语义分割(semantic segmentation)

语义分割指将图片中的每个像素分类到对应的类别，语义区域的标注和预测是 像素级的，语义分割标注的像素级的边界框显然更加精细。应用：背景虚化

图像分割和实例分割

• 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。以下图中的图像作为输入，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。

• 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。

语义分割vs实例分割：

语义分割：只关心像素是哪一个类别

实例分割：区别具体对每个实例的识别

代码实现

%matplotlib inline
import os
import torch
import torchvision
from d2l import torch as d2l# 导入文件
d2l.DATA_HUB['voc2012'] = (d2l.DATA_URL + 'VOCtrainval_11-May-2012.tar','4e443f8a2eca6b1dac8a6c57641b67dd40621a49')
voc_dir = d2l.download_extract('voc2012', 'VOCdevkit/VOC2012')#加载图片
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.RGBwith open(txt_fname, 'r') as f:images = f.read().split()features, labels = [], []for i, fname in enumerate(images):# 分别读取图片和像素特征点，png的文件大保存了图像质量，jpg文件小，适合存储色彩丰富、细节复杂的照片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, labelstrain_features, train_labels = read_voc_images(voc_dir, True)

• 展示图片

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);

• 标签名与RGB色调相对应(标签中对应的图片与其标号相对应)

一个标签类别对应一个RGB颜色

#@save
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]]#@save
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']

• 标签中像素的类索引和RGB的转换

利用了进制数之间的转化关系，将RGB转化为单标量索引

#@save
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]] = ireturn colormap2label#@save
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')idx = ((colormap[:, :, 0] * 256 + colormap[:, :, 1]) * 256+ colormap[:, :, 2])return colormap2label[idx]

• 展示数据

0是背景而1是飞机的像素点，由png照片中读取得到

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

• 预处理数据

使用图像增广中的随机剪裁，剪裁输入图像和标签的相同区域；注意标签和特征要进行同步处理

#@save
def voc_rand_crop(feature, label, height, width):"""随机裁剪特征和标签图像"""# 随机处理记为rect，对特征图片和标签图片进行同样的rect处理rect = torchvision.transforms.RandomCrop.get_params(feature, (height, width))feature = torchvision.transforms.functional.crop(feature, *rect)label = torchvision.transforms.functional.crop(label, *rect)return feature, label# 图像增广处理
imgs = []
for _ in range(n):imgs += voc_rand_crop(train_features[0], train_labels[0], 200, 300)imgs = [img.permute(1, 2, 0) for img in imgs]
d2l.show_images(imgs[::2] + imgs[1::2], 2, n);

• 自定义语义分割数据集类(Dataset)

class VOCSegDataset(torch.utils.data.Dataset):"""一个用于加载VOC数据集的自定义数据集"""def __init__(self, is_train, crop_size, voc_dir):self.transform = torchvision.transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])self.crop_size = crop_sizefeatures, labels = read_voc_images(voc_dir, is_train=is_train)self.features = [self.normalize_image(feature)for feature in self.filter(features)]self.labels = self.filter(labels)self.colormap2label = voc_colormap2label()print('read ' + str(len(self.features)) + ' examples')# 图片归一化def normalize_image(self, img):return self.transform(img.float() / 255)# 去掉图片尺寸较小的图片def filter(self, imgs):return [img for img in imgs if (img.shape[1] >= self.crop_size[0] andimg.shape[2] >= self.crop_size[1])]def __getitem__(self, idx):feature, label = voc_rand_crop(self.features[idx], self.labels[idx], *self.crop_size)return (feature, voc_label_indices(label, self.colormap2label))def __len__(self):return len(self.features)# 读取数据集
crop_size = (320, 480)
voc_train = VOCSegDataset(True, crop_size, voc_dir)
voc_test = VOCSegDataset(False, crop_size, voc_dir)batch_size = 64
train_iter = torch.utils.data.DataLoader(voc_train, batch_size, shuffle=True,drop_last=True,num_workers=d2l.get_dataloader_workers())
for X, Y in train_iter:print(X.shape)print(Y.shape)break
-------------------------------------
torch.Size([64, 3, 320, 480])
torch.Size([64, 320, 480])# 整合所有组件
def load_data_voc(batch_size, crop_size):"""加载VOC语义分割数据集"""voc_dir = d2l.download_extract('voc2012', os.path.join('VOCdevkit', 'VOC2012'))num_workers = d2l.get_dataloader_workers()train_iter = torch.utils.data.DataLoader(VOCSegDataset(True, crop_size, voc_dir), batch_size,shuffle=True, drop_last=True, num_workers=num_workers)test_iter = torch.utils.data.DataLoader(VOCSegDataset(False, crop_size, voc_dir), batch_size,drop_last=True, num_workers=num_workers)return train_iter, test_iter

语义分割通过将图像划分为属于不同语义类别的区域，来识别并理解图像中像素级别的内容

由于语义分割的输入图像和标签在像素上一一对应，输入图像会被裁剪为固定尺寸而不是缩放。

Q&A：

Q1：更细致的语义分割

A1：可以利用关键点分割，在计算机视觉中，关键点分割是指利用图像中的关键点信息对图像进行区域划分、分割或标定，这可以应用于从物体识别到姿态估计的多个领域。

Q2：三维语义分割该如何去做，与二维图像之间的差别有哪些

A2：把三维图片压成一个二维图片；把二维卷积化成3D卷积；3D医学影像，z轴切片，一片一片的分割，然后叠到一起。