關(guān)于如何使用MATLAB 深度學(xué)習(xí)進(jìn)行語義分割的方法詳解

這篇文章展示了一個具體的文檔示例，演示如何使用深度學(xué)習(xí)和 Computer Vision System Toolbox 訓(xùn)練語義分割網(wǎng)絡(luò)。

語義分割網(wǎng)絡(luò)對圖像中的每個像素進(jìn)行分類，從而生成按類分割的圖像。語義分割的應(yīng)用包括用于自動駕駛的道路分割和醫(yī)學(xué)診斷中的癌細(xì)胞分割。

如需了解更多文檔示例和詳細(xì)信息，建議查閱技術(shù)文檔：https://cn.mathworks.com/help

為了說明訓(xùn)練過程，本示例將訓(xùn)練 SegNet，一種用于圖像語義分割的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN)。用于語義分割的其他類型網(wǎng)絡(luò)包括全卷積網(wǎng)絡(luò) (FCN) 和 U-Net。以下所示訓(xùn)練過程也可應(yīng)用于這些網(wǎng)絡(luò)。

本示例使用來自劍橋大學(xué)的CamVid 數(shù)據(jù)集展開訓(xùn)練。此數(shù)據(jù)集是包含駕駛時所獲得的街道級視圖的圖像集合。該數(shù)據(jù)集為 32 種語義類提供了像素級標(biāo)簽，包括車輛、行人和道路。

建立

本示例創(chuàng)建了 SegNet 網(wǎng)絡(luò)，其權(quán)重從 VGG-16 網(wǎng)絡(luò)初始化。要獲取 VGG-16，請安裝Neural Network Toolbox Model for VGG-16 Network：

安裝完成后，運(yùn)行以下代碼以驗(yàn)證是否安裝正確。

vgg16();

此外，請下載預(yù)訓(xùn)練版 SegNet。預(yù)訓(xùn)練模型可支持您運(yùn)行整個示例，而無需等待訓(xùn)練完成。

強(qiáng)烈建議采用計(jì)算能力為 3.0 或更高級別，支持 CUDA 的 NVIDIA GPU 來運(yùn)行本示例。使用 GPU 需要 Parallel Computing Toolbox。

下載 CamVid 數(shù)據(jù)集

從以下 URL 中下載 CamVid 數(shù)據(jù)集。

注意：數(shù)據(jù)下載時間取決于您的 Internet 連接情況。在下載完成之前，上面使用的命令會阻止訪問 MATLAB。或者，您可以使用 Web 瀏覽器先將數(shù)據(jù)集下載到本地磁盤。要使用從 Web 中下載的文件，請將上述 outputFolder 變量更改為下載文件的位置。

加載 CamVid 圖像

用于加載 CamVid 圖像。借助 imageDatastore，可以高效地加載磁盤上的大量圖像數(shù)據(jù)。

imgDir = fullfile(outputFolder,'images','701_StillsRaw_full');imds = imageDatastore(imgDir);

顯示其中一個圖像。

I = readimage(imds,1);I = histeq(I);imshow(I)

加載 CamVid 像素標(biāo)簽圖像

使用imageDatastore加載 CamVid 像素標(biāo)簽圖像。pixelLabelDatastore 將像素標(biāo)簽數(shù)據(jù)和標(biāo)簽 ID 封裝到類名映射中。

按照 SegNet 原創(chuàng)論文（Badrinarayanan、Vijay、Alex Kendall 和 Roberto Cipolla：《SegNet：用于圖像分割的一種深度卷積編碼器-解碼器架構(gòu)》(SegNet: A Deep Convolutional Encoder-Decoder Architecture for ImageSegmentation)。arXiv 預(yù)印本：1511.00561，201）中采用的步驟進(jìn)行操作，將 CamVid 中的 32 個原始類分組為 11 個類。指定這些類。

classes = [ "Sky" "Building" "Pole" "Road" "Pavement" "Tree" "SignSymbol" "Fence" "Car" "Pedestrian" "Bicyclist" ];

要將 32 個類減少為 11 個，請將原始數(shù)據(jù)集中的多個類組合在一起。例如，“Car” 是 “Car” 、 “SUVPickupTruck” 、 “Truck_Bus” 、 “Train” 和 “OtherMoving” 的組合。使用支持函數(shù) camvidPixelLabelIDs 返回已分組的標(biāo)簽 ID，該函數(shù)會在本示例的末尾列出。

labelIDs = camvidPixelLabelIDs();

