语义分割

作者：徐和鼎

转自：Datawhale

遥感技术已成为获取地表覆盖信息最为行之有效的手段，已经成功应用于地表覆盖检测、植被面积检测和建筑物检测任务。本文以天池学习赛地表建筑物识别为例，对语义分割类项目的实践全流程进行了解析。具体流程如下：

赛题理解

赛题名称：零基础入门语义分割-地表建筑物识别
赛题地址：https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/531872/information

1.1 赛题数据

本赛题使用航拍数据，需要参赛选手完成地表建筑物识别，将地表航拍图像素划分为有建筑物和无建筑物两类。

如下图，左边为原始航拍图，右边为对应的建筑物标注。

1.2 数据标签

赛题为语义分割任务，因此具体的标签为图像像素类别。在赛题数据中像素属于2类（无建筑物和有建筑物），因此标签为有建筑物的像素。赛题原始图片为jpg格式，标签为RLE编码的字符串。

RLE全称（run-length encoding），翻译为游程编码或行程长度编码，对连续的黑、白像素数以不同的码字进行编码。RLE是一种简单的非破坏性资料压缩法，经常用在在语义分割比赛中对标签进行编码。

RLE与图片之间的转换代码详见本文第二节Baseline代码解析。

1.3 评价指标

赛题使用Dice coefficient来衡量选手结果与真实标签的差异性，Dice coefficient可以按像素差异性来比较结果的差异性。Dice coefficient的具体计算方式如下：

其中是预测结果，为真实标签的结果。当与完全相同时Dice coefficient为1，排行榜使用所有测试集图片的平均Dice coefficient来衡量，分数值越大越好。

1.4 解题思路

由于本次赛题是一个典型的语义分割任务，因此可以直接使用语义分割的模型来完成：

步骤1：使用FCN模型模型跑通具体模型训练过程，并对结果进行预测提交；
步骤2：在现有基础上加入数据扩增方法，并划分验证集以监督模型精度；
步骤3：使用更加强大模型结构（如Unet和PSPNet）或尺寸更大的输入完成训练；
步骤4：训练多个模型完成模型集成操作；

Baseline代码分析

Ⅰ.将图片编码为rle格式

import numpy as np
import pandas as pd
import cv2

# 将图片编码为rle格式
def rle_encode(im):
    '''
    im: numpy array, 1 - mask, 0 - background
    Returns run length as string formated
    '''
    pixels = im.flatten(order = 'F')
    pixels = np.concatenate([[0], pixels, [0]])
    runs = np.where(pixels[1:] != pixels[:-1])[0] + 1
    runs[1::2] -= runs[::2]
    return ' '.join(str(x) for x in runs)

Ⅱ.将rle格式进行解码为图片

# 将rle格式进行解码为图片
def rle_decode(mask_rle, shape=(512, 512)):
    '''
    mask_rle: run-length as string formated (start length)
    shape: (height,width) of array to return 
    Returns numpy array, 1 - mask, 0 - background

    '''
    s = mask_rle.split()
    starts, lengths = [np.asarray(x, dtype=int) for x in (s[0:][::2], s[1:][::2])]
    starts -= 1
    ends = starts + lengths
    img = np.zeros(shape[0]*shape[1], dtype=np.uint8)
    for lo, hi in zip(starts, ends):
        img[lo:hi] = 1
    return img.reshape(shape, order='F')

