В этом примере показано, как обучить сверточную нейронную сеть U-Net выполнять семантическую сегментацию многоспектрального изображения с семью каналами: три цветовых канала, три почти инфракрасных канала и маска.
Пример показывает, как обучить сеть U-Net и также обеспечивает предварительно обученную сеть U-Net. Если вы принимаете решение обучить сеть U-Net, использование CUDA-способного графического процессора NVIDIA™ с вычисляют возможность 3.0, или выше настоятельно рекомендован (требует Parallel Computing Toolbox™).
Семантическая сегментация вовлекает маркировку каждого пикселя в изображение с классом. Одно приложение семантической сегментации отслеживает вырубку леса, которая является изменением в лесном покрове в зависимости от времени. Экологические агентства отслеживают вырубку леса, чтобы оценить и определить количество экологического и экологического здоровья области.
Основанная на глубоком обучении семантическая сегментация может дать к точному измерению растительного покрова из воздушных фотографий с высоким разрешением. Одна проблема дифференцирует классы с подобными визуальными характеристиками, такими как попытка классифицировать зеленый пиксель как траву, кустарник или дерево. Чтобы увеличить точность классификации, некоторые наборы данных содержат многоспектральные изображения, которые предоставляют дополнительную информацию о каждом пикселе. Например, набор данных национального парка Hamlin Beach добавляет цветные изображения с почти инфракрасными каналами, которые обеспечивают более ясное разделение классов.
В этом примере показано, как использовать основанные на глубоком обучении методы семантической сегментации, чтобы вычислить растительный покров процента в области от набора многоспектральных изображений.
Этот пример использует многоспектральный набор данных с высоким разрешением, чтобы обучить сеть [1]. Набор изображений был получен с помощью беспилотника по Хэмлин-Бич-Стэйт-Парк, Нью-Йорк. Данные содержат помеченное обучение, валидацию и наборы тестов, с 18 метками класса объекта. Размер файла данных составляет ~3.0 Гбайт.
Загрузите версию MAT-файла набора данных с помощью downloadHamlinBeachMSIData функция помощника. Эта функция присоединена к примеру как к вспомогательному файлу.
imageDir = tempdir;
url = 'http://www.cis.rit.edu/~rmk6217/rit18_data.mat';
downloadHamlinBeachMSIData(url,imageDir);Кроме того, загрузите предварительно обученную версию U-Net для этого набора данных с помощью downloadTrainedUnet функция помощника. Эта функция присоединена к примеру как к вспомогательному файлу. Предварительно обученная модель позволяет вам запустить целый пример, не имея необходимость ожидать обучения завершиться.
trainedUnet_url = 'https://www.mathworks.com/supportfiles/vision/data/multispectralUnet.mat';
downloadTrainedUnet(trainedUnet_url,imageDir);Загрузите набор данных в рабочую область.
load(fullfile(imageDir,'rit18_data','rit18_data.mat'));
Исследуйте структуру данных.
whos train_data val_data test_data
Name Size Bytes Class Attributes test_data 7x12446x7654 1333663576 uint16 train_data 7x9393x5642 741934284 uint16 val_data 7x8833x6918 855493716 uint16
Многоспектральные данные изображения располагаются как numChannels шириной массивами высоты. Однако в MATLAB®, многоканальные изображения располагаются как ширина высотой numChannels массивами. Чтобы изменить данные так, чтобы каналы были в третьей размерности, используйте функцию помощника, switchChannelsToThirdPlane. Эта функция присоединена к примеру как к вспомогательному файлу.
train_data = switchChannelsToThirdPlane(train_data); val_data = switchChannelsToThirdPlane(val_data); test_data = switchChannelsToThirdPlane(test_data);
Подтвердите, что данные имеют правильную структуру.
whos train_data val_data test_data
Name Size Bytes Class Attributes test_data 12446x7654x7 1333663576 uint16 train_data 9393x5642x7 741934284 uint16 val_data 8833x6918x7 855493716 uint16
Цветовые каналы RGB являются 3-ми, 2-ми и 1-ми каналами изображений. Отобразите компонент цвета обучения, валидации, и протестируйте изображения как монтаж. Чтобы заставить изображения казаться более яркими на экране, компенсируйте их гистограммы при помощи histeq функция.
