学习Segformer语义分割模型并训练测试cityscapes数据集

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了学习Segformer语义分割模型并训练测试cityscapes数据集。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

官方的segformer源码是基于MMCV框架,整体包装较多,自己不便于阅读和学习,我这里使用的是Bubbliiiing大佬github复现的segformer版本。
Bubbliiiing大佬代码下载链接:

https://github.com/bubbliiiing/segformer-pytorch

大佬的代码很优秀简练,注释也很详细,代码里采用的是VOC数据集的格式,因此只需要把cityscapes数据格式修改即可。

一、Segformer模型结构

Segformer特点:transformer + 特征融合 + 轻量级MLP + 选择3*3卷积并舍弃位置编码
学习Segformer语义分割模型并训练测试cityscapes数据集,学习,深度学习,人工智能

1.OverlapPatchEmbed模块

分割输入图像,使用卷积操作将输入图像分成大小为 patch_size 的块,并使用步幅为 stride 移动这些块以创建重叠块。然后对每个块进行一维向量化,并通过标准化层进行标准化。该模块的输出包含一个形状为 (B, N, C) 的张量,其中 B 是批大小,N 是每个块中像素数量的数量,C 是嵌入维度。此外,该模块还返回 H W,这是输入图像的大小,因为在解码时需要了解原始图像的大小。

class OverlapPatchEmbed(nn.Module):
    def __init__(self, patch_size=7, stride=4, in_chans=3, embed_dim=768):
        super().__init__()
        patch_size  = (patch_size, patch_size) #7*7
        self.proj   = nn.Conv2d(in_chans, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=stride,
                              padding=(patch_size[0] // 2, patch_size[1] // 2))
        self.norm   = nn.LayerNorm(embed_dim)

        self.apply(self._init_weights)

    def forward(self, x):
        x = self.proj(x)
        _, _, H, W = x.shape
        x = x.flatten(2).transpose(1, 2)
        x = self.norm(x)

        return x, H, W

2.Self-Attention模块

关于Self-Attention原理,可以去看这个大佬的文章,讲的很详细:https://zhuanlan.zhihu.com/p/410776234
核心为这个公式:学习Segformer语义分割模型并训练测试cityscapes数据集,学习,深度学习,人工智能Segformer中做了些改进。

class Attention(nn.Module):
    def __init__(self, dim, num_heads=8, qkv_bias=False, qk_scale=None, attn_drop=0., proj_drop=0., sr_ratio=1):
        super().__init__()
        assert dim % num_heads == 0, f"dim {dim} should be divided by num_heads {num_heads}."

        self.dim        = dim
        self.num_heads  = num_heads
        head_dim        = dim // num_heads
        self.scale      = qk_scale or head_dim ** -0.5

        self.q          = nn.Linear(dim, dim, bias=qkv_bias)
        
        self.sr_ratio = sr_ratio
        if sr_ratio > 1:
            self.sr     = nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=sr_ratio, stride=sr_ratio)
            self.norm   = nn.LayerNorm(dim)
        self.kv         = nn.Linear(dim, dim * 2, bias=qkv_bias)
        
        self.attn_drop  = nn.Dropout(attn_drop)
        
        self.proj       = nn.Linear(dim, dim)
        self.proj_drop  = nn.Dropout(proj_drop)

        self.apply(self._init_weights)

    def forward(self, x, H, W):
        B, N, C = x.shape
        # bs, 16384, 32 => bs, 16384, 32 => bs, 16384, 8, 4 => bs, 8, 16384, 4
        q = self.q(x).reshape(B, N, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(0, 2, 1, 3)

        if self.sr_ratio > 1:
            # bs, 16384, 32 => bs, 32, 128, 128
            x_ = x.permute(0, 2, 1).reshape(B, C, H, W)
            # bs, 32, 128, 128 => bs, 32, 16, 16 => bs, 256, 32
            x_ = self.sr(x_).reshape(B, C, -1).permute(0, 2, 1)
            x_ = self.norm(x_)
            # bs, 256, 32 => bs, 256, 64 => bs, 256, 2, 8, 4 => 2, bs, 8, 256, 4
            kv = self.kv(x_).reshape(B, -1, 2, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(2, 0, 3, 1, 4)
        else:
            kv = self.kv(x).reshape(B, -1, 2, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(2, 0, 3, 1, 4)
        k, v = kv[0], kv[1]

        # bs, 8, 16384, 4 @ bs, 8, 4, 256 => bs, 8, 16384, 256 
        attn = (q @ k.transpose(-2, -1)) * self.scale
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        attn = self.attn_drop(attn)

