UNet语义分割实战：使用UNet实现对人物的抠图

Posted 2022-04-08 AI浩

摘要

在上一篇文章，我总结了一些UNet的基础知识，对UNet不了解的可以看看，文章链接：https://wanghao.blog.csdn.net/article/details/123714994

我也整理的UNet的pytorch版本，文章链接：

https://blog.csdn.net/hhhhhhhhhhwwwwwwwwww/article/details/123280059

今天这篇文章讲解如何使用UNet实现图像的二分类分割。

关于二分类一般有两种做法：

第一种输出是单通道，即网络的输出 output 为 [batch_size, 1, height, width] 形状。其中 batch_szie 为批量大小，1 表示输出一个通道，height 和 width 与输入图像的高和宽保持一致。

在训练时，输出通道数是 1，网络得到的 output 包含的数值是任意的数。给定的 target ，是一个单通道标签图，数值只有 0 和 1 这两种。为了让网络输出 output 不断逼近这个标签，首先会让 output 经过一个sigmoid 函数，使其数值归一化到[0, 1]，得到 output1 ，然后让这个 output1 与 target 进行交叉熵计算，得到损失值，反向传播更新网络权重。最终，网络经过学习，会使得 output1 逼近target。

训练结束后，网络已经具备让输出的 output 经过转换从而逼近 target 的能力。首先将输出的 output 通过sigmoid 函数，然后取一个阈值（一般设置为0.5），大于阈值则取1反之则取0，从而得到预测图 predict。后续则是一些评估相关的计算。

如果网络的最后一层使用sigmoid，则选用BCELoss，如果没有则选择用BCEWithLogitsLoss，例：

最后一层没有sigmod

output = net(input)  # net的最后一层没有使用sigmoid
loss_func1 = torch.nn.BCEWithLogitsLoss()
loss = loss_func1(output, target)

加上sigmod

output = net(input)  # net的最后一层没有使用sigmoid
output = F.sigmoid(output)
loss_func1 = torch.nn.BCEWithLoss()
loss = loss_func1(output, target)

预测的时:

output = net(input)  # net的最后一层没有使用sigmoid
output = F.sigmoid(output)
predict=torch.where(output>0.5,torch.ones_like(output),torch.zeros_like(output))

第二种输出是多通道，即网络的输出 output 为 [batch_size, num_class, height, width] 形状。其中 batch_szie 为批量大小，num_class 表示输出的通道数与分类数量一致，height 和 width 与输入图像的高和宽保持一致。

在训练时，输出通道数是 num_class（这里取2）。给定的 target ，是一个单通道标签图，数值只有 0 和 1 这两种。为了让网络输出 output 不断逼近这个标签，首先会让 output 经过一个 softmax 函数，使其数值归一化到[0, 1]，得到 output1 ，在各通道中，这个数值加起来会等于1。对于target 他是一个单通道图，首先使用onehot编码，转换成 num_class个通道的图像，每个通道中的取值是根据单通道中的取值计算出来的，例如单通道中的第一个像素取值为1（0<= 1 <=num_class-1，这里num_class=2），那么onehot编码后，在第一个像素的位置上，两个通道的取值分别为0，1。也就是说像素的取值决定了对应序号的通道取1，其他的通道取0，这个非常关键。上面的操作执行完后得到target1，让这个 output1 与 target1 进行交叉熵计算，得到损失值，反向传播更新网路权重。最终，网络经过学习，会使得 output1 逼近target1（在各通道层面上）。

训练结束后，网络已经具备让输出的 output 经过转换从而逼近 target 的能力。计算 output 中各通道每一个像素位置上，取值最大的那个对应的通道序号，从而得到预测图 predict。

训练选择用的loss是加插上损失函数，例：

output = net(input)  # net的最后一层没有使用sigmoid
loss_func = torch.nn.CrossEntropyLoss()
loss = loss_func(output, target)

预测时

output = net(input)  # net的最后一层没有使用sigmoid
predict = output.argmax(dim=1)

本次实战选用的第二种做法。

选用的代码地址：milesial/Pytorch-UNet: PyTorch implementation of the U-Net for image semantic segmentation with high quality images (github.com)

