憨批的语义分割重制版10——Tensorflow2 搭建自己的DeeplabV3+语义分割平台

注意事项

这是重新构建了的DeeplabV3 语义分割网络，主要是文件框架上的构建，还有代码的实现，和之前的语义分割网络相比，更加完整也更清晰一些。建议还是学习这个版本的DeeplabV3 。

学习前言

DeeplabV3 也需要重构！

什么是DeeplabV3 模型

DeeplabV3 被认为是语义分割的新高峰，因为这个模型的效果非常好。
DeepLabv3 主要在模型的架构上作文章，引入了可任意控制编码器提取特征的分辨率，通过空洞卷积平衡精度和耗时。

DeeplabV3 在Encoder部分引入了大量的空洞卷积，在不损失信息的情况下，加大了感受野，让每个卷积输出都包含较大范围的信息。如下就是空洞卷积的一个示意图，所谓空洞就是特征点提取的时候会跨像素。

代码下载

Github源码下载地址为：
https://github.com/bubbliiiing/deeplabv3-plus-tf2

复制该路径到地址栏跳转。

DeeplabV3 实现思路

一、预测部分

1、主干网络介绍

DeeplabV3 在论文中采用的是Xception系列作为主干特征提取网络，本博客会给大家提供两个主干网络，分别是Xception和mobilenetv2。

但是由于算力限制（我没有什么卡），为了方便博客的进行，本文以mobilenetv2为例，给大家进行解析。

MobileNet模型是Google针对手机等嵌入式设备提出的一种轻量级的深层神经网络。

MobileNetV2是MobileNet的升级版，它具有一个非常重要的特点就是使用了Inverted resblock，整个mobilenetv2都由Inverted resblock组成。

Inverted resblock可以分为两个部分：
左边是主干部分，首先利用1x1卷积进行升维，然后利用3x3深度可分离卷积进行特征提取，然后再利用1x1卷积降维。
右边是残差边部分，输入和输出直接相接。

需要注意的是，在DeeplabV3当中，一般不会5次下采样，可选的有3次下采样和4次下采样，本文使用的4次下采样。这里所提到的下采样指的是不会进行五次长和宽的压缩，通常选用三次或者四次长和宽的压缩。

在完成MobilenetV2的特征提取后，我们可以获得两个有效特征层，一个有效特征层是输入图片高和宽压缩两次的结果，一个有效特征层是输入图片高和宽压缩四次的结果。

from tensorflow.keras import layers
from tensorflow.keras.activations import relu
from tensorflow.keras.layers import (Activation, Add, BatchNormalization, Concatenate,
                          Conv2D, DepthwiseConv2D, Dropout,
                          GlobalAveragePooling2D, Input, Lambda, ZeroPadding2D)
from tensorflow.keras.models import Model


def _make_divisible(v, divisor, min_value=None):
    if min_value is None:
        min_value = divisor
    new_v = max(min_value, int(v   divisor / 2) // divisor * divisor)
    if new_v < 0.9 * v:
        new_v  = divisor
    return new_v

def relu6(x):
    return relu(x, max_value=6)

def _inverted_res_block(inputs, expansion, stride, alpha, filters, block_id, skip_connection, rate=1):
    in_channels = inputs.shape[-1].value  # inputs._keras_shape[-1]
    pointwise_conv_filters = int(filters * alpha)
    pointwise_filters = _make_divisible(pointwise_conv_filters, 8)
    x = inputs
    prefix = 'expanded_conv_{}_'.format(block_id)
    if block_id:
        # Expand

        x = Conv2D(expansion * in_channels, kernel_size=1, padding='same',
                   use_bias=False, activation=None,
                   name=prefix   'expand')(x)
        x = BatchNormalization(epsilon=1e-3, momentum=0.999,
                               name=prefix   'expand_BN')(x)
        x = Activation(relu6, name=prefix   'expand_relu')(x)
    else:
        prefix = 'expanded_conv_'
    # Depthwise
    x = DepthwiseConv2D(kernel_size=3, strides=stride, activation=None,
                        use_bias=False, padding='same', dilation_rate=(rate, rate),
                        name=prefix   'depthwise')(x)
    x = BatchNormalization(epsilon=1e-3, momentum=0.999,
                           name=prefix   'depthwise_BN')(x)

    x = Activation(relu6, name=prefix   'depthwise_relu')(x)