        # bs, 8, 16384, 256  @ bs, 8, 256, 4 => bs, 8, 16384, 4 => bs, 16384, 32
        x = (attn @ v).transpose(1, 2).reshape(B, N, C)
        # bs, 16384, 32 => bs, 16384, 32
        x = self.proj(x)
        x = self.proj_drop(x)

        return x

3.MixFFN模块

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不同于VIT,segformer舍弃了位置编码,使用3x3的卷积构建了MixFFN模块。

class Mlp(nn.Module):
    def __init__(self, in_features, hidden_features=None, out_features=None, act_layer=GELU, drop=0.):
        super().__init__()
        out_features    = out_features or in_features
        hidden_features = hidden_features or in_features
        
        self.fc1    = nn.Linear(in_features, hidden_features)
        self.dwconv = DWConv(hidden_features)
        self.act    = act_layer()
        
        self.fc2    = nn.Linear(hidden_features, out_features)
        
        self.drop   = nn.Dropout(drop)

        self.apply(self._init_weights)
        
    def forward(self, x, H, W):
        x = self.fc1(x)
        x = self.dwconv(x, H, W)
        x = self.act(x)
        x = self.drop(x)
        x = self.fc2(x)
        x = self.drop(x)
        return x

4.拼接融合与MLP解码

这部分就是把前面的拼接然后输出。
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    def forward(self, inputs):
        c1, c2, c3, c4 = inputs

        ############## MLP decoder on C1-C4 ###########
        n, _, h, w = c4.shape
        
        _c4 = self.linear_c4(c4).permute(0,2,1).reshape(n, -1, c4.shape[2], c4.shape[3])
        _c4 = F.interpolate(_c4, size=c1.size()[2:], mode='bilinear', align_corners=False)

        _c3 = self.linear_c3(c3).permute(0,2,1).reshape(n, -1, c3.shape[2], c3.shape[3])
        _c3 = F.interpolate(_c3, size=c1.size()[2:], mode='bilinear', align_corners=False)

        _c2 = self.linear_c2(c2).permute(0,2,1).reshape(n, -1, c2.shape[2], c2.shape[3])
        _c2 = F.interpolate(_c2, size=c1.size()[2:], mode='bilinear', align_corners=False)

        _c1 = self.linear_c1(c1).permute(0,2,1).reshape(n, -1, c1.shape[2], c1.shape[3])

        _c = self.linear_fuse(torch.cat([_c4, _c3, _c2, _c1], dim=1))

        x = self.dropout(_c)
        x = self.linear_pred(x)

        return x

二、cityscapes代码修改

1.数据集文件夹格式

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这里数据集标签图片需要为灰度图或者八位彩图,标签的每个像素点的值就是这个像素点所属的种类。
因此,使用cityscapes几个标签中的 _labelIds.png标签。

数据集划分按自己需求修改voc_annotation.py文件
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2.修改dataloader.py文件

原本的这个标签中的类别是0到33和-1,我做的19类别分割。修改dataloader.py文件:

我这里直接复制了我之前使用过的encode_target内容加入进去:

CityscapesClass = namedtuple('CityscapesClass', ['name', 'id', 'train_id', 'category', 'category_id',
                                                     'has_instances', 'ignore_in_eval', 'color'])
    classes = [
        CityscapesClass('unlabeled',            0, 19, 'void', 0, False, True, (0, 0, 0)),
        CityscapesClass('ego vehicle',          1, 19, 'void', 0, False, True, (0, 0, 0)),
        CityscapesClass('rectification border', 2, 19, 'void', 0, False, True, (0, 0, 0)),
        CityscapesClass('out of roi',           3, 19, 'void', 0, False, True, (0, 0, 0)),
        CityscapesClass('static',               4, 19, 'void', 0, False, True, (0, 0, 0)),
        CityscapesClass('dynamic',              5, 19, 'void', 0, False, True, (111, 74, 0)),
        CityscapesClass('ground',               6, 19, 'void', 0, False, True, (81, 0, 81)),
        CityscapesClass('road',                 7, 0, 'flat', 1, False, False, (128, 64, 128)),
        CityscapesClass('sidewalk',             8, 1, 'flat', 1, False, False, (244, 35, 232)),
        CityscapesClass('parking',              9, 19, 'flat', 1, False, True, (250, 170, 160)),
        CityscapesClass('rail track',           10, 19, 'flat', 1, False, True, (230, 150, 140)),
        CityscapesClass('building',             11, 2, 'construction', 2, False, False, (70, 70, 70)),
        CityscapesClass('wall',                 12, 3, 'construction', 2, False, False, (102, 102, 156)),
        CityscapesClass('fence',                13, 4, 'construction', 2, False, False, (190, 153, 153)),
        CityscapesClass('guard rail',           14, 19, 'construction', 2, False, True, (180, 165, 180)),
        CityscapesClass('bridge',               15, 19, 'construction', 2, False, True, (150, 100, 100)),
        CityscapesClass('tunnel',               16, 19, 'construction', 2, False, True, (150, 120, 90)),
        CityscapesClass('pole',                 17, 5, 'object', 3, False, False, (153, 153, 153)),
        CityscapesClass('polegroup',            18, 19, 'object', 3, False, True, (153, 153, 153)),
        CityscapesClass('traffic light',        19, 6, 'object', 3, False, False, (250, 170, 30)),
        CityscapesClass('traffic sign',         20, 7, 'object', 3, False, False, (220, 220, 0)),
        CityscapesClass('vegetation',           21, 8, 'nature', 4, False, False, (107, 142, 35)),
        CityscapesClass('terrain',              22, 9, 'nature', 4, False, False, (152, 251, 152)),
        CityscapesClass('sky',                  23, 10, 'sky', 5, False, False, (70, 130, 180)),
        CityscapesClass('person',               24, 11, 'human', 6, True, False, (220, 20, 60)),
        CityscapesClass('rider',                25, 12, 'human', 6, True, False, (255, 0, 0)),
        CityscapesClass('car',                  26, 13, 'vehicle', 7, True, False, (0, 0, 142)),
        CityscapesClass('truck',                27, 14, 'vehicle', 7, True, False, (0, 0, 70)),
        CityscapesClass('bus',                  28, 15, 'vehicle', 7, True, False, (0, 60, 100)),
        CityscapesClass('caravan',              29, 19, 'vehicle', 7, True, True, (0, 0, 90)),
        CityscapesClass('trailer',              30, 19, 'vehicle', 7, True, True, (0, 0, 110)),
        CityscapesClass('train',                31, 16, 'vehicle', 7, True, False, (0, 80, 100)),
        CityscapesClass('motorcycle',           32, 17, 'vehicle', 7, True, False, (0, 0, 230)),
        CityscapesClass('bicycle',              33, 18, 'vehicle', 7, True, False, (119, 11, 32)),
        CityscapesClass('license plate',        -1, 19, 'vehicle', 7, False, True, (0, 0, 142)),
    ]

    id_to_train_id = np.array([c.train_id for c in classes])
    def encode_target(cls, png):
        return cls.id_to_train_id[np.array(png)]

同时修改def getitem(self, index)函数:
修改一下split,原本的voc的标签和图像名称一样,加个image_name,然后加个png = self.encode_target(png)


    def __getitem__(self, index):
        annotation_line = self.annotation_lines[index]
        name            = annotation_line.split()[0]

        #-------------------------------#
        #   从文件中读取图像
        #-------------------------------#
        image_name = annotation_line.split('_gtFine_labelIds')[0] + '_leftImg8bit'
        jpg = Image.open(os.path.join(os.path.join(self.dataset_path, "VOC2007/JPEGImages"), image_name + ".png"))
        #jpg         = Image.open(os.path.join(os.path.join(self.dataset_path, "VOC2007/JPEGImages"), name + ".png"))
        png         = Image.open(os.path.join(os.path.join(self.dataset_path, "VOC2007/SegmentationClass"), name + ".png"))
        #-------------------------------#
        #   数据增强
        #-------------------------------#
        jpg, png    = self.get_random_data(jpg, png, self.input_shape, random = self.train)

        jpg         = np.transpose(preprocess_input(np.array(jpg, np.float64)), [2,0,1])
        png         = np.array(png)
        png = self.encode_target(png)
        #png[png >= self.num_classes] = self.num_classes
        #-------------------------------------------------------#
        #   转化成one_hot的形式
        #   在这里需要+1是因为voc数据集有些标签具有白边部分
        #   我们需要将白边部分进行忽略,+1的目的是方便忽略。
        #-------------------------------------------------------#
        seg_labels  = np.eye(self.num_classes + 1)[png.reshape([-1])]
        seg_labels  = seg_labels.reshape((int(self.input_shape[0]), int(self.input_shape[1]), self.num_classes + 1))

        return jpg, png, seg_labels

3.获取RGB预测图

get_miou.py文件中生成的图为灰度图,看到的是近似全黑的图。如果想要预测出来的是RGB图,将预测结果中每个像素的类别转换成RGB颜色值。因此另外写了一个映射函数,通过定义一个颜色映射表,将每个类别映射到一个RGB颜色值,并输出保存。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-606404.html

