add 9.9

Author: ShusenTang

code/chapter09_computer-vision/9.9_semantic-segmentation-and-dataset.ipynb

@@ -1080,6 +1080,82 @@ def load_data_pikachu(batch_size, edge_size=256, data_dir = '../../data/pikachu'
     return train_iter, val_iter
 
 
+# ################################# 9.9 #########################
+def read_voc_images(root="../../data/VOCdevkit/VOC2012", 
+                    is_train=True, max_num=None):
+    txt_fname = '%s/ImageSets/Segmentation/%s' % (
+        root, 'train.txt' if is_train else 'val.txt')
+    with open(txt_fname, 'r') as f:
+        images = f.read().split()
+    if max_num is not None:
+        images = images[:min(max_num, len(images))]
+    features, labels = [None] * len(images), [None] * len(images)
+    for i, fname in tqdm(enumerate(images)):
+        features[i] = Image.open('%s/JPEGImages/%s.jpg' % (root, fname)).convert("RGB")
+        labels[i] = Image.open('%s/SegmentationClass/%s.png' % (root, fname)).convert("RGB")
+    return features, labels # PIL image
+
+# colormap2label = torch.zeros(256 ** 3, dtype=torch.uint8)
+# for i, colormap in enumerate(VOC_COLORMAP):
+#     colormap2label[(colormap[0] * 256 + colormap[1]) * 256 + colormap[2]] = i
+def voc_label_indices(colormap, colormap2label):
+    """
+    convert colormap (PIL image) to colormap2label (uint8 tensor).
+    """
+    colormap = np.array(colormap.convert("RGB")).astype('int32')
+    idx = ((colormap[:, :, 0] * 256 + colormap[:, :, 1]) * 256
+           + colormap[:, :, 2])
+    return colormap2label[idx]
+
+def voc_rand_crop(feature, label, height, width):
+    """
+    Random crop feature (PIL image) and label (PIL image).
+    """
+    i, j, h, w = torchvision.transforms.RandomCrop.get_params(
+            feature, output_size=(height, width))
+    
+    feature = torchvision.transforms.functional.crop(feature, i, j, h, w)
+    label = torchvision.transforms.functional.crop(label, i, j, h, w)    
+
+    return feature, label
+
+class VOCSegDataset(torch.utils.data.Dataset):
+    def __init__(self, is_train, crop_size, voc_dir, colormap2label, max_num=None):
+        """
+        crop_size: (h, w)
+        """
+        self.rgb_mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
+        self.rgb_std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
+        self.tsf = torchvision.transforms.Compose([
+            torchvision.transforms.ToTensor(),
+            torchvision.transforms.Normalize(mean=self.rgb_mean, 
+                                             std=self.rgb_std)
+        ])
+        
+        self.crop_size = crop_size # (h, w)
+        features, labels = read_voc_images(root=voc_dir, 
+                                           is_train=is_train, 
+                                           max_num=max_num)
+        self.features = self.filter(features) # PIL image
+        self.labels = self.filter(labels)     # PIL image
+        self.colormap2label = colormap2label
+        print('read ' + str(len(self.features)) + ' valid examples')
+
+    def filter(self, imgs):
+        return [img for img in imgs if (
+            img.size[1] >= self.crop_size[0] and
+            img.size[0] >= self.crop_size[1])]
+
+    def __getitem__(self, idx):
+        feature, label = voc_rand_crop(self.features[idx], self.labels[idx],
+                                       *self.crop_size)
+        
+        return (self.tsf(feature),
+                voc_label_indices(label, self.colormap2label))
+
+    def __len__(self):
+        return len(self.features)
+
 