    # Project
    x = Conv2D(pointwise_filters,
               kernel_size=1, padding='same', use_bias=False, activation=None,
               name=prefix   'project')(x)
    x = BatchNormalization(epsilon=1e-3, momentum=0.999,
                           name=prefix   'project_BN')(x)

    if skip_connection:
        return Add(name=prefix   'add')([inputs, x])

    # if in_channels == pointwise_filters and stride == 1:
    #    return Add(name='res_connect_'   str(block_id))([inputs, x])

    return x

def mobilenetV2(inputs, alpha=1, downsample_factor=8):
    if downsample_factor == 8:
        block4_dilation = 2
        block5_dilation = 4
        block4_stride = 1
        atrous_rates = (12, 24, 36)
    elif downsample_factor == 16:
        block4_dilation = 1
        block5_dilation = 2
        block4_stride = 2
        atrous_rates = (6, 12, 18)
    else:
        raise ValueError('Unsupported factor - `{}`, Use 8 or 16.'.format(downsample_factor))
    
    first_block_filters = _make_divisible(32 * alpha, 8)
    # 512,512,3 -> 256,256,32
    x = Conv2D(first_block_filters,
                kernel_size=3,
                strides=(2, 2), padding='same',
                use_bias=False, name='Conv')(inputs)
    x = BatchNormalization(
        epsilon=1e-3, momentum=0.999, name='Conv_BN')(x)
    x = Activation(relu6, name='Conv_Relu6')(x)

    
    x = _inverted_res_block(x, filters=16, alpha=alpha, stride=1,
                            expansion=1, block_id=0, skip_connection=False)

    #---------------------------------------------------------------#
    # 256,256,16 -> 128,128,24
    x = _inverted_res_block(x, filters=24, alpha=alpha, stride=2,
                            expansion=6, block_id=1, skip_connection=False)
    x = _inverted_res_block(x, filters=24, alpha=alpha, stride=1,
                            expansion=6, block_id=2, skip_connection=True)
    skip1 = x
    #---------------------------------------------------------------#
    # 128,128,24 -> 64,64.32
    x = _inverted_res_block(x, filters=32, alpha=alpha, stride=2,
                            expansion=6, block_id=3, skip_connection=False)
    x = _inverted_res_block(x, filters=32, alpha=alpha, stride=1,
                            expansion=6, block_id=4, skip_connection=True)
    x = _inverted_res_block(x, filters=32, alpha=alpha, stride=1,
                            expansion=6, block_id=5, skip_connection=True)
    #---------------------------------------------------------------#
    # 64,64,32 -> 32,32.64
    x = _inverted_res_block(x, filters=64, alpha=alpha, stride=block4_stride,
                            expansion=6, block_id=6, skip_connection=False)
    x = _inverted_res_block(x, filters=64, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,
                            expansion=6, block_id=7, skip_connection=True)
    x = _inverted_res_block(x, filters=64, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,
                            expansion=6, block_id=8, skip_connection=True)
    x = _inverted_res_block(x, filters=64, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,
                            expansion=6, block_id=9, skip_connection=True)

    # 32,32.64 -> 32,32.96
    x = _inverted_res_block(x, filters=96, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,
                            expansion=6, block_id=10, skip_connection=False)
    x = _inverted_res_block(x, filters=96, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,
                            expansion=6, block_id=11, skip_connection=True)
    x = _inverted_res_block(x, filters=96, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,
                            expansion=6, block_id=12, skip_connection=True)

    #---------------------------------------------------------------#
    # 32,32.96 -> 32,32,160 -> 32,32,320
    x = _inverted_res_block(x, filters=160, alpha=alpha, stride=1, rate=block4_dilation,  # 1!
                            expansion=6, block_id=13, skip_connection=False)
    x = _inverted_res_block(x, filters=160, alpha=alpha, stride=1, rate=block5_dilation,
                            expansion=6, block_id=14, skip_connection=True)
    x = _inverted_res_block(x, filters=160, alpha=alpha, stride=1, rate=block5_dilation,
                            expansion=6, block_id=15, skip_connection=True)

    x = _inverted_res_block(x, filters=320, alpha=alpha, stride=1, rate=block5_dilation,
                            expansion=6, block_id=16, skip_connection=False)
    return x,atrous_rates,skip1

2、加强特征提取结构

在DeeplabV3 中，加强特征提取网络可以分为两部分：
在Encoder中，我们会对压缩四次的初步有效特征层利用并行的Atrous Convolution，分别用不同rate的Atrous Convolution进行特征提取，再进行合并，再进行1x1卷积压缩特征。
在Decoder中，我们会对压缩两次的初步有效特征层利用1x1卷积调整通道数，再和空洞卷积后的有效特征层上采样的结果进行堆叠，在完成堆叠后，进行两次深度可分离卷积块。

