入相应结果进行安装。

在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第1张图片在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第2张图片

在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第3张图片

b.设置工作文件夹内容

本文的工作文件夹名设置为images,其中,包含两个子文件夹(jpg,特征),三个实时脚本文件(features_by_VGG16.mlx,Return_result.mlx,holidays_map.mlx)和两个.dat文件(holidays_images.dat,resultfile.dat)。文件夹内容分布及每个文件的作用如下图所示。

在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第4张图片

c.代码执行顺序

features_by_VGG16.mlxReturn_result.mlxholidays_map.mlx

2.特征提取

从该部分开始,本文将详细解释上述三个代码的内容,若只需相应的实验结果,通过上述的代码执行顺序即可得出。

该部分可以分为以下几个步骤:

1.加载数据集所有图像,并获取文件数,设置一些需要用到的变量

2.加载VGG16模型,获取模型要求的输入图像大小

3.提取每幅图像的fc7特征

4.保存一些中间变量,避免下次使用时,需要重新提取

5.pca降维

6.按图像名保存特征文件

上述步骤的详细解释将放在代码中,故不再详述。

% dataset -> Holidays Dataset:http://lear.inrialpes.fr/~jegou/data.php
% 下载无速度时,可访问该链接进行下载:https://download.csdn.net/download/saw009/11237703

% 读取holidays所有图像文件
dataset = dir('./jpg/*.jpg');
% 获取图像文件数目
file_num= size(dataset,1);
% 建立图像文件名变量
imgname = cell(file_num,1);
% 建立VGG16特征变量,每行表示一幅图像的特征,fc7共4096维
f_fc7 = zeros(file_num,4096);

% 加载VGG16模型,并获取模型对图像的输入大小要求
net = vgg16;
insz = net.Layers(1).InputSize;

% 提取所有图像的fc7层特征
for i=1:file_num
    % 加载图像路径
    img_path = dataset(i).folder + "\" + dataset(i).name;
    % 获取图片名imgname(不包含文件格式.jpg)
    pic_num = split(dataset(i).name,{'.'});
    imgname(i) = pic_num(1);
    % 读取图像
    im = imread(img_path);
%     % 判断图像是否为单通道的灰度图像,若是,则将其转换为3通道的图像
%     if size(im,3)==1
%         rgb=cat(3,im,im,im);
%         im = mat2gray(rgb);
%     end
    % 将读取处理的图像转换成单精度,防止零均值化后,小于零的像素值被丢弃
    img = single(im);
    % 将输入图像缩放至VGG16模型所要求的大小,默认使用双三次插值的imresize要比默认使用双线性插值的augmentedImageDatastore更好
    img_resize = imresize(img, insz(1:2));
    % 提取特征
    f_fc7(i,:) = activations(net,img_resize,'fc7','OutputAs','rows');
    % 显示进度
    if mod(i,100) == 0
        i
    end
end

% 保存中间变量
save('f_fc7.mat','f_fc7');
save('imgname.mat','imgname');

% 对提取出来的特征进行归一化后,能够进一步提高精确度
% normalize比normr精确度更高,即服从标准正态分布的数据比L2标准化要好
% normalize采用标准正态分布
% normr采用L2标准化,其使用方式为:normr(f_fc7)
% pca降维
f_fc7_normalizing = normalize(f_fc7,2);
[f_COEFF7, f_SCORE7, f_latent7]=pca(f_fc7_normalizing);

% 将降维后的特征按序号保存,仅取前64维
for i=1:file_num
    feature = f_SCORE7(i,1:64);
    dlmwrite(['./特征/',imgname{i},'.txt'],feature);
end

3.相似性匹配

匹配过程中使用L1距离,重点在于如何保存匹配后产生的结果文件。

根据holidays数据集发布页中EVALUATION PACKAGE文件(python代码),结果文件的格式要求为:

每一行为一幅查询图像的返回结果,其格式为:查询图像名 返回结果序号(0) 返回图像名(0) 返回结果序号(1) 返回图像名(1) ...