RLE编码的时候返回的时候每两个数字有空格为间隔，利用s = mask_rle.split()将空格去掉。

s[0:][::2]表示（从1开始的）索引，s[1:][::2]表示个数。于是starts存的是索引，lengths存的是个数，两者为一一对应关系。

starts \-= 1转化为（从0开始的）索引。

后续就是创建一副全0的一维序列，填充1，再按列排序，转为二维的二值图，就解码成图片了。

如果输入的mask_rle是空的，那么返回的就是全为0的mask，可以观察数据发现，部分图片的地表建筑不存在，他们的rle标签也就是空的。

Ⅲ.定义数据集

class TianChiDataset(D.Dataset):
    def __init__(self, paths, rles, transform, test_mode=False):
        self.paths = paths
        self.rles = rles
        self.transform = transform
        self.test_mode = test_mode
        
        self.len = len(paths)
        self.as_tensor = T.Compose([
            T.ToPILImage(),
            T.Resize(IMAGE_SIZE),
            T.ToTensor(),
            T.Normalize([0.625, 0.448, 0.688],
                        [0.131, 0.177, 0.101]),
        ])
        
    # get data operation
    def __getitem__(self, index):
        #img = cv2.imread(self.paths[index])
        img = np.array(Image.open(self.paths[index]))
        
        if not self.test_mode:
            mask = rle_decode(self.rles[index])
            augments = self.transform(image=img, mask=mask)
            return self.as_tensor(augments['image']), augments['mask'][None]#（3，256，256），（1，256，256）
        else:
            return self.as_tensor(img), ''        
    
    def __len__(self):
        """
        Total number of samples in the dataset
        """
        return self.len

定义数据集，主要作了数据的预处理。其中，我将opencv的读取图片换成了PIL读取,因为路径中包含中文
augments['mask'][None]中的[None],将（256，256）的mask形状转为（1，256，256），起到升维作用。

Ⅳ.可视化一下效果

这一步主要是为了验证上述的代码。用了rle_encode(rle_decode(RLE标签))==RLE标签来验证之前写的RLE编码和解码正确性。


train_mask = pd.read_csv('数据集/train_mask.csv', sep='\t', names=['name', 'mask'])
train_mask['name'] = train_mask['name'].apply(lambda x: '数据集/train/' + x)

img = cv2.imread(train_mask['name'].iloc[0])
mask = rle_decode(train_mask['mask'].iloc[0])

print(rle_encode(mask) == train_mask['mask'].iloc[0])

train_mask['name'].apply(lambda x: '数据集/train/' + x)这一步就是在图片前补全下路径

0        KWP8J3TRSV.jpg
1        DKI3X4VFD3.jpg
2        AYPOE51XNI.jpg
3        1D9V7N0DGF.jpg
4        AWXXR4VYRI.jpg

0        数据集/train/KWP8J3TRSV.jpg
1        数据集/train/DKI3X4VFD3.jpg
2        数据集/train/AYPOE51XNI.jpg
3        数据集/train/1D9V7N0DGF.jpg
4        数据集/train/AWXXR4VYRI.jpg

实例化数据集

dataset = TianChiDataset(
    train_mask['name'].values,
    train_mask['mask'].fillna('').values,
    trfm, False
)

fillna('')起到补全缺失值为''的作用

可视化

image, mask = dataset[0]
plt.figure(figsize=(16,8))
plt.subplot(121)
plt.imshow(mask[0], cmap='gray')
plt.subplot(122)
plt.imshow(image[0])
plt.show()# 补上

看一下第二张图片

image, mask = dataset[1]

没有建筑物，mask全黑。

Ⅴ.加载数据集

#定义数据集
train_mask = pd.read_csv('数据集/train_mask.csv', sep='\t', names=['name', 'mask'])
train_mask['name'] = train_mask['name'].apply(lambda x: '数据集/train/' + x)

dataset = TianChiDataset(
    train_mask['name'].values,
    train_mask['mask'].fillna('').values,
    trfm, False
)


#划分数据集(按index手动去划分)
valid_idx, train_idx = [], []
for i in range(len(dataset)):
    if i % 7 == 0:
        valid_idx.append(i)
    else:
    # elif i % 7 == 1:
        train_idx.append(i)

train_ds = D.Subset(dataset, train_idx)
valid_ds = D.Subset(dataset, valid_idx)