figure montage(... {histeq(train_data(:,:,[3 2 1])), ... histeq(val_data(:,:,[3 2 1])), ... histeq(test_data(:,:,[3 2 1]))}, ... 'BorderSize',10,'BackgroundColor','white') title('RGB Component of Training Image (Left), Validation Image (Center), and Test Image (Right)')
Отобразите последние три компенсируемых гистограммой канала обучающих данных как монтаж. Эти каналы соответствуют почти инфракрасным полосам и подсвечивают различные компоненты изображения на основе их подписей тепла. Например, деревья около центра второго изображения канала показывают больше детали, чем деревья в других двух каналах.
figure montage(... {histeq(train_data(:,:,4)), ... histeq(train_data(:,:,5)), ... histeq(train_data(:,:,6))}, ... 'BorderSize',10,'BackgroundColor','white') title('IR Channels 1 (Left), 2, (Center), and 3 (Right) of Training Image')
Канал 7 является маской, которая указывает на допустимую область сегментации. Отобразите маску для обучения, валидации, и протестируйте изображения.
figure montage(... {train_data(:,:,7), ... val_data(:,:,7), ... test_data(:,:,7)}, ... 'BorderSize',10,'BackgroundColor','white') title('Mask of Training Image (Left), Validation Image (Center), and Test Image (Right)')
Помеченные изображения содержат достоверные данные для сегментации с каждым пикселем, присвоенным одному из этих 18 классов. Получите список классов с их соответствующими идентификаторами.
disp(classes)
0. Other Class/Image Border 1. Road Markings 2. Tree 3. Building 4. Vehicle (Car, Truck, or Bus) 5. Person 6. Lifeguard Chair 7. Picnic Table 8. Black Wood Panel 9. White Wood Panel 10. Orange Landing Pad 11. Water Buoy 12. Rocks 13. Other Vegetation 14. Grass 15. Sand 16. Water (Lake) 17. Water (Pond) 18. Asphalt (Parking Lot/Walkway)
Создайте вектор из имен классов.
classNames = [ "RoadMarkings","Tree","Building","Vehicle","Person", ... "LifeguardChair","PicnicTable","BlackWoodPanel",... "WhiteWoodPanel","OrangeLandingPad","Buoy","Rocks",... "LowLevelVegetation","Grass_Lawn","Sand_Beach",... "Water_Lake","Water_Pond","Asphalt"];
Наложите метки на компенсируемом гистограммой изображении обучения RGB. Добавьте шкалу палитры в изображение.
cmap = jet(numel(classNames)); B = labeloverlay(histeq(train_data(:,:,4:6)),train_labels,'Transparency',0.8,'Colormap',cmap); figure title('Training Labels') imshow(B) N = numel(classNames); ticks = 1/(N*2):1/N:1; colorbar('TickLabels',cellstr(classNames),'Ticks',ticks,'TickLength',0,'TickLabelInterpreter','none'); colormap(cmap)
Сохраните обучающие данные как файл MAT и учебные метки как файл PNG.
save('train_data.mat','train_data'); imwrite(train_labels,'train_labels.png');
Используйте случайный datastore экстракции закрашенной фигуры, чтобы накормить обучающими данными сеть. Этот datastore извлекает несколько соответствующих случайных закрашенных фигур из datastore изображений и пиксельного datastore метки, которые содержат изображения основной истины и данные о пиксельных метках. Исправление является общим методом, чтобы предотвратить исчерпывание памяти для больших изображений и эффективно увеличить сумму доступных обучающих данных.
Начните путем хранения учебных изображений от 'train_data.mat' в imageDatastore. Поскольку формат файла MAT является нестандартным форматом изображения, необходимо использовать средство чтения файлов MAT, чтобы позволить читать данные изображения. Можно использовать средство чтения файлов MAT помощника, matReader, это извлекает первые шесть каналов из обучающих данных и не использует последний канал, содержащий маску. Эта функция присоединена к примеру как к вспомогательному файлу.
imds = imageDatastore('train_data.mat','FileExtensions','.mat','ReadFcn',@matReader);
Создайте pixelLabelDatastore сохранить закрашенные фигуры метки, содержащие 18 помеченных областей.
pixelLabelIds = 1:18;
pxds = pixelLabelDatastore('train_labels.png',classNames,pixelLabelIds);Создайте randomPatchExtractionDatastore от datastore изображений и пикселя помечают datastore. Каждый мини-пакет содержит 16 закрашенных фигур размера 256 256 пиксели. Одна тысяча мини-пакетов извлечена в каждой итерации эпохи.