def CityscapesLABELtoRGB():
    # 定义RGB颜色映射关系
    color_map = {
        0: [128, 64, 128],
        1: [244, 35, 232],
        2: [70, 70, 70],
        3: [102, 102, 156],
        4: [190, 153, 153],
        5: [153, 153, 153],
        6: [250, 170, 30],
        7: [220, 220, 0],
        8: [107, 142, 35],
        9: [152, 251, 152],
        10: [70, 130, 180],
        11: [220, 20, 60],
        12: [255, 0, 0],
        13: [0, 0, 142],
        14: [0, 0, 70],
        15: [0, 60, 100],
        16: [0, 80, 100],
        17: [0, 0, 230],
        18: [119, 11, 32],
        19: [0, 0, 0]
    }

    # 加载类别标签图像
    label_path = "miou_out/detection-results"
    rgb_folder_path = "RGB"
    for file_name in os.listdir(label_path):
        # 加载类别标签图像
        rgb_path = os.path.join(label_path, file_name)
        img = Image.open(rgb_path)
        label_arr = np.array(img)

        # 将类别标签转换为RGB标签
        rgb_arr = np.zeros((label_arr.shape[0], label_arr.shape[1], 3), dtype=np.uint8)
        for key, value in color_map.items():
            rgb_arr[label_arr == key] = value

        # 将RGB标签保存为PNG图像

        rgb_path = os.path.join(rgb_folder_path, os.path.splitext(file_name)[0] + ".png")
        label_img = Image.fromarray(rgb_arr)
        label_img.save(rgb_path, "PNG", quality=100, bitdepth=8)

到了这里,关于学习Segformer语义分割模型并训练测试cityscapes数据集的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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    2024年02月15日
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  • MaskFormer:将语义分割和实例分割作为同一任务进行训练

    目标检测和实例分割是计算机视觉的基本任务,在从自动驾驶到医学成像的无数应用中发挥着关键作用。目标检测的传统方法中通常利用边界框技术进行对象定位,然后利用逐像素分类为这些本地化实例分配类。但是当处理同一类的重叠对象时,或者在每个图像的对象数量不

    2024年02月10日
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  • MMSegmentation训练自己的语义分割数据集

    然后 ctrl +N 开启多边形标注即可,命名类为person 之后会保存到同目录下json文件: 下载labelme代码里的转换代码: labels里存储的如下形式 运行指令 生成如下 mmseg/datasets里生成一个my_data.py文件,这个文件存储的是类别信息和seg颜色 需要多加一个backbone mmseg/utils/class_names.py文件

    2024年02月10日
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  • HRNet语义分割训练及TensorRT部署

    环境构建 1. 创建虚拟环境 2. 安装cuda和cudnn 3. 安装pytorch 4. 下载项目代码 或者直接从 https://github.com/HRNet/HRNet-Semantic-Segmentation/tree/HRNet-OCR 处下载zip包 5. 安装项目依赖的其他包 数据整理 1. 标注 使用labelme或其他标注工具做语义分割标注,网上关于labelme标注的教程很多,且操作

    2024年02月07日
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  • 从零开始复现seaformer(语义分割)训练自己的数据集——linux

    出于模型轻量化需求,需对原有的皮肤分割模型进行重新研发。seaformer是作为今年复旦大学和腾讯联合提出的轻量级语义分割算法,具有很好的参考价值。因此,作者基于seaformer算法对自研数据集进行训练,完成轻量级皮肤分割模型的开发。 1.下载地址:https://github.com/fudan

    2024年04月12日
    浏览(36)
  • 机器学习:训练集与测试集分割train_test_split

    在使用机器学习训练模型算法的过程中,为提高模型的泛化能力、防止过拟合等目的,需要将整体数据划分为训练集和测试集两部分,训练集用于模型训练,测试集用于模型的验证。此时,使用train_test_split函数可便捷高效的实现数据训练集与测试集的划分。 train_test_split 函数

    2024年02月14日
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  • 【Python&语义分割】Segment Anything(SAM)模型全局语义分割代码+掩膜保存(二)

    我上篇博文分享了Segment Anything(SAM)模型的基本操作,这篇给大家分享下官方的整张图片的语义分割代码(全局),同时我还修改了一部分支持掩膜和叠加影像的保存。 1.1 概况         Meta AI 公司的 Segment Anything 模型是一项革命性的技术,该模型能够根据文本指令或图像

    2024年02月03日
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