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图像分割:U-Net与MaskR-CNN实战

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发布时间: 2025-09-01 01:57:42 阅读量: 4 订阅数: 13 AIGC
# 图像分割:U-Net与Mask R-CNN实战 ## 1. U-Net架构与上采样 U-Net架构在图像分割任务中表现出色,它在进行上采样时,利用跳跃连接(Skip Connections)从左半部分的对应层获取信息,类似于ResNet中的跳跃连接,这样可以保留原始图像的结构和物体信息。U-Net架构在利用卷积特征预测每个像素对应的类别时,能够学习保留原始图像的结构和物体形状。通常,输出的通道数与要预测的类别数相同。 ### 1.1 上采样操作 在U-Net架构中,上采样使用`nn.ConvTranspose2d`方法实现。该方法接受输入通道数、输出通道数、内核大小和步幅作为输入参数。以下是一个示例计算: ```python import torch import torch.nn as nn # 初始化网络 m = nn.ConvTranspose2d(1, 1, kernel_size=(2,2), stride=2, padding = 0) # 初始化输入数组 input = torch.ones(1, 1, 3, 3) output = m(input) print(output.shape) ``` 通过结合填充和步幅,我们将一个3x3形状的输入上采样为6x6形状的数组。在模型训练过程中,最优的滤波器值会学习尽可能地重建原始图像。 ## 2. 使用U-Net实现语义分割 ### 2.1 准备工作 首先,我们需要下载必要的数据集,安装必要的包,并导入它们,然后定义设备: ```python import os if not os.path.exists('dataset1'): !wget -q https://www.dropbox.com/s/0pigmmmynbf9xwq/dataset1.zip !unzip -q dataset1.zip !rm dataset1.zip !pip install -q torch_snippets pytorch_model_summary from torch_snippets import * from torchvision import transforms from sklearn.model_selection import train_test_split device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu' ``` ### 2.2 定义图像转换函数 ```python tfms = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225]) ]) ``` ### 2.3 定义数据集类 ```python class SegData(Dataset): def __init__(self, split): self.items = stems(f'dataset1/images_prepped_{split}') self.split = split def __len__(self): return len(self.items) def __getitem__(self, ix): image = read(f'dataset1/images_prepped_{self.split}/{self.items[ix]}.png', 1) image = cv2.resize(image, (224,224)) mask = read(f'dataset1/annotations_prepped_{self.split}/{self.items[ix]}.png')[:,:,0] mask = cv2.resize(mask, (224,224)) return image, mask def choose(self): return self[randint(len(self))] def collate_fn(self, batch): ims, masks = list(zip(*batch)) ims = torch.cat([tfms(im.copy()/255.)[None] for im in ims]).float().to(device) ce_masks = torch.cat([torch.Tensor(mask[None]) for mask in masks]).long().to(device) return ims, ce_masks ``` ### 2.4 定义训练和验证数据集及数据加载器 ```python trn_ds = SegData('train') val_ds = SegData('test') trn_dl = DataLoader(trn_ds, batch_size=4, shuffle=True, collate_fn=trn_ds.collate_fn) val_dl = DataLoader(val_ds, batch_size=1, shuffle=True, collate_fn=val_ds.collate_fn) ``` ### 2.5 定义神经网络模型架构 ```python def conv(in_channels, out_channels): return nn.Sequential( nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(out_channels), nn.ReLU(inplace=True) ) def up_conv(in_channels, out_channels): return nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(in_channels, out_channels, kernel_size=2, stride=2), nn.ReLU(inplace=True) ) from torchvision.models import vgg16_bn class UNet(nn.Module): def __init__(self, pretrained=True, out_channels=12): super().__init__() self.encoder = vgg16_bn(pretrained=pretrained).features self.block1 = nn.Sequential(*self.encoder[:6]) self.block2 = nn.Sequential(*self.encoder[6:13]) self.block3 = nn.Sequential(*self.encoder[13:20]) self.block4 = nn.Sequential(*self.encoder[20:27]) self.block5 = nn.Sequential(*self.encoder[27:34]) self.bottleneck = nn.Sequential(*self.encoder[34:]) self.conv_bottleneck = conv(512, 1024) self.up_conv6 = up_conv(1024, 512) self.conv6 = conv(512 + 512, 512) self.up_conv7 = up_conv(512, 256) self.conv7 = conv(256 + 512, 256) self.up_conv8 = up_conv(256, 128) self.conv8 = conv(128 + 256, 128) self.up_conv9 = up_conv(128, 64) self.conv9 = conv(64 + 128, 64) self.up_conv10 = up_conv(64, 32) self.conv10 = conv(32 + 64, 32) self.conv11 = nn.Conv2d(32, out_channels, kernel_size=1) def forward(self, x): block1 = self.block1(x) block2 = self.block2(block1) block3 = self.block3(block2) block4 = self.block4(block3) block5 = self.block5(block4) bottleneck = self.bottleneck(block5) x = self.conv_bottleneck(bottleneck) x = self.up_conv6(x) x = torch.cat([x, block5], dim=1) x = self.conv6(x) x = self.up_conv7(x) x = torch.cat([x, block4], dim=1) x = self.conv7(x) x = self.up_conv8(x) x = torch.cat([x, block3], dim=1) x = self.conv8(x) x = self.up_conv9(x) x = torch.cat([x, block2], dim=1) x = self.conv9(x) x = self.up_conv10(x) x = torch.cat([x, block1], dim=1) x = self.conv10(x) x = self.conv11(x) return x ce = nn.CrossEntropyLoss() def UnetLoss(preds, targets): ce_loss = ce(preds, targets) acc = (torch.max(preds, 1)[1] == targets).float().mean() return ce_loss, acc def train_batch(model, data, optimizer, criterion): model.train() ims, ce_masks = data _masks = model(ims) optimizer.zero_grad() loss, acc = criterion(_masks, ce_masks) loss.backward() optimizer.step() return loss.item(), acc.item() @torch.no_grad() def validate_batch(model, data, criterion): model.eval() ims, masks = data _masks = model ```
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