使用這些類和標(biāo)簽 ID 創(chuàng)建 pixelLabelDatastore。

labelDir = fullfile(outputFolder,'labels');pxds = pixelLabelDatastore(labelDir,classes,labelIDs);

讀取并在一幅圖像上疊加顯示像素標(biāo)簽圖像。

C = readimage(pxds,1);cmap = camvidColorMap;B = labeloverlay(I,C,'ColorMap',cmap);imshow(B)pixelLabelColorbar(cmap,classes);

沒有顏色疊加的區(qū)域沒有像素標(biāo)簽，在訓(xùn)練期間不會使用這些區(qū)域。

分析數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)信息

要查看 CamVid 數(shù)據(jù)集中類標(biāo)簽的分布情況，請使用countEachLabel。此函數(shù)會按類標(biāo)簽計(jì)算像素?cái)?shù)。

tbl = countEachLabel(pxds)

按類可視化像素計(jì)數(shù)。

frequency = tbl.PixelCount/sum(tbl.PixelCount);bar(1:numel(classes),frequency)xticks(1:numel(classes)) xticklabels(tbl.Name)xtickangle(45)ylabel('Frequency')

理想情況下，所有類都有相同數(shù)量的觀察結(jié)果。但是，CamVid 中的這些類比例失衡，這是街道場景汽車數(shù)據(jù)集中的常見問題。由于天空、建筑物和道路覆蓋了圖像中的更多區(qū)域，因此相比行人和騎自行車者像素，這些場景擁有更多的天空、建筑物和道路像素。如果處理不當(dāng)，這種失衡可能影響學(xué)習(xí)過程，因?yàn)閷W(xué)習(xí)過程偏向主導(dǎo)類。在本示例中，您稍后將使用類權(quán)重來處理此問題。

調(diào)整 CamVid 數(shù)據(jù)的大小

CamVid 數(shù)據(jù)集中的圖像大小為 720 x 960。要減少訓(xùn)練時間和內(nèi)存使用量，請將圖像和像素標(biāo)記圖像的大小調(diào)整為 360 x 480。resizeCamVidImages 和 resizeCamVidPixelLabels 是本示例末尾所列出的支持函數(shù)。

準(zhǔn)備訓(xùn)練集和測試集

使用數(shù)據(jù)集中 60% 的圖像訓(xùn)練 SegNet。其余圖像用于測試。以下代碼會將圖像和像素標(biāo)記數(shù)據(jù)隨機(jī)分成訓(xùn)練集和測試集。

[imdsTrain,imdsTest,pxdsTrain,pxdsTest] = partitionCamVidData(imds,pxds);

60/40 拆分會生產(chǎn)以下數(shù)量的訓(xùn)練圖像和測試圖像：

numTrainingImages = numel(imdsTrain.Files)

numTrainingImages = 421

numTestingImages = numel(imdsTest.Files)

numTestingImages = 280

創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)

使用segnetLayers創(chuàng)建利用 VGG-16 權(quán)重初始化的 SegNet 網(wǎng)絡(luò)。segnetLayers 會自動執(zhí)行傳輸 VGG-16 中的權(quán)重所需的網(wǎng)絡(luò)操作，并添加語義分割所需其他網(wǎng)絡(luò)層。

imageSize = [360 480 3];numClasses = numel(classes);lgraph = segnetLayers(imageSize,numClasses,'vgg16');

根據(jù)數(shù)據(jù)集中圖像的大小選擇圖像大小。根據(jù) CamVid 中的類選擇類的數(shù)量。

使用類權(quán)重平衡類

如前所示，CamVid 中的這些類比例失衡。要改進(jìn)訓(xùn)練情況，可以使用類權(quán)重來平衡這些類。使用之前通過countEachLayer計(jì)算的像素標(biāo)簽計(jì)數(shù)，并計(jì)算中值頻率類權(quán)重。

imageFreq = tbl.PixelCount ./ tbl.ImagePixelCount;classWeights = median(imageFreq) ./ imageFreq

使用pixelClassificationLayer指定類權(quán)重。

pxLayer = pixelClassificationLayer('Name','labels','ClassNames',tbl.Name,'ClassWeights',classWeights)

通過刪除當(dāng)前 pixelClassificationLayer 并添加新層，使用新的 pixelClassificationLayer 更新 SegNet 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前 pixelClassificationLayer 名為“pixelLabels”。使用removeLayers刪除該層，使用addLayers添加新層，然后使用connectLayers將新層連接到網(wǎng)絡(luò)的其余部分。

選擇訓(xùn)練選項(xiàng)