注:图像名如:123456.jpg,(数字)表示序号从0开始,返回图像对应的返回序号。内容如下图所示:

在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第5张图片

匹配步骤:

1.读取特征文件,设置一些需要用到的变量

2.将特征文件读入矩阵:行表示特征,列表示维度

3.进行匹配:每幅图像将与holidays数据集中的所有图像进行L1距离计算,然后选出距离最小的前num_return幅图像,最后按照  结果文件的格式要求按行排列。

4.保存匹配后的结果

上述步骤的详细解释将放在代码中,故不再详述。

% 读取特征文件
features_file = dir('./特征/*.txt');
% 建立特征文件数量变量
features_num = size(features_file,1);

% 将特征文件读入矩阵:行表示特征,列表示维度
% 读取特征的维度,方便建立特征矩阵
feature1_path = features_file(1).folder + "\" + features_file(1).name;
features_dim = size(importdata(feature1_path),2);
% 建立特征矩阵
features = zeros(features_num,features_dim);
for i = 1:features_num
    features_path = features_file(i).folder + "\" + features_file(i).name;
    features(i,:) = importdata(features_path);
end

% 设置返回图像数目:注意原图像也在其中
num_return = 5;
% 建立返回结果文件变量
resultfile = {};
l = 1;
for i=1:features_num
    % 计算当前图像与所有图像的L1距离
    L1 = zeros(features_num,1);
    for j=1:features_num
        diff = features(i,:) - features(j,:);
        L1(j) = sum(abs(diff));
    end
    % 对L1距离的结果进行排序
    % ****特别注释,sort可以直接返回排好序之后,原来对应的索引index
    [L1_sorted, index] = sort(L1);
    % 先将查询图像名放在元胞中,然后通过for循环将返回排序号和返回图像依次放在后面,以下是python代码中的定义
    % result_line = query_image_name query_result*
    % query_result = rank result_image_name 
    
    %将文件名从.txt转为.jpg,因为保存的是图片名
    query_image_name = split(features_file(i).name,'.');
    result_line = [query_image_name{1},'.jpg'];
    % 只保存500幅查询图像的返回结果
    if mod(str2double(query_image_name{1}),100)==0
        % k从2开始取值,因为返回图像不包含查询图像
        for k=2:num_return
            % 序号rank要从0开始,因此要减2
            rank = k-2;
            result_image_name = split(features_file(index(k)).name,'.');
            query_result = [num2str(rank),' ',result_image_name{1},'.jpg'];
            %这个步骤很重要,通过中间变量temp产生新的result_line,可惜MATLAB没有python中.append()那样的功能
            temp = [result_line,' ',query_result];
            result_line = temp;
        end
        resultfile{l,1} = result_line;
        l=l+1;
    end
end

% 保存返回结果文件,保存之前先清空
dlmwrite('resultfile.dat','');
for i=1:size(resultfile,1)
    dlmwrite('resultfile.dat',resultfile{i,1},'delimiter', '','newline','pc','-append');
end

   虽然上述代码中有了详细的注释,但关于如何使用{},[]来建立元胞,矩阵实在是难以表达,因此还望见谅。其实,在写代码的过程中,最重要的是掌握算法的思想和原理,具体需要用到什么语句来实现,不懂的可以百度或者请教老师和同学。

4.计算性能(mAP)

该部分和holidays数据集发布页中EVALUATION PACKAGE文件(python代码)基本相同,可以算是python代码的MATLAB版复现。只要能读懂源代码,此代码的阅读也是小菜一碟。

计算步骤:

1.读取返回结果文件和groundtruth文件

2.获取所有图像的名字(变量:allnames)以及每幅查询图像的groundtruth(变量:gt,该变量中的每一行与返回结果文件相似,首先是查询图像,后面是相关图像(与查询图像相似,或正例图像)),值得注意的是,该数据集包含1491张图像,但其中500张图像用作查询图像,这些图像的名字就能被100整除。