这个时候，我们就获得了一个最终的有效特征层，它是整张图片的特征浓缩。

def Deeplabv3(n_classes, inputs_size, alpha=1., backbone="mobilenet", downsample_factor=16):
    img_input = Input(shape=inputs_size)

    if backbone=="xception":
        x,atrous_rates,skip1 = Xception(img_input,alpha, downsample_factor=downsample_factor)
    elif backbone=="mobilenet":
        x,atrous_rates,skip1 = mobilenetV2(img_input,alpha, downsample_factor=downsample_factor)
    else:
        raise ValueError('Unsupported backbone - `{}`, Use mobilenet, xception.'.format(backbone))

    size_before = tf.keras.backend.int_shape(x)

    # 调整通道
    b0 = Conv2D(256, (1, 1), padding='same', use_bias=False, name='aspp0')(x)
    b0 = BatchNormalization(name='aspp0_BN', epsilon=1e-5)(b0)
    b0 = Activation('relu', name='aspp0_activation')(b0)

    # rate = 6 (12)
    b1 = SepConv_BN(x, 256, 'aspp1',
                    rate=atrous_rates[0], depth_activation=True, epsilon=1e-5)
    # rate = 12 (24)
    b2 = SepConv_BN(x, 256, 'aspp2',
                    rate=atrous_rates[1], depth_activation=True, epsilon=1e-5)
    # rate = 18 (36)
    b3 = SepConv_BN(x, 256, 'aspp3',
                    rate=atrous_rates[2], depth_activation=True, epsilon=1e-5)
                    
    # 全部求平均后，再利用expand_dims扩充维度，1x1
    # shape = 320
    b4 = GlobalAveragePooling2D()(x)
    b4 = Lambda(lambda x: K.expand_dims(x, 1))(b4)
    b4 = Lambda(lambda x: K.expand_dims(x, 1))(b4)

    # 压缩filter
    b4 = Conv2D(256, (1, 1), padding='same', use_bias=False, name='image_pooling')(b4)
    b4 = BatchNormalization(name='image_pooling_BN', epsilon=1e-5)(b4)
    b4 = Activation('relu')(b4)

    # 直接利用resize_images扩充hw
    b4 = Lambda(lambda x: tf.image.resize_images(x, size_before[1:3], align_corners=True))(b4)

    x = Concatenate()([b4, b0, b1, b2, b3])

    # 利用conv2d压缩
    # 32,32,256
    x = Conv2D(256, (1, 1), padding='same',
               use_bias=False, name='concat_projection')(x)
    x = BatchNormalization(name='concat_projection_BN', epsilon=1e-5)(x)
    x = Activation('relu')(x)
    x = Dropout(0.1)(x)

    # x4 (x2) block
    skip_size = tf.keras.backend.int_shape(skip1)
    x = Lambda(lambda xx: tf.image.resize_images(xx, skip_size[1:3], align_corners=True))(x)

    dec_skip1 = Conv2D(48, (1, 1), padding='same',use_bias=False, name='feature_projection0')(skip1)
    dec_skip1 = BatchNormalization(name='feature_projection0_BN', epsilon=1e-5)(dec_skip1)
    dec_skip1 = Activation(tf.nn.relu)(dec_skip1)

    x = Concatenate()([x, dec_skip1])
    x = SepConv_BN(x, 256, 'decoder_conv0',
                    depth_activation=True, epsilon=1e-5)
    x = SepConv_BN(x, 256, 'decoder_conv1',
                    depth_activation=True, epsilon=1e-5)

3、利用特征获得预测结果

利用1、2步，我们可以获取输入进来的图片的特征，此时，我们需要利用特征获得预测结果。

利用特征获得预测结果的过程可以分为2步：
1、利用一个1x1卷积进行通道调整，调整成Num_Classes。
2、利用resize进行上采样使得最终输出层，宽高和输入图片一样。

