计算机视觉：比SAM快50倍的分割一切视觉模型FastSAM
目录
引言
1 FastSAM介绍
1.1 FastSAM诞生
1.2 模型算法
1.3 实验结果
2 FastSAM运行环境构建
2.1 conda环境构建
2.2 运行环境安装
2.3 模型下载
3 FastSAM运行
3.1 命令行运行
3.1.1 Everything mode
3.1.2 Text prompt
3.1.3 Box prompt (xywh)
3.1.4 Points prompt
3.2 通过代码调用
4 总结
引言
MetaAI提出的能够“分割一切”的视觉基础大模型SAM提供了很好的分割效果，为探索视觉大模型提供了一个新的方向。虽然sam的效果很好，但由于SAM的backbone使用了vit，导致推理时显存的占用较多，推理速度偏慢，对硬件的要求较高，在项目应用上有很大的限制。
SAM的详细讲解：https://blog.csdn.net/lsb2002/article/details/131421165
一些研究在尝试解决这个问题，其中一个是清华团队的Expedit-SAM，对模型进行加速，论文结果最多可以提速1.5倍。主要思路是用2个不需要参数的操作：token clustering layer和token reconstruction layer。token clustering layer通过聚类将高分辨率特征转到低分辨率，推理时用低分辨率的进行卷积等操作，这样可以加速推理时间；token reconstruction layer是将低分辨率特征重新转回高分辨率。个人测试好像没有明显提升，不过已经打开了sam推理加速的思路。
1 FastSAM介绍
1.1 FastSAM诞生
最近发布的FastSAM（Fast Segment Anything），论文结果最快提升50倍，参数更少，显存占用减少，适合应用部署。
FastSAM是基于YOLOv8-seg的，这是一个配备了实例分割分支的对象检测器，它利用了YOLACT 方法。作者还采用了由SAM发布的广泛的SA-1B数据集。通过直接在仅2%（1/50）的SA-1B数据集上训练这个CNN检测器，它实现了与SAM相当的性能，但大大减少了计算和资源需求，从而实现了实时应用。作者还将其应用于多个下游分割任务，以显示其泛化性能。在MS COCO的对象检测任务上，在AR1000上实现了63.7，比32×32点提示输入的SAM高1.2分，在NVIDIA RTX 3090上运行速度快50倍。
实时SMA对工业应用都是有价值的。它可以应用于许多场景。所提出的方法不仅为大量的视觉任务提供了一种新的、实用的解决方案，而且它的速度非常高，比目前的方法快数十或数百倍。它还为一般视觉任务的大型模型架构提供了新的用途。作者认为，对于专业的任务，专业的模型具备更好的效率和准确性的权衡。然后，在模型压缩的意义上，FastSAM的方法证明了一个路径的可行性，通过引入一个人工的结构，可以显著减少计算工作量。
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2306.12156.pdf
代码地址：https://github.com/CASIA-IVA-Lab/FastSAM
web demo：https://huggingface.co/spaces/An-619/FastSAM
1.2 模型算法
以yolov8-seg的instance segmentation为基础，检测时集成instance segmentation分支。
FastSAM主要分成2步：全实例分割(all instance Segmentation)和基于prompt的mask输出(Prompt-guided Selection)。
全实例分割(all instance Segmentation)
- 模型：基于yolov8-seg的模型.
