语义分割(semantic-segmentation)

标签：segmentation semantic voc read image 语义分割 train 128

一、语义分割

1、什么是语义分割

语义分割将图片中的每个像素分配到对应的类别。在目标检测问题中，我们一直使用方形边界框来标注和预测图像中的目标。语义分割（semantic segmentation）问题重点关注于如何将图像分割成属于不同语义类别的区域。与目标检测不同，语义分割可以识别并理解图像中每一个像素的内容：其语义区域的标注和预测是像素级的。

下图展示了语义分割中图像有关狗、猫和背景的标签。与目标检测相比，语义分割标注的像素级的边框显然更加精细。

2、语义分割、图像分割和实例分割

计算机视觉领域还有2个与语义分割相似的重要问题，即图像分割（image segmentation）和实例分割（instance segmentation）。我们在这里将它们同语义分割简单区分一下。

（1）图像分割：图像分割将图像划分为若干组成区域，这类问题的方法通常利用图像中像素之间的相关性。它在训练时不需要有关图像像素的标签信息，在预测时也无法保证分割出的区域具有我们希望得到的语义。以前面的图像作为输入，图像分割可能会将狗分为两个区域：一个覆盖以黑色为主的嘴和眼睛，另一个覆盖以黄色为主的其余部分身体。

（2）实例分割：实例分割也叫同时检测并分割（simultaneous detection and segmentation），它研究如何识别图像中各个目标实例的像素级区域。与语义分割不同，实例分割不仅需要区分语义，还要区分不同的目标实例。例如，如果图像中有两条狗，则实例分割需要区分像素属于的两条狗中的哪一条。

3、语义分割的应用

（1）背景虚化

（2）路面分割

4、PASCAL VOC2012数据集介绍

PASCAL VOC2012是最重要的语义分割数据集之一。PASCAL VOC挑战赛（The PASCAL Visual Object Classes ）是一个世界级的计算机视觉挑战赛，PASCAL全称：Pattern Analysis, Statical Modeling and Computational Learning，是一个由欧盟资助的网络组织。PASCAL VOC挑战赛主要包括以下几类：图像分类(Object Classification)，目标检测(Object Detection)，目标分割(Object Segmentation)，行为识别(Action Classification) 等。

PASCAL VOC2012数据集有自己的格式，名为VOC格式，VOC格式是一种应用十分广泛的格式。在Pascal VOC数据集中主要包含20个目标类别，下图展示了所有类别的名称以及所属超类。

PASCAL VOC2012数据集下载地址：The PASCAL Visual Object Classes Challenge 2012 (VOC2012)http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/index.html#devkit

打开链接后如下图所示，只用下载 training/validation data(2GB tar file) 文件即可。

下载后将文件进行解压，解压后的文件目录结构如下所示：

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）标签中颜色相同的像素属于同一个语义类别
         └── SegmentationObject        实例分割png图（基于目标）

注意，train.txt, val.txt 和 trainval.txt 文件里记录的是对应标注文件的索引，每一行对应一个索引信息。

二、代码实现

import os
import torch
import torchvision
from d2l import torch as d2l

1、下载并解压数据集

数据集的tar文件大约为2GB，所以下载可能需要一段时间。

d2l.DATA_HUB['voc2012'] = (d2l.DATA_URL + 'VOCtrainval_11-May-2012.tar',
                           '4e443f8a2eca6b1dac8a6c57641b67dd40621a49')

voc_dir = d2l.download_extract('voc2012', 'VOCdevkit/VOC2012')

2、读取数据集

下面将read_voc_images函数定义为将所有输入的图像和标签读入内存。下面是李沐老师的代码，在实际运行中可能会因为torchvision版本问题出现“RuntimeError: No such operator image::read_file”报错：

def read_voc_images(voc_dir, is_train=True):
    """读取所有VOC图像并标注"""
    txt_fname = os.path.join(voc_dir, 'ImageSets', 'Segmentation',
                             'train.txt' if is_train else 'val.txt')
    mode = torchvision.io.image.ImageReadMode.RGB
    with open(txt_fname, 'r') as f:
        images = f.read().split()
    features, labels = [], []
    for i, fname in enumerate(images):
        features.append(torchvision.io.read_image(os.path.join(
            voc_dir, 'JPEGImages', f'{fname}.jpg')))
        labels.append(torchvision.io.read_image(os.path.join(
            voc_dir, 'SegmentationClass' ,f'{fname}.png'), mode))
    return features, labels

train_features, train_labels = read_voc_images(voc_dir, True)

---------------------------------------------------------------------------
RuntimeError                              Traceback (most recent call last)
Cell In[14], line 17
     13         labels.append(torchvision.io.read_image(os.path.join(
     14             voc_dir, 'SegmentationClass' ,f'{fname}.png'), mode))
     15     return features, labels
---> 17 train_features, train_labels = read_voc_images(voc_dir, True)

Cell In[14], line 11
      9 features, labels = [], []
     10 for i, fname in enumerate(images):
---> 11     features.append(torchvision.io.read_image(os.path.join(
     12         voc_dir, 'JPEGImages', f'{fname}.jpg')))
     13     labels.append(torchvision.io.read_image(os.path.join(
     14         voc_dir, 'SegmentationClass' ,f'{fname}.png'), mode))
     15 return features, labels