3.计算mAP:这里的mAP是PR曲线下的面积AUC,通过近似积分的形式计算(累加梯形面积),但也有其他的计算方式。

同样,上述步骤的详细解释将放在代码中,故不再详述。

% 查询返回结果文件resultfile.dat格式
% 每一行为一幅图像的查询结果:查询图像 返回序号(0) 返回图像(0) 返回序号(1) 返回图像(1) ...
% 图像格式:123456.jpg
infilename = importdata('resultfile.dat');
groundtruth = importdata('holidays_images.dat');

% get_groundtruth
%%% Read datafile holidays_images.dat and output a dictionary
%%% mapping queries to the set of positive results (plus a list of all
%%% images)
allnames = groundtruth;
% 建立所有图像的groundtruth,没有找到字典的功能,只能用元胞代替了
gt = cell(500,2);
k=0;
for i=1:size(groundtruth,1)
    % 单个图像的名字(包含.jpg)
    imname = groundtruth{i};
    imname_split = split(imname,'.');
    % 单个图像的名字(不包含.jpg)
    imno = str2double(imname_split(1));
    % 查询图像名能被100整除,查询图像后的图像就是其相关图像,这里是if...else...就是这个作用
    if mod(imno,100)==0
        k = k+1;
        gt{k,1} = imname;
        gt{k,2} = {};
    else
        temp = [gt{k,2},{imname}];
        gt{k,2} = temp;
    end
end

% 建立所有查询图像的AP的和,以及查询图像数
sum_ap = 0;
n = 0;
for i=1:size(infilename,1)
    % 提取每一行的查询图像query_name,返回结果和序号results
    infilename_line = split(infilename{i},' ');
    query_name = infilename_line{1};
    query_name_split = split(query_name,'.');
    imno = str2double(query_name_split(1));
    % 如果不是查询图像则不计算AP
    if ~mod(imno,100)==0
        continue
    end
    results = infilename_line(2:end);
    % 提取查询图像在gt中所在的位置,方便查找相关图像(由于MATLAB没有字典,所以通过该方式实现)
    [row,col] = ind2sub(size(gt),find(cellfun(@(x)strcmp(x,query_name),{gt{:,1}})));
    gt_results = gt{row,2};
    % tp_ranks是相关图像的序号,rank_shift用于移除查询图像是相关图像的情况
    tp_ranks=[];
    rank_shift=0;
    for j=1:size(results,1)/2
        rank = results(j*2-1);
        returned_name = results(j*2);
        % 返回图像不在数据集中,执行报错
        if ~ismember(returned_name,allnames)
            error(returned_name + " is not in holidays dataset")
        end
        if returned_name{1}==query_name
            rank_shift=-1;
        elseif ismember(returned_name,gt_results)
            tp_ranks = [tp_ranks,str2double(rank{1})+rank_shift];
        end
    end
    
    % score_ap_from_ranks_1,计算ap的函数
    % 其中值得注意的是ntp=j-1,由于python中是从0开始,所以参与运算时减1;作为索引时不减
    ranks = tp_ranks;
    nres = size(gt_results,2);
    ap=0;
    recall_step=1.0/nres;
    for j=1:size(ranks,2)
        rank = ranks(j);
        ntp = j-1;
        if rank==0
            precision_0=1.0;
        else
            precision_0=ntp/rank;
        end
        precision_1=(ntp+1)/(rank+1);
        ap = ap + (precision_1+precision_0)*recall_step/2.0;
    end
    sum_ap = sum_ap+ap;
    n=n+1;
end
map = sum_ap/n

最终结果:

5.使用python源文件计算mAP

在holidays数据集发布页中下载好EVALUATION PACKAGE文件(python代码)之后,解压可以得到如图文件:

在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第6张图片

打开holidays_map.py文件,可以看到计算mAP的源代码已经如何使用该代码,使用方式如下图所示:在图像检索任务下,使用VGG16的全连接层fc7计算holidays数据集的mAP_第7张图片

接下来,讲一下如何使用,首先python的环境要在python2.7;然后,打开Windows命令窗;在其中,跳转到源代码所在的文件夹;然后输入上图黑框圈出的命令,得出结果如下图所示。

 

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