下载代码后，解压到本地，如下图：

数据集

数据集地址：http://www.cse.cuhk.edu.hk/~leojia/projects/automatting/，发布于2016年。

数据集包含2000张图，训练集1700张，测试集300张，数据都是来源于Flickr的肖像图，图像原始分辨率大小为600×800，其中Matting用closed-form matting和KNN matting方法生成。

由于肖像分割数据集商业价值较高，因此公开的大规模数据集很少，这个数据集是其中发布较早，使用范围也较广的一个数据集，它有几个比较重要的特点：

(1) 图像分辨率统一，拍摄清晰，质量很高。

(2) 所有图像均为上半身的肖像图，人像区域在长度和宽度均至少占据图像的2/3。

(3) 人物的姿态变化很小，都为小角度的正面图，背景较为简单。

[1] Shen X, Tao X, Gao H, et al. Deep Automatic Portrait Matting[M]// ComputerVision – ECCV 2016. Springer International Publishing, 2016:92-107.

将数据集下载后放到将训练集放到data文件夹中，其中图片放到imgs文件夹中，mask放到masks文件夹中，测试集放到test文件夹下面：

由于原程序是用于Carvana Image Masking Challenge，所以我们需要修改加载数据集的逻辑，打开utils/data_loading.py文件：

class CarvanaDataset(BasicDataset):
    def __init__(self, images_dir, masks_dir, scale=1):
        super().__init__(images_dir, masks_dir, scale, mask_suffix='_matte')

将mask_suffix改为“_matte”

训练

打开train.py,先查看全局参数：

def get_args():
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Train the UNet on images and target masks')
    parser.add_argument('--epochs', '-e', metavar='E', type=int, default=300, help='Number of epochs')
    parser.add_argument('--batch-size', '-b', dest='batch_size', metavar='B', type=int, default=16, help='Batch size')
    parser.add_argument('--learning-rate', '-l', metavar='LR', type=float, default=0.001,
                        help='Learning rate', dest='lr')
    parser.add_argument('--load', '-f', type=str, default=False, help='Load model from a .pth file')
    parser.add_argument('--scale', '-s', type=float, default=0.5, help='Downscaling factor of the images')
    parser.add_argument('--validation', '-v', dest='val', type=float, default=10.0,
                        help='Percent of the data that is used as validation (0-100)')
    parser.add_argument('--amp', action='store_true', default=False, help='Use mixed precision')
    return parser.parse_args()

epochs：epoch的个数，一般设置为300。

batch-size：批处理的大小，根据显存的大小设置。

learning-rate：学习率，一般设置为0.001，如果优化器不同，初始的学习率也要做相应的调整。

load：加载模型的路径，如果接着上次的训练，就需要设置上次训练的权重文件路径，如果有预训练权重，则设置预训练权重的路径。

scale：放大的倍数，这里设置为0.5，把图片大小变为原来的一半。

validation：验证验证集的百分比。

amp：是否使用混合精度？

比较重要的参数是epochs、batch-size和learning-rate，可以反复调整做实验，达到最好的精度。

接下来是设置模型：

net = UNet(n_channels=3, n_classes=2, bilinear=True)
    logging.info(f'Network:\\n'
                 f'\\tnet.n_channels input channels\\n'
                 f'\\tnet.n_classes output channels (classes)\\n'
                 f'\\t"Bilinear" if net.bilinear else "Transposed conv" upscaling')
    if args.load:
        net.load_state_dict(torch.load(args.load, map_location=device))
        logging.info(f'Model loaded from args.load')

设置UNet参数，n_channels是imgs图片的通道数，如果是rgb则是3，如果是黑白图片就是1，n_classes设置为2，在这里把背景也当做一个类别，所以有两个类。

如果设置了权重文件，则加载权重文件，加载权重文件做迁移学习可以加快训练，减少迭代次数，所以如果有还是尽量加载预训练权重。

接下来修改train_net函数的逻辑。

try:
    dataset = CarvanaDataset(dir_img, dir_mask, img_scale)
except (AssertionError, RuntimeError):
    dataset = BasicDataset(dir_img, dir_mask, img_scale)

# 2. Split into train / validation partitions
n_val = int(len(dataset) * val_percent)
n_train = len(dataset) - n_val
train_set, val_set = random_split(dataset, [n_train, n_val], generator=torch.Generator().manual_seed(0))
# 3. Create data loaders
loader_args = dict(batch_size=batch_size, num_workers=4, pin_memory=True)
train_loader = DataLoader(train_set, shuffle=True, **loader_args)
val_loader = DataLoader(val_set, shuffle=False, drop_last=True, **loader_args)