dsTrain = randomPatchExtractionDatastore(imds,pxds,[256,256],'PatchesPerImage',16000);Случайный datastore экстракции закрашенной фигуры dsTrain обеспечивает мини-пакеты данных к сети в каждой итерации эпохи. Предварительно просмотрите datastore, чтобы исследовать данные.
inputBatch = preview(dsTrain); disp(inputBatch)
InputImage ResponsePixelLabelImage
__________________ _______________________
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
{256×256×6 uint16} {256×256 categorical}
Этот пример использует изменение сети U-Net. В U-Net начальные серии сверточных слоев вкраплены макс. слоями объединения, последовательно уменьшив разрешение входного изображения. Эти слои сопровождаются серией сверточных слоев, вкрапленных повышающей дискретизацией операторов, последовательно увеличивая разрешение входного изображения [2]. U-Net имени прибывает из того, что сеть может чертиться с симметричной формой как буква U.
Этот пример изменяет U-Net, чтобы использовать дополнение нуля в свертках, так, чтобы вход и выход к сверткам имели тот же размер. Используйте функцию помощника, createUnet, создать U-Net несколькими предварительно выобранными гиперпараметрами. Эта функция присоединена к примеру как к вспомогательному файлу.
inputTileSize = [256,256,6]; lgraph = createUnet(inputTileSize); disp(lgraph.Layers)
58x1 Layer array with layers:
1 'ImageInputLayer' Image Input 256x256x6 images with 'zerocenter' normalization
2 'Encoder-Section-1-Conv-1' Convolution 64 3x3x6 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
3 'Encoder-Section-1-ReLU-1' ReLU ReLU
4 'Encoder-Section-1-Conv-2' Convolution 64 3x3x64 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
5 'Encoder-Section-1-ReLU-2' ReLU ReLU
6 'Encoder-Section-1-MaxPool' Max Pooling 2x2 max pooling with stride [2 2] and padding [0 0 0 0]
7 'Encoder-Section-2-Conv-1' Convolution 128 3x3x64 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
8 'Encoder-Section-2-ReLU-1' ReLU ReLU
9 'Encoder-Section-2-Conv-2' Convolution 128 3x3x128 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
10 'Encoder-Section-2-ReLU-2' ReLU ReLU
11 'Encoder-Section-2-MaxPool' Max Pooling 2x2 max pooling with stride [2 2] and padding [0 0 0 0]
12 'Encoder-Section-3-Conv-1' Convolution 256 3x3x128 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
13 'Encoder-Section-3-ReLU-1' ReLU ReLU
14 'Encoder-Section-3-Conv-2' Convolution 256 3x3x256 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
15 'Encoder-Section-3-ReLU-2' ReLU ReLU
16 'Encoder-Section-3-MaxPool' Max Pooling 2x2 max pooling with stride [2 2] and padding [0 0 0 0]
17 'Encoder-Section-4-Conv-1' Convolution 512 3x3x256 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
18 'Encoder-Section-4-ReLU-1' ReLU ReLU
19 'Encoder-Section-4-Conv-2' Convolution 512 3x3x512 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
20 'Encoder-Section-4-ReLU-2' ReLU ReLU
21 'Encoder-Section-4-DropOut' Dropout 50% dropout
22 'Encoder-Section-4-MaxPool' Max Pooling 2x2 max pooling with stride [2 2] and padding [0 0 0 0]
23 'Mid-Conv-1' Convolution 1024 3x3x512 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
24 'Mid-ReLU-1' ReLU ReLU
25 'Mid-Conv-2' Convolution 1024 3x3x1024 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
26 'Mid-ReLU-2' ReLU ReLU
27 'Mid-DropOut' Dropout 50% dropout
28 'Decoder-Section-1-UpConv' Transposed Convolution 512 2x2x1024 transposed convolutions with stride [2 2] and cropping [0 0 0 0]
29 'Decoder-Section-1-UpReLU' ReLU ReLU
30 'Decoder-Section-1-DepthConcatenation' Depth concatenation Depth concatenation of 2 inputs
31 'Decoder-Section-1-Conv-1' Convolution 512 3x3x1024 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
32 'Decoder-Section-1-ReLU-1' ReLU ReLU
33 'Decoder-Section-1-Conv-2' Convolution 512 3x3x512 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
34 'Decoder-Section-1-ReLU-2' ReLU ReLU