#-----------------------------------------#
#   获得每个像素点的分类
#-----------------------------------------#
# 512,512
size_before3 = tf.keras.backend.int_shape(img_input)
# 512,512,21
x = Conv2D(n_classes, (1, 1), padding='same')(x)
x = Lambda(lambda xx:tf.image.resize_images(xx,size_before3[1:3], align_corners=True))(x)
x = Softmax()(x)

model = Model(img_input, x, name='deeplabv3plus')
return model

二、训练部分

1、训练文件详解

我们使用的训练文件采用VOC的格式。
语义分割模型训练的文件分为两部分。
第一部分是原图，像这样：

第二部分标签，像这样：

原图就是普通的RGB图像，标签就是灰度图或者8位彩色图。

原图的shape为[height, width, 3]，标签的shape就是[height, width]，对于标签而言，每个像素点的内容是一个数字，比如0、1、2、3、4、5……，代表这个像素点所属的类别。

语义分割的工作就是对原始的图片的每一个像素点进行分类，所以通过预测结果中每个像素点属于每个类别的概率与标签对比，可以对网络进行训练。

2、LOSS解析

本文所使用的LOSS由两部分组成：
1、Cross Entropy Loss。
2、Dice Loss。

Cross Entropy Loss就是普通的交叉熵损失，当语义分割平台利用Softmax对像素点进行分类的时候，进行使用。

Dice loss将语义分割的评价指标作为Loss，Dice系数是一种集合相似度度量函数，通常用于计算两个样本的相似度，取值范围在[0,1]。

计算公式如下：

就是预测结果和真实结果的交乘上2，除上预测结果加上真实结果。其值在0-1之间。越大表示预测结果和真实结果重合度越大。所以Dice系数是越大越好。

如果作为LOSS的话是越小越好，所以使得Dice loss = 1 - Dice，就可以将Loss作为语义分割的损失了。
实现代码如下：

def dice_loss_with_CE(beta=1, smooth = 1e-5):
    def _dice_loss_with_CE(y_true, y_pred):
        y_pred = K.clip(y_pred, K.epsilon(), 1.0 - K.epsilon())

        CE_loss = - y_true[...,:-1] * K.log(y_pred)
        CE_loss = K.mean(K.sum(CE_loss, axis = -1))

        tp = K.sum(y_true[...,:-1] * y_pred, axis=[0,1,2])
        fp = K.sum(y_pred         , axis=[0,1,2]) - tp
        fn = K.sum(y_true[...,:-1], axis=[0,1,2]) - tp

        score = ((1   beta ** 2) * tp   smooth) / ((1   beta ** 2) * tp   beta ** 2 * fn   fp   smooth)
        score = tf.reduce_mean(score)
        dice_loss = 1 - score
        # dice_loss = tf.Print(dice_loss, [dice_loss, CE_loss])
        return CE_loss   dice_loss
    return _dice_loss_with_CE

训练自己的DeeplabV3 模型

首先前往Github下载对应的仓库，下载完后利用解压软件解压，之后用编程软件打开文件夹。
注意打开的根目录必须正确，否则相对目录不正确的情况下，代码将无法运行。
一定要注意打开后的根目录是文件存放的目录。

一、数据集的准备

本文使用VOC格式进行训练，训练前需要自己制作好数据集，如果没有自己的数据集，可以通过Github连接下载VOC12 07的数据集尝试下。
训练前将图片文件放在VOCdevkit文件夹下的VOC2007文件夹下的JPEGImages中。
训练前将标签文件放在VOCdevkit文件夹下的VOC2007文件夹下的SegmentationClass中。

二、数据集的处理

在完成数据集的摆放之后，我们需要对数据集进行下一步的处理，目的是获得训练用的train.txt以及val.txt，需要用到根目录下的voc_annotation.py。

如果下载的是我上传的voc数据集，那么就不需要运行根目录下的voc_annotation.py。
如果是自己制作的数据集，那么需要运行根目录下的voc_annotation.py，从而生成train.txt和val.txt。

三、开始网络训练

通过voc_annotation.py我们已经生成了train.txt以及val.txt，此时我们可以开始训练了。训练的参数较多，大家可以在下载库后仔细看注释，其中最重要的部分依然是train.py里的num_classes。

num_classes用于指向检测类别的个数 1！训练自己的数据集必须要修改！

除此之外在train.py文件夹下面，选择自己要使用的主干模型backbone、预训练权重model_path和下采样因子downsample_factor。预训练模型需要和主干模型相对应。下采样因子可以在8和16中选择。

之后就可以开始训练了。

四、训练结果预测

训练结果预测需要用到两个文件，分别是deeplab.py和predict.py。
我们首先需要去deeplab.py里面修改model_path以及num_classes，这两个参数必须要修改。

model_path指向训练好的权值文件，在logs文件夹里。
num_classes指向检测类别的个数 1。

完成修改后就可以运行predict.py进行检测了。运行后输入图片路径即可检测。

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