1、加载数据集。

2、按照比例切分训练集和验证集。

3、将训练集和验证集放入DataLoader中。

 # (Initialize logging)
 experiment = wandb.init(project='U-Net', resume='allow', anonymous='must')
 experiment.config.update(dict(epochs=epochs, batch_size=batch_size, learning_rate=learning_rate,
                                  val_percent=val_percent, save_checkpoint=save_checkpoint, img_scale=img_scale,
                                  amp=amp))

设置wandb，wandb是一款非常好用的可视化工具。安装和使用方法见：https://blog.csdn.net/hhhhhhhhhhwwwwwwwwww/article/details/116124285。

 # 4. Set up the optimizer, the loss, the learning rate scheduler and the loss scaling for AMP
    optimizer = optim.RMSprop(net.parameters(), lr=learning_rate, weight_decay=1e-8, momentum=0.9)
    scheduler = optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, 'max', patience=2)  # goal: maximize Dice score
    grad_scaler = torch.cuda.amp.GradScaler(enabled=amp)
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    global_step = 0

1、设置优化器optimizer为RMSprop，我也尝试了改为SGD，通常情况下SGD的表现好一些。但是在训练时发现，二者最终的结果都差不多。

2、ReduceLROnPlateau学习率调整策略，和keras的类似。本次选择用的是Dice score，所以将mode设置为max，当得分不再上升时，则降低学习率。

3、设置loss为 nn.CrossEntropyLoss()。交叉熵，多分类常用的loss。

接下来是train部分的逻辑，这里需要修改的如下：

 masks_pred = net(images)
 true_masks = F.one_hot(true_masks.squeeze_(1), net.n_classes).permute(0, 3, 1, 2).float()
 print(masks_pred.shape)
 print(true_masks.shape)

masks_pred = net(images)计算出来的结果是：[batch, 2, 400, 300]，其中2代表两个类别。

true_masks.shape是[batch, 1, 400, 300]，所以要对true_masks做onehot处理。如果直接对true_masks做onehot处理，你会发现处理后的shape是[batch, 1, 400, 300，2]，这样就和masks_pred 对不上了，所以在做onehot之前，先将第二维（也就是1这一维度）去掉，这样onehot后的shape是[batch, 400, 300,2],然后调整顺序，和masks_pred 的维度对上。

接下来就要计算loss，loss分为两部分，一部分时交叉熵，另一部分是dice_loss，这两个loss各有优势，组合使用效果更优。dice_loss在utils/dice_sorce.py文件中，代码如下：

import torch
from torch import Tensor

def dice_coeff(input: Tensor, target: Tensor, reduce_batch_first: bool = False, epsilon=1e-6):
    # Average of Dice coefficient for all batches, or for a single mask
    assert input.size() == target.size()
    if input.dim() == 2 and reduce_batch_first:
        raise ValueError(f'Dice: asked to reduce batch but got tensor without batch dimension (shape input.shape)')
    if input.dim() == 2 or reduce_batch_first:
        inter = torch.dot(input.reshape(-1), target.reshape(-1))
        sets_sum = torch.sum(input) + torch.sum(target)
        if sets_sum.item() == 0:
            sets_sum = 2 * inter
        return (2 * inter + epsilon) / (sets_sum + epsilon)
    else:
        # compute and average metric for each batch element
        dice = 0
        for i in range(input.shape[0]):
            dice += dice_coeff(input[i, ...], target[i, ...])
        return dice / input.shape[0]

def dice_coeff_1(pred, target):
    smooth = 1.
    num = pred.size(0)
    m1 = pred.view(num, -1)  # Flatten
    m2 = target.view(num, -1)  # Flatten
    intersection = (m1 * m2).sum()
    return 1 - (2. * intersection + smooth) / (m1.sum() + m2.sum() + smooth)

def multiclass_dice_coeff(input: Tensor, target: Tensor, reduce_batch_first: bool = False, epsilon=1e-6):
    # Average of Dice coefficient for all classes
    assert input.size() == target.size()
    dice = 0
    for channel in range(input.shape[1]):
        dice += dice_coeff(input[:, channel, ...], target[:, channel, ...], reduce_batch_first, epsilon)

    return dice / input.shape[1]
def dice_loss(input: Tensor, target: Tensor, multiclass: bool = False):
    # Dice loss (objective to minimize) between 0 and 1
    assert input.size() == target.size()
    fn = multiclass_dice_coeff if multiclass else dice_coeff
    return 1 - fn(input, target, reduce_batch_first=True)

