前沿科技探索家 · 2021年04月27日

基于飞桨复现语义分割网络HRNet,实现瓷砖缺陷检测

内容简介

本项目讲述了HRNet网络结构,并尝试使用PaddleSeg中HRNet网络实现瓷砖缺陷检测

PaddleSeg GitHub:

https://github.com/PaddlePadd...

本文包含以下内容:

PaddleSeg介绍

HRNet网络分析
基于PaddleSeg使用HRNet网络进行瓷砖缺陷检测
PaddleSeg介绍
PaddleSeg是基于PaddlePaddle开发的图像分割开发套件,覆盖了DeepLabv3+、U-Net、ICNet、PSPNet、HRNet、Fast-SCNN等主流分割网络。通过模块化的设计,以配置化方式驱动模型组合,帮助开发者更便捷地完成从训练到部署的全流程图像分割应用。

PaddleSeg产品特点:

  1. 丰富的数据增强:基于百度视觉技术部的实际业务经验,内置10+种数据增强策略,可结合实际业务场景进行定制组合,提升模型泛化能力和鲁棒性。
  2. 模块化设计:支持DeepLabv3+、U-Net、ICNet、PSPNet、HRNet、Fast-SCNN六种主流分割网络,结合预训练模型和可调节的骨干网络,满足不同性能和精度的要求;选择不同的损失函数如Dice Loss, Lovasz Loss等方式可以强化小目标和不均衡样本场景下的分割精度。
  3. 高性能:PaddleSeg支持多进程I/O、多卡并行等训练加速策略,结合飞桨核心框架的显存优化功能,可大幅度减少分割模型的显存开销,让开发者更低成本、更高效地完成图像分割训练。
  4. 工业级部署:全面提供服务端和移动端的工业级部署能力,依托飞桨高性能推理引擎和高性能图像处理实现,开发者可以轻松完成高性能的分割模型部署和集成。通过Paddle-Lite,可以在移动设备或者嵌入式设备上完成轻量级、高性能的人像分割模型部署。
  5. 产业实践案例:PaddleSeg提供丰富地产业实践案例,如人像分割、工业表计检测、遥感分割、人体解析,工业质检等产业实践案例,助力开发者更便捷地落地图像分割技术。

HRNet网络分析

论文名称:High-Resolution Representations for Labeling Pixels and Regions

下载地址:https://arxiv.org/pdf/1904.04...

1.jpg

如上图所示HRNet有四个并行的分支,包含三次下采样过程。值得注意的是,上图中的输入是以原始输入的1/4开始的,即先经历了2次步长为2的3×3卷积。

HRNet网络结构特点:

始终保持高分辨率表征
从网络整体结构可以看出,每次产生低分辨率特征图之后,原有的高分辨特征还会参与到后续的卷积过程,因此产生了并行的不同分辨率的特征图。

残差单元
图中的直箭头代表残差单元,残差单元由4个残差卷积(1×1、3×3、1×1)构成。

网络整体结构:

1.png

类似全连接的阶段性特征融合
每经过4个残差单元之后会进行一次不同分辨率的特征融合。低分辨率上采样与高分辨率融合,高分辨率下采样与低分辨率融合,最终形成类似于全连接形式的特征融合过程。

1.jpg

简单明了的解码过程
如下图所示,解码过程显得很轻巧,将四个阶段产生的不同分辨率的特征图直接上采样至输入的1/4,经过1次1*1卷积整合各通道的信息,然后进行预测分类,最后上采样至原图大小进行损失计算。

1.jpg

关键性代码:

以下展示了网络搭建过程中重要的方法及注释。

#获取各阶段的通道数{18,36,72,144}
    channels_2 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE2.NUM_CHANNELS
    channels_3 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE3.NUM_CHANNELS
    channels_4 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE4.NUM_CHANNELS
    #获取各阶段残差单元的循环次数{1,4,3}
    num_modules_2 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE2.NUM_MODULES
    num_modules_3 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE3.NUM_MODULES
    num_modules_4 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE4.NUM_MODULES 
    #步长为2的跨步卷积 f=3*3
    x = conv_bn_layer(input=input,filter_size=3,num_filters=64,stride=2,if_act=True,name='layer1_1')
    #步长为2的跨步卷积 f=3*3
    x = conv_bn_layer(input=x,filter_size=3,num_filters=64,stride=2,if_act=True,name='layer1_2')
    #执行1个残差单元
    la1 = layer1(x, name='layer2')
    #根据输入中最低分辨率特征图生成低分辨率特征图,并规范特征图的通道数
    tr1 = transition_layer([la1], [256], channels_2, name='tr1')
    #执行4次残差卷积,并在每次残差单元结束时进行特征融合
    st2 = stage(tr1, num_modules_2, channels_2, name='st2')
    #根据输入中最低分辨率特征图生成低分辨率特征图,并规范特征图的通道数
    tr2 = transition_layer(st2, channels_2, channels_3, name='tr2')
    #执行3次残差卷积,并在每次残差单元结束时进行特征融合
    st3 = stage(tr2, num_modules_3, channels_3, name='st3')
    #根据输入中最低分辨率特征图生成低分辨率特征图,并规范特征图的通道数
    tr3 = transition_layer(st3, channels_3, channels_4, name='tr3')
    #执行1次残差卷积,并在每次残差单元结束时进行特征融合
    st4 = stage(tr3, num_modules_4, channels_4, name='st4')
    shape = st4[0].shape
    ##获取st4[0]宽高,并进行双线性插值
    height, width = shape[-2], shape[-1]
    st4[1] = fluid.layers.resize_bilinear(st4[1], out_shape=[height, width])
    st4[2] = fluid.layers.resize_bilinear(st4[2], out_shape=[height, width])
    st4[3] = fluid.layers.resize_bilinear(st4[3], out_shape=[height, width])
    #特征通道合并
    out = fluid.layers.concat(st4, axis=1)
    #求总通道数
    last_channels = sum(channels_4)
    #使用1*1卷积进行跨通道的特征融合
    out = conv_bn_layer(input=out,filter_size=1,num_filters=last_channels,stride=1,if_act=True,name='conv-2')
    #使用1*1卷积进行最后的像素分类       
    out = fluid.layers.conv2d(input=out,num_filters=num_classes,filter_size=1,stride=1,padding=0,act=None,
    param_attr=ParamAttr(initializer=MSRA(), name='conv-1_weights'),bias_attr=False)
    #恢复至网络输入的大小
    out = fluid.layers.resize_bilinear(out, input.shape[2:])

网络的整理流程与细节如下所示:

1.jpg

网络过程中特征的维度变化如下所示:

1.jpg

基于PaddleSeg使用HRNet进行瓷砖缺陷检测

1. 数据准备

表面缺陷检测是筛选不合格产品的核心过程,但该过程很少能自动完成。
据记载,在世界上最大的瓷砖生产基地浙江省的瓷砖厂,有近3/4的工人在检查产品质量。
为了减轻人类的劳动强度,已经提出了许多图像处理技术来尝试这样的检查任务。
瓷砖的自动损伤检测存在纹理复杂、缺陷形状多样、瓷砖光照条件随机性等几个瓶颈问题。
目标缺陷如气孔、裂纹、断裂、磨损如图所示。

1.jpg

2. 环境搭建

环境要求:PaddlePaddle >= 1.7.0Python >= 3.5+

由于图像分割模型计算开销大,推荐在GPU版本的PaddlePaddle下使用PaddleSeg

pip install -U paddlepaddle-gpu

安装过程

安装PaddleSeg套件:

git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSeg

安装PaddleSeg依赖:

cd PaddleSeg
pip install -r requirements.txt
3. 标签数据

PaddleSeg采用单通道的标注图片,每一种像素值代表一种类别,像素标注类别需要从0开始递增,例如0,1,2,3表示有4种类别。3. 标签数据

NOTE:

标注图像请使用PNG无损压缩格式的图片,标注类别最多为256类。
PaddleSeg支持灰度标注同时也支持伪彩色标注。
PaddleSeg支持灰度标注转换为伪彩色标注,如需转换成伪彩色标注图,可使用PaddleSeg自带的的转换工具

4. 模型选择参数配置

模型选择:根据自己的需求选择合适的模型进行训练。本文选择HRNet-W18作为训练模型。
预训练模型:pretrained_model/download_model.py中提供了相应的预训练模型下载地址,可以根据自己的需求在其中寻找相应的预训练模型,如不存在,可以按照同样的格式添加对应的模型名称与下载地址。
参数配置:参数由config.py和hrnet_Magnetic.yaml共同决定,.yaml文件的优先级高于config.py 。
常用参数配置详细说明:

DATASET:关于数据集的相关配置,如类别数、训练数据列表、测试数据列表
MODEL:模型配置:
MODEL_NAME: "hrnet" 模型名称
HRNET:配置各个stage中不同分辨率特征图的通道数
STAGE2:

NUM_CHANNELS: [18, 36]

STAGE3:

NUM_CHANNELS: [18, 36, 72]

STAGE4:

NUM_CHANNELS: [18, 36, 72, 144]

MULTI_LOSS_WEIGHT:模型输出权重配置
TRAIN_CROP_SIZE:训练时输入数据大小
EVAL_CROP_SIZE:测试时输入数据大小
BATCH_SIZE:输入网络中的BATCH_SIZE,需要适配显存
SNAPSHOT_EPOCH: 阶段性保存EPOCH
NUM_EPOCHS:总的训练轮数
LOSS:损失函数类别
LR:学习率

5. 参数校验

在开始训练和评估之前,对配置和数据进行一次校验,确保数据和配置是正确的。使用下述命令启动校验流程:

python pdseg/check.py --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml
6. 模型训练

本次项目中设置的是阶段性模型评估,同时保存评估结果最好的模型参数在下述目录:

PaddleSeg/saved_model/unet_optic/best_model

best_model文件夹下包含ppcls.pdmodel、ppcls.pdopt、ppcls.pdparams三个文件用来进行后续的评估推理使用。

python pdseg/train.py --use_gpu --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml --do_eval
7. 模型评估
python pdseg/train.py --use_gpu --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml --do_eval

[EVAL]#image=81 acc=0.9853 IoU=0.8434
[EVAL]Category IoU: [0.9842 0.7891 0.8468 0.7010 0.9258 0.8136]
[EVAL]Category Acc: [0.9927 0.8871 0.9407 0.9106 0.9597 0.8829]
[EVAL]Kappa:0.9037
8. 结果可视化
python pdseg/vis.py --use_gpu --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml

得到可视化结果之后,可以使用如下代码展示可视化结果:

import matplotlib.pyplot as plt
import os
import cv2 
# 定义显示函数
def display(img_name):
    image_dir = os.path.join("./dataset/Magnetic/images", img_name.split(".")[0]+".jpg")
    label_dir = os.path.join("./dataset/Magnetic/color",img_name)
    mask_dir = os.path.join("./visual", img_name)
    img_dir = [image_dir, label_dir, mask_dir]
    plt.figure(figsize=(15, 15))
    title = ['Image', 'label', 'Predict']  
    for i in range(len(title)):
        plt.subplot(1, len(title), i+1)
        plt.title(title[i])
        if i==0:
            img_rgb = cv2.imread(img_dir[i])
        else:
            img = cv2.imread(img_dir[i])
            b,g,r = cv2.split(img)
            img_rgb = cv2.merge([r,g,b])            
        plt.imshow(img_rgb)
        plt.axis('off')
    plt.show()
# 注:第一次运行可能无法显示,再运行一次即可。
img_list=os.listdir("./visual")
for img_name in img_list:    
    display(img_name)

输出结果如下所示:

1.jpg

心得体会
本项目详细介绍了HRNet网络关键性技术点,最后使用基于飞桨开源深度学习框架的图像分割套件PaddleSeg,在AI Studio上完成了数据处理、模型训练、模型评估等工作。PaddleSeg套件让图像分割技术变得更为简单便捷,降低了开发者的上手难度。

在此强烈安利AI Studio。AI Studio是基于百度深度学习平台飞桨的人工智能学习与实训社区,提供在线编程环境、免费GPU算力、海量开源算法和开放数据,帮助开发者快速创建和部署模型。对于像笔者一样没有硬件条件的学习者是一个很大的助力。

整个项目包括数据集与相关代码已公开在AI Studio上,欢迎小伙伴们Fork。https://aistudio.baidu.com/ai...

如在使用过程中有问题,可加入飞桨官方QQ群进行交流:1108045677。

如果您想详细了解更多飞桨的相关内容,请参阅以下文档。

官网地址:https://www.paddlepaddle.org.cn

·飞桨 PaddleSeg 项目地址·

GitHub: https://github.com/PaddlePadd...

Gitee: https://gitee.com/paddlepaddl...

·飞桨官网地址·

https://www.paddlepaddle.org.cn/

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