 
 # ############################# 10.7 ##########################

code/d2lzh_pytorch/utils.py

@@ -114,7 +114,7 @@ docsify serve docs
    * [9.6 目标检测数据集（皮卡丘）](chapter09_computer-vision/9.6_object-detection-dataset.md)
    - [ ] 9.7 单发多框检测（SSD）
    * [9.8 区域卷积神经网络（R-CNN）系列](chapter09_computer-vision/9.8_rcnn.md)
-   - [ ] 9.9 语义分割和数据集
+   * [9.9 语义分割和数据集](chapter09_computer-vision/9.9_semantic-segmentation-and-dataset.md)
    - [ ] 9.10 全卷积网络（FCN）
    * [9.11 样式迁移](chapter09_computer-vision/9.11_neural-style.md)
    - [ ] 9.12 实战Kaggle比赛：图像分类（CIFAR-10）

docs/README.md

@@ -76,7 +76,7 @@
    * [9.6 目标检测数据集（皮卡丘）](chapter09_computer-vision/9.6_object-detection-dataset.md)
    * 9.7 单发多框检测（SSD）
    * [9.8 区域卷积神经网络（R-CNN）系列](chapter09_computer-vision/9.8_rcnn.md)
-   * 9.9 语义分割和数据集
+   * [9.9 语义分割和数据集](chapter09_computer-vision/9.9_semantic-segmentation-and-dataset.md)
    * 9.10 全卷积网络（FCN）
    * [9.11 样式迁移](chapter09_computer-vision/9.11_neural-style.md)
    * 9.12 实战Kaggle比赛：图像分类（CIFAR-10）