用于訓(xùn)練的優(yōu)化算法是引入動量的隨機(jī)梯度下降 (SGDM) 算法。使用trainingOptions指定用于 SGDM 的超參數(shù)。

大小為 4 的 minimatch 用于減少訓(xùn)練時的內(nèi)存使用量。您可以根據(jù)系統(tǒng)中的 GPU 內(nèi)存量增加或減少此值。

數(shù)據(jù)擴(kuò)充

在訓(xùn)練期間使用數(shù)據(jù)擴(kuò)充向網(wǎng)絡(luò)提供更多示例，以便提高網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性。此處，隨機(jī)左/右反射以及 +/- 10 像素的隨機(jī) X/Y 平移用于數(shù)據(jù)擴(kuò)充。用于指定這些數(shù)據(jù)擴(kuò)充參數(shù)。

imageDataAugmenter 支持其他幾種類型的數(shù)據(jù)擴(kuò)充。選擇它們需要經(jīng)驗(yàn)分析，并且這是另一個層次的超參數(shù)調(diào)整。

開始訓(xùn)練

使用pixelLabelImageDatastore組合訓(xùn)練數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)擴(kuò)充選擇。pixelLabelImageDatastore 會讀取批量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)擴(kuò)充，并將已擴(kuò)充的數(shù)據(jù)發(fā)送至訓(xùn)練算法。

如果 doTraining 標(biāo)志為 true，則會開始訓(xùn)練。否則，會加載預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。注意：NVIDIA Titan X 上的訓(xùn)練大約需要 5 個小時，根據(jù)您的 GPU 硬件具體情況，可能會需要更長的時間。

在圖像上測試網(wǎng)絡(luò)

作為快速完整性檢查，將在測試圖像上運(yùn)行已訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)。

I = read(imdsTest);C = semanticseg(I, net);

顯示結(jié)果。

將 C 中的結(jié)果與 pxdsTest 中的預(yù)期真值進(jìn)行比較。綠色和洋紅色區(qū)域突出顯示了分割結(jié)果與預(yù)期真值不同的區(qū)域。

expectedResult = read(pxdsTest);actual = uint8(C);expected = uint8(expectedResult);imshowpair(actual, expected)

從視覺上看，道路、天空、建筑物等類的語義分割結(jié)果重疊情況良好。然而，行人和車輛等較小的對象則不那么準(zhǔn)確。可以使用交叉聯(lián)合 (IoU) 指標(biāo)（又稱 Jaccard 系數(shù)）來測量每個類的重疊量。使用jaccard函數(shù)測量 IoU。

iou = jaccard(C, expectedResult);table(classes,iou)

IoU 指標(biāo)可確認(rèn)視覺效果。道路、天空和建筑物類具有較高的 IoU 分?jǐn)?shù)，而行人和車輛等類的分?jǐn)?shù)較低。其他常見的分割指標(biāo)包括Dice 系數(shù)和Boundary-F1輪廓匹配分?jǐn)?shù)。

評估已訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)

要測量多個測試圖像的準(zhǔn)確性，請?jiān)谡麄€測試集中運(yùn)行semanticseg。

pxdsResults = semanticseg(imdsTest,net,'MiniBatchSize',4,'WriteLocation',tempdir,'Verbose',false);

semanticseg 會將測試集的結(jié)果作為 pixelLabelDatastore 對象返回。imdsTest 中每個測試圖像的實(shí)際像素標(biāo)簽數(shù)據(jù)會在“WriteLocation”參數(shù)指定的位置寫入磁盤。使用evaluateSemanticSegmentation測量測試集結(jié)果的語義分割指標(biāo)。

metrics = evaluateSemanticSegmentation(pxdsResults,pxdsTest,'Verbose',false);

evaluateSemanticSegmentation返回整個數(shù)據(jù)集、各個類以及每個測試圖像的各種指標(biāo)。要查看數(shù)據(jù)集級別指標(biāo)，請檢查 metrics.DataSetMetrics。

metrics.DataSetMetrics

數(shù)據(jù)集指標(biāo)可提供網(wǎng)絡(luò)性能的高級概述。要查看每個類對整體性能的影響，請使用 metrics.ClassMetrics 檢查每個類的指標(biāo)。

metrics.ClassMetrics

盡管數(shù)據(jù)集整體性能非常高，但類指標(biāo)顯示，諸如 Pedestrian、Bicyclist 和 Car 等代表性不足的類分割效果不如Road、Sky 和 Building 等類。附加數(shù)據(jù)多一些代表性不足類樣本可能會提升分割效果。