导入到train.py中，然后和交叉熵组合作为本项目的loss。

 loss = criterion(masks_pred, true_masks) \\
        + dice_loss(F.softmax(masks_pred, dim=1).float(),
                                       true_masks,
                                       multiclass=True)

接下来是对evaluate函数的逻辑做修改。

 mask_true = mask_true.to(device=device, dtype=torch.long)
 mask_true = F.one_hot(mask_true.squeeze_(1), net.n_classes).permute(0, 3, 1, 2).float()

增加对mask_trued的onehot逻辑。

修改完上面的逻辑就可以开始训练了。

测试

完成训练后就可以测试了。打开predict.py，修改全局参数：

def get_args():
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Predict masks from input images')
    parser.add_argument('--model', '-m', default='checkpoints/checkpoint_epoch7.pth', metavar='FILE',
                        help='Specify the file in which the model is stored')
    parser.add_argument('--input', '-i', metavar='INPUT',default='test/00002.png', nargs='+', help='Filenames of input images')
    parser.add_argument('--output', '-o', metavar='INPUT',default='00001.png', nargs='+', help='Filenames of output images')
    parser.add_argument('--viz', '-v', action='store_true',
                        help='Visualize the images as they are processed')
    parser.add_argument('--no-save', '-n', action='store_true',default=False, help='Do not save the output masks')
    parser.add_argument('--mask-threshold', '-t', type=float, default=0.5,
                        help='Minimum probability value to consider a mask pixel white')
    parser.add_argument('--scale', '-s', type=float, default=0.5,
                        help='Scale factor for the input images')

model：设置权重文件路径。这里修改为自己训练的权重文件。

scale：0.5，和训练的参数对应上。

其他的参数，通过命令输入。

def mask_to_image(mask: np.ndarray):
    if mask.ndim == 2:
        return Image.fromarray((mask * 255).astype(np.uint8))
    elif mask.ndim == 3:
        img_np=(np.argmax(mask, axis=0) * 255 / (mask.shape[0]-1)).astype(np.uint8)
        print(img_np.shape)
        print(np.max(img_np))
        return Image.fromarray(img_np)

img_np=(np.argmax(mask, axis=0) * 255 / (mask.shape[0]-1)).astype(np.uint8)这里的逻辑需要修改。

源代码：

 return Image.fromarray((np.argmax(mask, axis=0) * 255 / mask.shape[0]).astype(np.uint8))

我们增加了一类背景，所以mask.shape[0]为2，需要减去背景。

展示结果的方法也需要修改；

def plot_img_and_mask(img, mask):
    print(mask.shape)
    classes = mask.shape[0] if len(mask.shape) > 2 else 1
    fig, ax = plt.subplots(1, classes + 1)
    ax[0].set_title('Input image')
    ax[0].imshow(img)
    if classes > 1:
        for i in range(classes):
            ax[i + 1].set_title(f'Output mask (class i + 1)')
            ax[i + 1].imshow(mask[i, :, :])
    else:
        ax[1].set_title(f'Output mask')
        ax[1].imshow(mask)
    plt.xticks([]), plt.yticks([])
    plt.show()

将原来的ax[i + 1].imshow(mask[:, :, i])改为：ax[i + 1].imshow(mask[i, :, :])。

执行命令：

python predict.py -i test/00002.png -o output.png  -v 

输出结果：

到这里我们已经实现将人物从背景图片中完整的抠出来了！

总结

本文实现了用Unet对图像做分割，通过本文，你可以学习到：

1、如何使用Unet对图像对二分类的语义分割。

2、如何使用wandb可视化。

3、如何使用交叉熵和dice_loss组合。

4、如何实现二分类语义分割的预测。

完整的代码：
https://download.csdn.net/download/hhhhhhhhhhwwwwwwwwww/85083165