docs/_sidebar.md

@@ -0,0 +1,264 @@
+# 9.9 语义分割和数据集
+
+在前几节讨论的目标检测问题中，我们一直使用方形边界框来标注和预测图像中的目标。本节将探讨语义分割（semantic segmentation）问题，它关注如何将图像分割成属于不同语义类别的区域。值得一提的是，这些语义区域的标注和预测都是像素级的。图9.10展示了语义分割中图像有关狗、猫和背景的标签。可以看到，与目标检测相比，语义分割标注的像素级的边框显然更加精细。
+
+<div align=center>
+<img width="400" src="../img/chapter09/9.9_segmentation.svg"/>
+</div>
+<div align=center>图9.10 语义分割中图像有关狗、猫和背景的标签</div>
+
+## 9.9.1 图像分割和实例分割
+
+计算机视觉领域还有2个与语义分割相似的重要问题，即图像分割（image segmentation）和实例分割（instance segmentation）。我们在这里将它们与语义分割简单区分一下。
+
+* 图像分割将图像分割成若干组成区域。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。以图9.10的图像为输入，图像分割可能将狗分割成两个区域：一个覆盖以黑色为主的嘴巴和眼睛，而另一个覆盖以黄色为主的其余部分身体。
+* 实例分割又叫同时检测并分割（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。与语义分割有所不同，实例分割不仅需要区分语义，还要区分不同的目标实例。如果图像中有两只狗，实例分割需要区分像素属于这两只狗中的哪一只。
+
+
+## 9.9.2 Pascal VOC2012语义分割数据集
+
+语义分割的一个重要数据集叫作Pascal VOC2012 [1]。为了更好地了解这个数据集，我们先导入实验所需的包或模块。
+
+``` python
+%matplotlib inline
+import time
+import torch
+import torch.nn.functional as F
+import torchvision
+import numpy as np
+from PIL import Image
+from tqdm import tqdm
+
+import sys
+sys.path.append("..") 
+import d2lzh_pytorch as d2l
+```
+
+我们先下载这个数据集的压缩包（[下载地址](http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/VOCtrainval_11-May-2012.tar)）。压缩包大小是2 GB左右，下载需要一定时间。下载后解压得到`VOCdevkit/VOC2012`文件夹，然后将其放置在`data`文件夹下。
+
+``` python
+!ls ../../data/VOCdevkit/VOC2012
+```
+```
+Annotations        JPEGImages         SegmentationObject
+ImageSets          SegmentationClass
+```
+
+进入`../../data/VOCdevkit/VOC2012`路径后，我们可以获取数据集的不同组成部分。其中`ImageSets/Segmentation`路径包含了指定训练和测试样本的文本文件，而`JPEGImages`和`SegmentationClass`路径下分别包含了样本的输入图像和标签。这里的标签也是图像格式，其尺寸和它所标注的输入图像的尺寸相同。标签中颜色相同的像素属于同一个语义类别。下面定义`read_voc_images`函数将输入图像和标签读进内存。
+
+``` python
+# 本函数已保存在d2lzh_pytorch中方便以后使用
+def read_voc_images(root="../../data/VOCdevkit/VOC2012", 
+                    is_train=True, max_num=None):
+    txt_fname = '%s/ImageSets/Segmentation/%s' % (
+        root, 'train.txt' if is_train else 'val.txt')
+    with open(txt_fname, 'r') as f:
+        images = f.read().split()
+    if max_num is not None:
+        images = images[:min(max_num, len(images))]
+    features, labels = [None] * len(images), [None] * len(images)
+    for i, fname in tqdm(enumerate(images)):
+        features[i] = Image.open('%s/JPEGImages/%s.jpg' % (root, fname)).convert("RGB")
+        labels[i] = Image.open('%s/SegmentationClass/%s.png' % (root, fname)).convert("RGB")
+    return features, labels # PIL image
+
+voc_dir = "../../data/VOCdevkit/VOC2012"
+train_features, train_labels = read_voc_images(voc_dir, max_num=100)
+```
+
+我们画出前5张输入图像和它们的标签。在标签图像中，白色和黑色分别代表边框和背景，而其他不同的颜色则对应不同的类别。
+
+``` python
+n = 5
+imgs = train_features[0:n] + train_labels[0:n]
+d2l.show_images(imgs, 2, n);
+```
+<div align=center>
+<img width="500" src="../img/chapter09/9.9_output1.png"/>
+</div>
+
+接下来，我们列出标签中每个RGB颜色的值及其标注的类别。
+
+``` python
+# 本函数已保存在d2lzh_pytorch中方便以后使用
+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]]
+# 本函数已保存在d2lzh_pytorch中方便以后使用
+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']
+```
+
+有了上面定义的两个常量以后，我们可以很容易地查找标签中每个像素的类别索引。
+
+``` python
+colormap2label = torch.zeros(256 ** 3, dtype=torch.uint8)
+for i, colormap in enumerate(VOC_COLORMAP):
+    colormap2label[(colormap[0] * 256 + colormap[1]) * 256 + colormap[2]] = i
+
+# 本函数已保存在d2lzh_pytorch中方便以后使用
+def voc_label_indices(colormap, colormap2label):
+    """
+    convert colormap (PIL image) to colormap2label (uint8 tensor).
+    """
+    colormap = np.array(colormap.convert("RGB")).astype('int32')
+    idx = ((colormap[:, :, 0] * 256 + colormap[:, :, 1]) * 256
+           + colormap[:, :, 2])
+    return colormap2label[idx]
+```
+
+例如，第一张样本图像中飞机头部区域的类别索引为1，而背景全是0。
+
+``` python
+y = voc_label_indices(train_labels[0], colormap2label)
+y[105:115, 130:140], VOC_CLASSES[1]
+```
+输出:
+```
+(tensor([[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
+         [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1]], dtype=torch.uint8), 'aeroplane')
+```
+
+### 9.9.2.1 预处理数据
+