# print(len(dataset))#30000
# print(len(train_ds))#4286
# print(len(valid_ds))#4286

# define training and validation data loaders
loader = D.DataLoader(
    train_ds, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True, num_workers=0)

vloader = D.DataLoader(
    valid_ds, batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=False, num_workers=0)

D.subset是按照索引序列来划分数据集的，于是按照每7个数据里面，1个当作验证集，6个当作训练集。最后放入数据加载器中。

Ⅵ.定义模型、优化器、损失函数

# 定义模型
model = get_model()
model.to(DEVICE)
#model.load_state_dict(torch.load("model_best.pth"))


#定义优化器
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(),
                  lr=1e-4, weight_decay=1e-3)
#定义损失函数
bce_fn = nn.BCEWithLogitsLoss()
dice_fn = SoftDiceLoss()
def loss_fn(y_pred, y_true):
    bce = bce_fn(y_pred, y_true)
    dice = dice_fn(y_pred.sigmoid(), y_true)
    return 0.8 * bce + 0.2 * dice

Ⅶ.进行训练

header = r'''
        Train | Valid
Epoch |  Loss |  Loss | Time, m
'''
#          Epoch         metrics            time
raw_line = '{:6d}' + '\u2502{:7.3f}' * 2 + '\u2502{:6.2f}'
print(header)

EPOCHES = 10
best_loss = 10
for epoch in range(1, EPOCHES + 1):
    losses = []
    start_time = time.time()
    model.train()
    for image, target in tqdm(loader):#取消了tqdm
        image, target = image.to(DEVICE), target.float().to(DEVICE)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(image)['out']
        loss = loss_fn(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        losses.append(loss.item())
        # print(loss.item())

    vloss = validation(model, vloader, loss_fn)
    print(raw_line.format(epoch, np.array(losses).mean(), vloss,
                          (time.time() - start_time) / 60 ** 1))
    losses = []

    if vloss < best_loss:
        best_loss = vloss
        torch.save(model.state_dict(), 'model_best.pth')
        print("save successful!")

Ⅷ.使用模型对测试集进行预测

trfm = T.Compose([
    T.ToPILImage(),
    T.Resize(IMAGE_SIZE),
    T.ToTensor(),
    T.Normalize([0.625, 0.448, 0.688],
                [0.131, 0.177, 0.101]),
])

subm = []

model.load_state_dict(torch.load("./model_best.pth"))
model.eval()

test_mask = pd.read_csv('数据集/test_a_samplesubmit.csv', sep='\t', names=['name', 'mask'])
test_mask['name'] = test_mask['name'].apply(lambda x: '数据集/test_a/' + x)

for idx, name in enumerate(tqdm(test_mask['name'].iloc[:])):
    image = np.array(Image.open(name))#改成PIL
    image = trfm(image)
    with torch.no_grad():
        image = image.to(DEVICE)[None]
        score = model(image)['out'][0][0]
        score_sigmoid = score.sigmoid().cpu().numpy()
        score_sigmoid = (score_sigmoid > 0.5).astype(np.uint8)
        score_sigmoid = cv2.resize(score_sigmoid, (512, 512))

        # break
    subm.append([name.split('/')[-1], rle_encode(score_sigmoid)])

subm = pd.DataFrame(subm)
subm.to_csv('./tmp.csv', index=None, header=None, sep='\t')

Ⅸ.可视化模型预测结果

from file1 import rle_decode
from PIL import Image
import pandas as pd
import numpy as np

subm = pd.read_csv("./tmp.csv",sep="\t",names=["name","mask"])
def show_predict_pic(num=0):
    plt.figure(figsize=(16,8))
    plt.subplot(121)
    plt.imshow(rle_decode(subm.fillna('').iloc[num,1]), cmap='gray')
    plt.subplot(122)
    plt.imshow(np.array(Image.open('数据集/test_a/' + subm.iloc[num,0])))
    plt.show()
if __name__ == '__main__':
    show_predict_pic(num=10)