全卷积网络（FCN）实战：使用FCN实现语义分割

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。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gkAh3lkw-1646780135455)(C:\Users\WH\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220301144624435.png)]

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)。

数据集的结构：

VOCdevkit└── VOC2012├── Annotations               所有的图像标注信息(XML文件)├── ImageSets    │   ├── Action                人的行为动作图像信息│   ├── Layout                人的各个部位图像信息│   ││   ├── Main                  目标检测分类图像信息│   │     ├── train.txt       训练集(5717)│   │     ├── val.txt         验证集(5823)│   │     └── trainval.txt    训练集+验证集(11540)│   ││   └── Segmentation          目标分割图像信息│         ├── train.txt       训练集(1464)│         ├── val.txt         验证集(1449)│         └── trainval.txt    训练集+验证集(2913)│ ├── JPEGImages                所有图像文件├── SegmentationClass         语义分割png图（基于类别）└── SegmentationObject        实例分割png图（基于目标）

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)

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 Imageclass 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 argparseparser = 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_classifierclasses = 20weights_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。
定义权重的路径。
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_classifierweights_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 weightsmodel.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 modelmodel = fcn_resnet50(num_classes=classes+1)model = torch.nn.DataParallel(model)# delete weights about aux_classifierweights_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 weightsmodel.load_state_dict(weights_dict)model=model.modulemodel.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 imageoriginal_img = Image.open(img_path)# from pil image to tensor and normalizedata_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 dimensionimg = 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增加一个维度。

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 modelimg_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”。