+在之前的章节中，我们通过缩放图像使其符合模型的输入形状。然而在语义分割里，这样做需要将预测的像素类别重新映射回原始尺寸的输入图像。这样的映射难以做到精确，尤其在不同语义的分割区域。为了避免这个问题，我们将图像裁剪成固定尺寸而不是缩放。具体来说，我们使用图像增广里的随机裁剪，并对输入图像和标签裁剪相同区域。
+
+``` python
+# 本函数已保存在d2lzh_pytorch中方便以后使用
+def voc_rand_crop(feature, label, height, width):
+    """
+    Random crop feature (PIL image) and label (PIL image).
+    """
+    i, j, h, w = torchvision.transforms.RandomCrop.get_params(
+            feature, output_size=(height, width))
+    
+    feature = torchvision.transforms.functional.crop(feature, i, j, h, w)
+    label = torchvision.transforms.functional.crop(label, i, j, h, w)    
+
+    return feature, label
+
+imgs = []
+for _ in range(n):
+    imgs += voc_rand_crop(train_features[0], train_labels[0], 200, 300)
+d2l.show_images(imgs[::2] + imgs[1::2], 2, n);
+```
+<div align=center>
+<img width="500" src="../img/chapter09/9.9_output2.png"/>
+</div>
+
+### 9.9.2.2 自定义语义分割数据集类
+
+我们通过继承PyTorch提供的`Dataset`类自定义了一个语义分割数据集类`VOCSegDataset`。通过实现`__getitem__`函数，我们可以任意访问数据集中索引为`idx`的输入图像及其每个像素的类别索引。由于数据集中有些图像的尺寸可能小于随机裁剪所指定的输出尺寸，这些样本需要通过自定义的`filter`函数所移除。此外，我们还对输入图像的RGB三个通道的值分别做标准化。
+
+``` python
+# 本函数已保存在d2lzh_pytorch中方便以后使用
+class VOCSegDataset(torch.utils.data.Dataset):
+    def __init__(self, is_train, crop_size, voc_dir, colormap2label, max_num=None):
+        """
+        crop_size: (h, w)
+        """
+        self.rgb_mean = np.array([0.485, 0.456, 0.406])
+        self.rgb_std = np.array([0.229, 0.224, 0.225])
+        self.tsf = torchvision.transforms.Compose([
+            torchvision.transforms.ToTensor(),
+            torchvision.transforms.Normalize(mean=self.rgb_mean, 
+                                             std=self.rgb_std)
+        ])
+        
+        self.crop_size = crop_size # (h, w)
+        features, labels = read_voc_images(root=voc_dir, 
+                                           is_train=is_train, 
+                                           max_num=max_num)
+        self.features = self.filter(features) # PIL image
+        self.labels = self.filter(labels)     # PIL image
+        self.colormap2label = colormap2label
+        print('read ' + str(len(self.features)) + ' valid examples')
+
+    def filter(self, imgs):
+        return [img for img in imgs if (
+            img.size[1] >= self.crop_size[0] and
+            img.size[0] >= self.crop_size[1])]
+
+    def __getitem__(self, idx):
+        feature, label = voc_rand_crop(self.features[idx], self.labels[idx],
+                                       *self.crop_size)
+        
+        return (self.tsf(feature), # float32 tensor
+                voc_label_indices(label, self.colormap2label)) # uint8 tensor
+
+    def __len__(self):
+        return len(self.features)
+```
+
+### 9.9.2.3 读取数据集
+
+我们通过自定义的`VOCSegDataset`类来分别创建训练集和测试集的实例。假设我们指定随机裁剪的输出图像的形状为$320\times 480$。下面我们可以查看训练集和测试集所保留的样本个数。
+
+``` python
+crop_size = (320, 480)
+max_num = 100
+voc_train = VOCSegDataset(True, crop_size, voc_dir, colormap2label, max_num)
+voc_test = VOCSegDataset(False, crop_size, voc_dir, colormap2label, max_num)
+```
+输出:
+```
+read 75 valid examples
+read 77 valid examples
+```
+
+设批量大小为64，分别定义训练集和测试集的迭代器。
+
+``` python
+batch_size = 64
+num_workers = 0 if sys.platform.startswith('win32') else 4
+train_iter = torch.utils.data.DataLoader(voc_train, batch_size, shuffle=True,
+                              drop_last=True, num_workers=num_workers)
+test_iter = torch.utils.data.DataLoader(voc_test, batch_size, drop_last=True,
+                             num_workers=num_workers)
+```
+
+打印第一个小批量的类型和形状。不同于图像分类和目标识别，这里的标签是一个三维数组。
+
+``` python
+for X, Y in train_iter:
+    print(X.dtype, X.shape)
+    print(y.dtype, Y.shape)
+    break
+```
+输出:
+```
+torch.float32 torch.Size([64, 3, 320, 480])
+torch.uint8 torch.Size([64, 320, 480])
+```
+
+## 小结
+
+* 语义分割关注如何将图像分割成属于不同语义类别的区域。
+* 语义分割的一个重要数据集叫作Pascal VOC2012。
+* 由于语义分割的输入图像和标签在像素上一一对应，所以将图像随机裁剪成固定尺寸而不是缩放。
+
+## 练习
+
+* 回忆9.1节（图像增广）中的内容。哪些在图像分类中使用的图像增广方法难以用于语义分割？
+
+##  参考文献
+
+[1] Pascal VOC2012数据集。http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/
+
+
+-----------
+> 注：除代码外本节与原书基本相同，[原书传送门](http://zh.d2l.ai/chapter_computer-vision/semantic-segmentation-and-dataset.html)
+