三个优秀的语义分割框架 PyTorch实现
【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
JPEGImagesSegmentationClass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：
标签：
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。
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 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:]
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 ，即10和15。
X = torch.rand(size=(1, 3, 320, 480))
net(X).shape
使用 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 且 ，我们构造一个步幅为 的转置卷积层，并将卷积核的高和宽设为 ，填充为 。
我们可以看到如果步幅为 ，填充为 （假设 是整数)且卷积核的高和宽为 ，转置卷积核会将输入的高和宽分别放大 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 (????,????) 映射到输入图像的坐标 (????′,????′) 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 ????′ 和 ????′ 是实数。
然后，在输入图像上找到离坐标 (????′,????′) 最近的4个像素。
最后，输出图像在坐标 (????,????) 上的像素依据输入图像上这4个像素及其与 (????′,????′) 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)
4 开源代码和Dataset
数据集下载地址：http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/VOCtrainval_11-May-2012.tar
输入样本：
输出样本：
运行Segmentat_pytorch.ipynp：
训练：
!python3 train.py -m Unet -g 0
预测：
模型代码包括FCN、U-Net和Deeplab的实现，大家可以更方便的更换模型训练和预测。
DeeplabV3分割结果：
FCN分割结果：
U-Net分割结果：
记得点个Star哦！
5 总结
通过与分割标准图像的对比，可以发现该模型的输出分割图像与分割标准图像几乎一致，同时模型的输出分割图像与原图也较好的融合，说明该模型具有较好的准确性。
此外，从输入图像大小来看，该模型可以输入任意大小的图像，并输出相同大小的已经标签好的分割图像。由于是针对PASCAL VOC数据集图像进行的分割，PASCAL VOC数据集中只支持20个类别（背景为第21个类别），所以在分割时，遇到不在20个类别中的事物都将其标为背景。
但总体来说，该模型对PASCAL VOC数据集的图像分割达到了较高准确率。
6 参考
[1].https://zh-v2.d2l.ai/index.html
个人简介：李响Superb，CSDN百万访问量博主，普普通通男大学生，深度学习算法、医学图像处理专攻，偶尔也搞全栈开发，没事就写文章。
博客地址：lixiang.blog.csdn.net；编辑：GiantPandaCV
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