- 实例分割：yolov8-seg实现了实例分割，结果包含了检测和分割分支。检测分支输出box和类别cls,检测分支输出k（默认为32）个mask分数，检测和分割分支是并行的。看推理代码的模型，这块其实就是yolov8的segment网络，具体可以看yolov8的segment训练代码。
Prompt-guided Selection
利用prompt挑选出感兴趣的特点目标，类似sam，支持point/box/text。
- point prompt：点prompt用点和实例分割输出的mask进行匹配。和sam一样，利用前景点/背景点作为prompt。如果一个前景点落在多个mask中，可以通过背景点进行过滤。通过使用一组前景/背景点，能够在感兴趣的区域内选择多个mask，然后将这些mask合并为一个mask，用于完整的标记感兴趣的对象。此外，利用形态学操作来提高掩模合并的性能。
- box prompt：与实例分割输出的mask的box和输入的box进行iou计算，利用iou得分过滤mask。
- text prompt：利用clip模型，利用图像编码和文本编码直接的相似性，提取分数较高的mask。因为引入clip模型，text prompt的运行速度比较慢。
1.3 实验结果
FastSAM利用yolov8-x模型；取SA-1B数据集的2%进行监督训练；为了检测更大的instance，将yolov8的reg_max参数从16改成26；输入图像的size为1024。在4种级别的任务上与SAM的zero-shot对比：边缘检测、目标Proposal、实例分割、提示输入分割。
- 边缘检测：将模型的全景实例分割结果用sobel算子得到边缘，FastSAM与SAM性能相近，都倾向于预测更多的边（数据集中没有标注的边）
- 目标Proposal：在coco上对比了SAM、ViTDet、OLN和FastSAM，FastSAM与SAM略差，但其是zero-shot transfer，而OLN在voc上进行预训练
- 实例分割：使用ViTDet [23]生成的边界框（bbox）作为提示符来完成实例分割任务，FastSAM比SAM差一些。
- 提示输入分割：与SAM性能类似，但是运行效率有些低下（这主要是受CLIP模型的影响）
2 FastSAM运行环境构建
2.1 conda环境构建
conda环境准备详见：annoconda
2.2 运行环境安装
conda create -n fastsam python=3.9
conda activate fastsam
git clone https://ghproxy.com/https://github.com/CASIA-IVA-Lab/FastSAM.git
cd FastSAM
pip install -r requirements.txt
pip install git+https://ghproxy.com/https://github.com/openai/CLIP.git2.3 模型下载
创建模型保存模型的目录weights
mkdir weights模型下载地址：模型
模型下载后，存储到weights目录下
(fastsam) [root@localhost FastSAM]# ll weights/
总用量 141548
-rw-r--r-- 1 root root 144943063 8月 21 16:28 FastSAM_X.pt3 FastSAM运行
原始图片如下，通过FastSAM对这张图片进行处理
3.1 命令行运行
3.1.1 Everything mode
python Inference.py --model_path ./weights/FastSAM_X.pt --img_path ./images/dogs.jpg
3.1.2 Text prompt
python Inference.py --model_path ./weights/FastSAM_X.pt --img_path ./images/dogs.jpg --text_prompt "the yellow dog"
3.1.3 Box prompt (xywh)
python Inference.py --model_path ./weights/FastSAM_X.pt --img_path ./images/dogs.jpg --box_prompt "[[570,200,230,400]]"
3.1.4 Points prompt
python Inference.py --model_path ./weights/FastSAM_X.pt --img_path ./images/dogs.jpg --point_prompt "[[520,360],[620,300]]" --point_label "[1,0]"
3.2 通过代码调用
vi test.pyfrom fastsam import FastSAM, FastSAMPrompt
model = FastSAM('./weights/FastSAM_X.pt')
IMAGE_PATH = './images/dogs.jpg'
DEVICE = 'cpu'
everything_results = model(IMAGE_PATH, device=DEVICE, retina_masks=True, imgsz=1024, conf=0.4, iou=0.9,)
prompt_process = FastSAMPrompt(IMAGE_PATH, everything_results, device=DEVICE)
# everything prompt
ann = prompt_process.everything_prompt()
# bbox default shape [0,0,0,0] -> [x1,y1,x2,y2]
ann = prompt_process.box_prompt(bbox=[200, 200, 300, 300])
# text prompt
ann = prompt_process.text_prompt(text='a photo of a dog')
# point prompt
# points default [[0,0]] [[x1,y1],[x2,y2]]
# point_label default [0] [1,0] 0:background, 1:foreground
ann = prompt_process.point_prompt(points=[[620, 360]], pointlabel=[1])
prompt_process.plot(annotations=ann,output_path='./output/dog.jpg',)python test.py 
4 总结
在FastSAM模型中，作者重新考虑了segment of anything task和相应模型结构的选择，并提出了一个比SAM-ViT-H (32×32)运行速度快50倍的替代解决方案。实验结果表明，FastSAM可以很好地解决多个下游任务。尽管如此，FastSAM仍有几个弱点可以加以改进，比如评分机制和实例面具生成范式。这些问题都留待进一步研究。