35 'Decoder-Section-2-UpConv' Transposed Convolution 256 2x2x512 transposed convolutions with stride [2 2] and cropping [0 0 0 0]
36 'Decoder-Section-2-UpReLU' ReLU ReLU
37 'Decoder-Section-2-DepthConcatenation' Depth concatenation Depth concatenation of 2 inputs
38 'Decoder-Section-2-Conv-1' Convolution 256 3x3x512 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
39 'Decoder-Section-2-ReLU-1' ReLU ReLU
40 'Decoder-Section-2-Conv-2' Convolution 256 3x3x256 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
41 'Decoder-Section-2-ReLU-2' ReLU ReLU
42 'Decoder-Section-3-UpConv' Transposed Convolution 128 2x2x256 transposed convolutions with stride [2 2] and cropping [0 0 0 0]
43 'Decoder-Section-3-UpReLU' ReLU ReLU
44 'Decoder-Section-3-DepthConcatenation' Depth concatenation Depth concatenation of 2 inputs
45 'Decoder-Section-3-Conv-1' Convolution 128 3x3x256 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
46 'Decoder-Section-3-ReLU-1' ReLU ReLU
47 'Decoder-Section-3-Conv-2' Convolution 128 3x3x128 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
48 'Decoder-Section-3-ReLU-2' ReLU ReLU
49 'Decoder-Section-4-UpConv' Transposed Convolution 64 2x2x128 transposed convolutions with stride [2 2] and cropping [0 0 0 0]
50 'Decoder-Section-4-UpReLU' ReLU ReLU
51 'Decoder-Section-4-DepthConcatenation' Depth concatenation Depth concatenation of 2 inputs
52 'Decoder-Section-4-Conv-1' Convolution 64 3x3x128 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
53 'Decoder-Section-4-ReLU-1' ReLU ReLU
54 'Decoder-Section-4-Conv-2' Convolution 64 3x3x64 convolutions with stride [1 1] and padding [1 1 1 1]
55 'Decoder-Section-4-ReLU-2' ReLU ReLU
56 'Final-ConvolutionLayer' Convolution 18 1x1x64 convolutions with stride [1 1] and padding [0 0 0 0]
57 'Softmax-Layer' Softmax softmax
58 'Segmentation-Layer' Pixel Classification Layer Cross-entropy loss
Обучите сеть с помощью стохастического градиентного спуска с импульсом (SGDM) оптимизация. Задайте установки гиперпараметров для SGDM при помощи trainingOptions (Deep Learning Toolbox) функция.
Обучение глубокой сети длительно. Ускорьте обучение путем определения высокой скорости обучения. Однако это может заставить градиенты сети взрываться или расти неудержимо, предотвратив сеть от обучения успешно. Чтобы сохранить градиенты в значимой области значений, включите усечение градиента путем определения 'GradientThreshold' как 0.05, и задайте 'GradientThresholdMethod' использовать L2-норму градиентов.
initialLearningRate = 0.05; maxEpochs = 150; minibatchSize = 16; l2reg = 0.0001; options = trainingOptions('sgdm',... 'InitialLearnRate',initialLearningRate, ... 'Momentum',0.9,... 'L2Regularization',l2reg,... 'MaxEpochs',maxEpochs,... 'MiniBatchSize',minibatchSize,... 'LearnRateSchedule','piecewise',... 'Shuffle','every-epoch',... 'GradientThresholdMethod','l2norm',... 'GradientThreshold',0.05, ... 'Plots','training-progress', ... 'VerboseFrequency',20);
После конфигурирования опций обучения и случайного datastore экстракции закрашенной фигуры, обучите сеть U-Net при помощи trainNetwork (Deep Learning Toolbox) функция. Чтобы обучить сеть, установите doTraining параметр в следующем коде к true. CUDA-способный графический процессор NVIDIA™ с вычисляет возможность 3.0, или выше настоятельно рекомендован для обучения.
Если вы сохраняете doTraining параметр в следующем коде как false, затем пример возвращает предварительно обученную сеть U-Net.
Примечание: Обучение занимает приблизительно 20 часов на Титане NVIDIA™ X и может взять еще дольше в зависимости от вашего оборудования графического процессора.
doTraining = false; if doTraining modelDateTime = datestr(now,'dd-mmm-yyyy-HH-MM-SS'); [net,info] = trainNetwork(dsTrain,lgraph,options); save(['multispectralUnet-' modelDateTime '-Epoch-' num2str(maxEpochs) '.mat'],'net','options'); else load(fullfile(imageDir,'trainedUnet','multispectralUnet.mat')); end
Можно теперь использовать U-Net, чтобы семантически сегментировать многоспектральное изображение.