File d:\programme\Anaconda\envs\d2l\lib\site-packages\torchvision\io\image.py:222, in read_image(path, mode)
    206 def read_image(path: str, mode: ImageReadMode = ImageReadMode.UNCHANGED) -> torch.Tensor:
    207     """
    208     Reads a JPEG or PNG image into a 3 dimensional RGB Tensor.
    209     Optionally converts the image to the desired format.
   (...)
    220         output (Tensor[image_channels, image_height, image_width])
    221     """
--> 222     data = read_file(path)
    223     return decode_image(data, mode)

File d:\programme\Anaconda\envs\d2l\lib\site-packages\torchvision\io\image.py:42, in read_file(path)
     31 def read_file(path: str) -> torch.Tensor:
     32     """
     33     Reads and outputs the bytes contents of a file as a uint8 Tensor
     34     with one dimension.
   (...)
     40         data (Tensor)
     41     """
---> 42     data = torch.ops.image.read_file(path)
     43     return data

File d:\programme\Anaconda\envs\d2l\lib\site-packages\torch\_ops.py:63, in _OpNamespace.__getattr__(self, op_name)
     60 # Get the op `my_namespace::my_op` if available. This will also check
     61 # for overloads and raise an exception if there are more than one.
     62 qualified_op_name = '{}::{}'.format(self.name, op_name)
---> 63 op = torch._C._jit_get_operation(qualified_op_name)
     64 # let the script frontend know that op is identical to the builtin op
     65 # with qualified_op_name
     66 torch.jit._builtins._register_builtin(op, qualified_op_name)

RuntimeError: No such operator image::read_file

我后面使用了Python PIL库来进行读取和转换操作，问题得到解决，关于PIL的各模块可参考博客Python图像处理PIL各模块详细介绍：

from PIL import Image
import os

def read_voc_images(voc_dir, is_train=True):
    """读取所有VOC图像并标注"""
    txt_fname = os.path.join(voc_dir, 'ImageSets', 'Segmentation',
                             'train.txt' if is_train else 'val.txt')
    mode = 'RGB'
    transform = torchvision.transforms.ToTensor()
    with open(txt_fname, 'r') as f:
        images = f.read().split()
    features, labels = [], []
    for i, fname in enumerate(images):
        features.append(transform(Image.open(os.path.join(
            voc_dir, 'JPEGImages', f'{fname}.jpg'))))
        labels.append(transform(Image.open(os.path.join(
            voc_dir, 'SegmentationClass', f'{fname}.png')).convert(mode)))
        if(i==0):
            print(Image.open(os.path.join(voc_dir, 'JPEGImages', f'{fname}.jpg')).mode)
            print(Image.open(os.path.join(voc_dir, 'SegmentationClass', f'{fname}.png')).convert(mode).mode)
    return features, labels

train_features, train_labels = read_voc_images(voc_dir, True)

RGB
RGB

下面我们绘制前5个输入图像及其标签。在标签图像中，白色和黑色分别表示边框和背景，而其他颜色则对应不同的类别。

n = 5
imgs = train_features[0:n] + train_labels[0:n]
imgs = [img.permute(1,2,0) for img in imgs]
d2l.show_images(imgs, 2, n)

array([<AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>,
       <AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>,
       <AxesSubplot:>, <AxesSubplot:>], dtype=object)

3、列举RGB颜色值与类名

VOC_COLORMAP = [[0, 0, 0], [128, 0, 0], [0, 128, 0], [128, 128, 0],
                [0, 0, 128], [128, 0, 128], [0, 128, 128], [128, 128, 128],
                [64, 0, 0], [192, 0, 0], [64, 128, 0], [192, 128, 0],
                [64, 0, 128], [192, 0, 128], [64, 128, 128], [192, 128, 128],
                [0, 64, 0], [128, 64, 0], [0, 192, 0], [128, 192, 0],
                [0, 64, 128]]

VOC_CLASSES = ['background', 'aeroplane', 'bicycle', 'bird', 'boat',
               'bottle', 'bus', 'car', 'cat', 'chair', 'cow',
               'diningtable', 'dog', 'horse', 'motorbike', 'person',
               'potted plant', 'sheep', 'sofa', 'train', 'tv/monitor']

4、构建RGB颜色值到类别索引的映射

通过上面定义的两个常量，我们可以方便地查找标签中每个像素的类索引。我们定义了voc_colormap2label函数来构建从上述RGB颜色值到类别索引的映射，而voc_label_indices函数将RGB值映射到在Pascal VOC2012数据集中的类别索引。

def voc_colormap2label():
    """构建从RGB到VOC类别索引的映射"""
    colormap2label = torch.zeros(256 ** 3, dtype=torch.long)
    for i, colormap in enumerate(VOC_COLORMAP):
        colormap2label[
            (colormap[0] * 256 + colormap[1]) * 256 + colormap[2]] = i
    return colormap2label

def voc_label_indices(colormap, colormap2label):
    """将VOC标签中的RGB值映射到它们的类别索引"""
    colormap = colormap.permute(1, 2, 0).numpy().astype('int32')    # 传进来的是channel,h,w 然后permute之后是h,w,channel
    idx = ((colormap[:, :, 0] * 256 + colormap[:, :, 1]) * 256
           + colormap[:, :, 2])    # 3个通道，每个通道大小为h*w，R*256*256*256 + G*256*256 + B*256，然后相加
    return colormap2label[idx]

例如，在第一张样本图像中，飞机头部区域的类别索引为1，而背景索引为0。

y = voc_label_indices(train_labels[0], voc_colormap2label())
y[105:115, 130:140], VOC_CLASSES[1]

(tensor([[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1]]),
 'aeroplane')

未完待续...

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