图像语意分割训练Cityscapes数据集SegNet _机器学习

前言：经过几个月的学习研究，在神经网络中训练多分类语意分割模型识别城市街景信息，终于在最近得到了理想中的实验结果。在我陷入对细节参数调整不当及诸多问题时，苦于没有一篇能够“面向新手编程”的博客。因而我在能够在解决一系列问题到达终点后总结这一路踩过的坑，希望对后来者有所帮助。
【图像语意分割训练Cityscapes数据集SegNet】接下来就是用我训练完成的神经网络模型结合我所学专业（风景园林）研究领域问题完成论文撰写，希望能够投稿核心期刊成功。^ _^
我所提供的代码及讲解均是基于这一数据集默认19分类的基础上完成，若有朋友想要训练其他数量分类及用于他处，可学习思路并自行修改代码。
放一组训练完成模型进行识别出来的图，激励各位朋友和我自己在深度学习的路上坚持下去。
我使用百度地图API获取了天津大学门口的一处坐标点街景图片进行识别测试。
在（预测）阶段我后续添加了绿化率识别算法模块，可将绿色像素遍历并计数求得占总像素比率。
1.图片数据获取
需要使用这一数据集训练神经网络模型：
该数据集主要用来做汽车自动驾驶识别，要么是像我用来做城市街景信息的识别分类。模型训练出来后，识别数据的获取就至关重要，在我的另一篇博客中：
通过百度全景图API爬取街景图像
我详细讲解了如何通过百度地图官方API，通过的爬虫代码批量获取坐标全景图片。
2.数据集预处理
我们知道，在深度学习图像语意分割的训练过程中，需要有数据集及分好类的标签，这样才可以让你的神经网络进行学习，进而训练出模型，用来识别你想要识别的图片场景等。便是包含大量街道图片、视频用来训练识别的数据集。
在我另一篇博客中对数据集的下载、处理都进行了详细的解释，这里就不做过多解释。
图像语意分割训练数据集使用方法分享
3.图像语意分割神经网络列举

文章插图
这里还是要感谢博主：提供的神经网络合集及博文讲解。
博主提供的神经网络代码均是基于2分类的斑马线图像分割，而我需要多分类的图像语意分割，各位朋友在学习时可以仔细对照修改前后的网络代码差别，会对网络细节需要修改的参数更深层的理解。
我将博主共享的模型代码做了一份整理（下图），我将分两篇博文选取其中两个进行讲解。
分别是-（简单）和-（复杂）。
4.
神经网络通过图片进行网络参数训练时，图片的获取需要从电脑异步读取，例如读取2张训练2张，如果读取所有上千张图片再抽取训练这样并不可行。
通过将图片和标签名称写入txt文件，在网络中读取txt文件合成完整的图片路径，进行读取。

import os#自行修改文件绝对路径left = os.listdir(r"F:\202006Practice\cityscapesScripts-master\leftImg8bit\val")gtfine = os.listdir(r"F:\202006Practice\cityscapesScripts-master\gtFine\val")#自行修改txt文件相对路径with open("read_data/val_data0.txt","w") as f:for name in left:png = name.replace("leftImg8bit","gtFine_labelTrainIds")# 判断left是否存在对应的gtfineif png in gtfine:f.write(name+";"+png+"\n")

我将和下的train和val数据集，将图片从各个城市的文件夹中剪切到了一个文件下。原因是我并没有想到什么非常好的办法，可以让程序按城市顺序读取图片并训练，不如将2974张train及500张val图片分别放到一起进行训练及验证。feed数据阶段若有朋友了解更好操作方法还请不吝赐教！
代码第4、5行路径可以更改为你电脑中图片绝对路径。我这里放一张文件夹截图作为示例。
因为有原图及标签两个文件夹，所以也需要生成两个txt文件，第4、5行路径及第7行生成文件名称需要相对应的修改。
5.-神经网络图像语意分割多分类训练
为了篇幅美观及阅读舒适，所有代码均放到了文章末尾。
编码网络及解码网络均放在nets这一文件夹下，主要是通过
model = Model (输入,输出)
这一代码进行网络的构建，神经网络结构已经进行了非常详细的讲解，我就不需要过多解释。
在train这一训练主函数模块中，为了多分类训练需要对一些代码细节进行修改：
至此代码便没有进行其他内容的修改。
6.下期预告
有细心的朋友可能会发现，只用到了一个txt文件进行训练集的数据读?。?而另外一个验证集txt根本没有用到，也没有用到验证集的图片。
在代码101行可以找到问题的答案。
原博主将训练集数量的90%用于训练，而剩下10%用于验证，这确实是一种取巧的方法，优点是快速简单。
然而对最终训练模型的过拟合临界点、训练早停轮次（epoch）的选择会有影响，原因如下：
虽然在一个轮次中分为了90%训练和10%验证，但神经网络的参数权重终究在之前的轮次训练中接触过100%的图片，所以对神经网络曾“见过”的图片在另外轮次中作为验证集终究是有失公允。
思考题:针对这样一个问题，在没有给出解决代码的前提下，你能否根据原博主的原网络代码尝试仿写出获取训练集的方法呢？
在下一篇博文代码中，增加了数据增强函数模块，迁移学习函数模块，以及思考题-验证集获取函数模块。
个人水平有限，若有理解不到之处，还请多指正~