Чтобы выполнить форварда передают обучивший сеть, используют функцию помощника, segmentImage, с набором данных валидации. Эта функция присоединена к примеру как к вспомогательному файлу. segmentImage выполняет сегментацию на закрашенных фигурах изображений с помощью semanticseg функция.
predictPatchSize = [1024 1024]; segmentedImage = segmentImage(val_data,net,predictPatchSize);
Чтобы извлечь только допустимый фрагмент сегментации, умножьте сегментированное изображение на канал маски данных о валидации.
segmentedImage = uint8(val_data(:,:,7)~=0) .* segmentedImage;
figure
imshow(segmentedImage,[])
title('Segmented Image')
Выход семантической сегментации является шумным. Выполните обработку изображений сообщения, чтобы удалить шум и случайные пиксели. Используйте medfilt2 функция, чтобы удалить шум соли-и-перца из сегментации. Визуализируйте сегментированное изображение с удаленным шумом.
segmentedImage = medfilt2(segmentedImage,[7,7]);
imshow(segmentedImage,[]);
title('Segmented Image with Noise Removed')
Наложите сегментированное изображение на компенсируемом гистограммой изображении валидации RGB.
B = labeloverlay(histeq(val_data(:,:,[3 2 1])),segmentedImage,'Transparency',0.8,'Colormap',cmap); figure imshow(B) title('Labeled Validation Image') colorbar('TickLabels',cellstr(classNames),'Ticks',ticks,'TickLength',0,'TickLabelInterpreter','none'); colormap(cmap)
Сохраните сегментированный образ и метки основной истины как файлы PNG. Они будут использованными для расчета метриками точности.
imwrite(segmentedImage,'results.png'); imwrite(val_labels,'gtruth.png');
Создайте pixelLabelDatastore поскольку сегментация заканчивается и метки основной истины.
pxdsResults = pixelLabelDatastore('results.png',classNames,pixelLabelIds); pxdsTruth = pixelLabelDatastore('gtruth.png',classNames,pixelLabelIds);
Измерьте глобальную точность семантической сегментации при помощи evaluateSemanticSegmentation функция.
ssm = evaluateSemanticSegmentation(pxdsResults,pxdsTruth,'Metrics','global-accuracy');
Evaluating semantic segmentation results
----------------------------------------
* Selected metrics: global accuracy.
* Processed 1 images.
* Finalizing... Done.
* Data set metrics:
GlobalAccuracy
______________
0.90698
Глобальный счет точности указывает, что чуть более чем 90% пикселей классифицируются правильно.
Итоговая цель этого примера состоит в том, чтобы вычислить степень растительного покрова в многоспектральном изображении.
Найдите количество пикселей помеченной растительностью. Метка IDs 2 ("Деревья"), 13 ("LowLevelVegetation"), и 14 ("Grass_Lawn") является классами растительности. Также найдите общее количество допустимых пикселей путем подведения итогов пикселей в ROI рисунка маски.
vegetationClassIds = uint8([2,13,14]); vegetationPixels = ismember(segmentedImage(:),vegetationClassIds); validPixels = (segmentedImage~=0); numVegetationPixels = sum(vegetationPixels(:)); numValidPixels = sum(validPixels(:));
Вычислите процент растительного покрова путем деления количества пикселей растительности количеством допустимых пикселей.
percentVegetationCover = (numVegetationPixels/numValidPixels)*100;
fprintf('The percentage of vegetation cover is %3.2f%%.',percentVegetationCover);The percentage of vegetation cover is 51.72%.
[1] Kemker, R., К. Сальвагхио и К. Кэнэн. "Многоспектральный Набор данных с высоким разрешением для Семантической Сегментации". CoRR, abs/1703.01918. 2017.
[2] Ronneberger, O., П. Фишер и Т. Брокс. "U-Net: Сверточные Сети для Биомедицинской Сегментации Изображений". CoRR, abs/1505.04597. 2015.
evaluateSemanticSegmentation | histeq | imageDatastore | pixelLabelDatastore | randomPatchExtractionDatastore | semanticseg | unetLayers | trainingOptions (Deep Learning Toolbox) | trainNetwork (Deep Learning Toolbox)