from nets.segnet import convnet_segnetfrom keras.optimizers import Adamfrom keras.callbacks import TensorBoard, ModelCheckpoint, ReduceLROnPlateau, EarlyStoppingfrom PIL import Imageimport kerasfrom keras import backend as Kimport numpy as npimport cv2import randomfrom keras.utils.data_utils import get_fileNCLASSES = 19HEIGHT = 416WIDTH = 416#[aachen,1][bochum,2][bremen,3][cologne,4][darmstadt,5][dusseldorf,6][erfurt,7][hamburg,8][hanover,9]#[jena,10][krefeld,11][monchengladbach,12][strasbourg,13][stuttgart,14][tubingen,15][ulm,16][weimar,17][zurich,18]city_list = ["aachen","bochum","bremen","cologne","darmstadt","dusseldorf","erfurt","hamburg","hanover","jena","krefeld","monchengladbach","strasbourg","stuttgart","tubingen","ulm","weimar","zurich"]# txt_number = random.randint(1,18)txt_number = 0# name_path = city_list[txt_number-1]def generate_arrays_from_file(lines,batch_size):# 获取总长度n = len(lines)i = 0while 1:X_train = []Y_train = []# 获取一个batch_size大小的数据for _ in range(batch_size):if i==0:np.random.shuffle(lines)name = lines[i].split(';')[0]# 从文件中读取图像# img = Image.open(r".\dataset2\jpg" + '/' + name)img = Image.open(r"F:\202006Practice\cityscapesScripts-master\leftImg8bit\train" + '/' + name)img = img.resize((WIDTH,HEIGHT))img = np.array(img)img = img/255X_train.append(img)name = (lines[i].split(';')[1]).replace("\n", "")# 从文件中读取图像# img = Image.open(r".\dataset2\png" + '/' + name)img = Image.open(r"F:\202006Practice\cityscapesScripts-master\gtFine\train" + '/' + name)#一种方法：尝试从“L”转为“RGB”# img = img.convert("RGB")img = img.resize((int(WIDTH/2),int(HEIGHT/2)))img = np.array(img)#二种方法：尝试升维失败# img = img[:, :, None]seg_labels = np.zeros((int(HEIGHT/2),int(WIDTH/2),NCLASSES))for c in range(NCLASSES):# seg_labels[: , : , c ] = (img[:,:,0] == c ).astype(int)seg_labels[: , : , c ] = (img[:] == c ).astype(int)seg_labels = np.reshape(seg_labels, (-1, NCLASSES))Y_train.append(seg_labels)# 读完一个周期后重新开始i = (i+1) % nyield (np.array(X_train),np.array(Y_train))def loss(y_true, y_pred):loss = K.categorical_crossentropy(y_true,y_pred)return lossif __name__ == "__main__":log_dir = "logs/"# 获取modelmodel = convnet_segnet(n_classes=NCLASSES,input_height=HEIGHT, input_width=WIDTH)# model.summary()# WEIGHTS_PATH_NO_TOP = 'https://github.com/fchollet/deep-learning-models/releases/download/v0.1/vgg16_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5'# weights_path = get_file('vgg16_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5',#WEIGHTS_PATH_NO_TOP,#cache_subdir='models')weights_path = (r"model/vgg16_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5")# weights_path = (log_dir+r"last1.h5")model.load_weights(weights_path,by_name=True)# 打开数据集的txtwith open(r"F:\202006Practice\1.make_dataset\read_data\train_data{}.txt".format(txt_number),"r") as f:lines = f.readlines()# 打乱行，这个txt主要用于帮助读取数据来训练# 打乱的数据更有利于训练np.random.seed(10101)np.random.shuffle(lines)np.random.seed(None)# 90%用于训练 ， 10%用于估计 。num_val = int(len(lines)*0.1)num_train = len(lines) - num_val# 保存的方式，3世代保存一次checkpoint_period = ModelCheckpoint(log_dir + 'ep{epoch:03d}-loss{loss:.3f}-val_loss{val_loss:.3f}.h5',monitor='val_loss',save_weights_only=True,save_best_only=True,period=3)# 学习率下降的方式 ， val_loss3次不下降就下降学习率继续训练reduce_lr = ReduceLROnPlateau(monitor='val_loss',factor=0.5,patience=3,verbose=1)# 是否需要早停 ， 当val_loss一直不下降的时候意味着模型基本训练完毕，可以停止early_stopping = EarlyStopping(monitor='val_loss',min_delta=0,patience=10,verbose=1)# 交叉熵model.compile(loss = loss,optimizer = Adam(lr=1e-3),metrics = ['accuracy'])batch_size = 4print('Train on {} samples, val on {} samples, with batch size {}.'.format(num_train, num_val, batch_size))# 开始训练model.fit_generator(generate_arrays_from_file(lines[:num_train], batch_size),steps_per_epoch=max(1, num_train//batch_size),validation_data=http://www.kingceram.com/post/generate_arrays_from_file(lines[num_train:], batch_size),validation_steps=max(1, num_val//batch_size),epochs=50,# epochs=1,initial_epoch=0,callbacks=[checkpoint_period, reduce_lr,early_stopping])model.save_weights(log_dir+'last1.h5')

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我以街景数据为基础在SCI一区顶刊发表文章两篇（影响因子共计18分）
（DOI：10.1016/j..2022.06.011）（DOI：10.3389/fpubh.2022.)
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