Keras搭建M2Det目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)示例
更新時(shí)間：2022年05月09日 14:29:23 作者：Bubbliiiing
這篇文章主要為大家介紹了Keras搭建M2Det目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的源碼示例，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪
什么是M2det目標(biāo)檢測(cè)算法
一起來看看M2det的keras實(shí)現(xiàn)吧，順便訓(xùn)練一下自己的數(shù)據(jù)。
常見的特征提取方法如圖所示有SSD形，F(xiàn)PN形，STDN形：
SSD型：使用了主干網(wǎng)絡(luò)的最后兩層，再加上4個(gè)使用stride=2卷積的下采樣層構(gòu)成；
FPN型：也稱為U型網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過上采樣操作，然后對(duì)應(yīng)融合相同的scale；
STDN型：基于DenseNet的最后一個(gè)dense block，通過池化和scale-transfer操作來構(gòu)建；
這三者有一定的缺點(diǎn)：
一是均基于分類網(wǎng)絡(luò)作為主干提取，對(duì)目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)而言特征表示可能不夠；
二是每個(gè)feature map僅由主干網(wǎng)絡(luò)的single level給出，不夠全面
M2det論文新提出MLFPN型，整體思想是Multi-level&Multi-scale。是一種更加有效的適合于檢測(cè)的特征金字塔結(jié)構(gòu)。
M2det實(shí)現(xiàn)思路
一、預(yù)測(cè)部分
1、主干網(wǎng)絡(luò)介紹
M2det采用可以采用VGG和ResNet101作為主干特征提取網(wǎng)絡(luò)，上圖的backbone network指的就是VGG和Resnet101，本文以VGG為例介紹。
M2DET采用的主干網(wǎng)絡(luò)是VGG網(wǎng)絡(luò)，關(guān)于VGG的介紹大家可以看我的另外一篇博客
http://www.dbjr.com.cn/article/246917.htm
在m2det中，我們?nèi)サ袅巳康娜B接層，只保留了卷積層和最大池化層，即Conv1到Conv5。
1、一張?jiān)紙D片被resize到(320,320,3)。
2、conv1兩次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為64，輸出為(320,320,64)，再2X2最大池化，輸出net為(160,160,64)。
3、conv2兩次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為128，輸出net為(160,160,128)，再2X2最大池化，輸出net為(80,80,128)。
4、conv3三次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為256，輸出net為(80,80,256)，再2X2最大池化，輸出net為(40,40,256)。
5、conv4三次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為512，輸出net為(40,40,512)，再2X2最大池化，此時(shí)不進(jìn)行池化，輸出net為(40,40,512)。conv4-3的結(jié)果會(huì)進(jìn)入FFM1進(jìn)行特征的融合。
6、conv5三次[3,3]卷積網(wǎng)絡(luò)，輸出的特征層為1024，輸出net為(40,40,1024)，再2X2最大池化，輸出net為(20,20,1024)。池化后的結(jié)果會(huì)進(jìn)入FFM1進(jìn)行特征的融合。
from keras import Model
from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D
def VGG16(inputs):
net = {}
#------------------------#
# 輸入默認(rèn)為320,320,3
#------------------------#
net['input'] = inputs
#------------------------------------------------#
# 第一個(gè)卷積部分 320,320,3 -> 160,160,64
#------------------------------------------------#
net['conv1_1'] = Conv2D(64, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv1_1')(net['input'])
net['conv1_2'] = Conv2D(64, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv1_2')(net['conv1_1'])
net['pool1'] = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), padding='same',
name='pool1')(net['conv1_2'])
#------------------------------------------------#
# 第二個(gè)卷積部分 160,160,64 -> 80,80,128
#------------------------------------------------#
net['conv2_1'] = Conv2D(128, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv2_1')(net['pool1'])
net['conv2_2'] = Conv2D(128, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv2_2')(net['conv2_1'])
net['pool2'] = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), padding='same',
name='pool2')(net['conv2_2'])
y0 = net['pool2']
#------------------------------------------------#
# 第三個(gè)卷積部分 80,80,128 -> 40,40,256
#------------------------------------------------#
net['conv3_1'] = Conv2D(256, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv3_1')(net['pool2'])
net['conv3_2'] = Conv2D(256, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv3_2')(net['conv3_1'])
net['conv3_3'] = Conv2D(256, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv3_3')(net['conv3_2'])
net['pool3'] = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), padding='same',
name='pool3')(net['conv3_3'])
y1 = net['pool3']
#------------------------------------------------#
# 第四個(gè)卷積部分 40,40,256 -> 40,40,512
#------------------------------------------------#
net['conv4_1'] = Conv2D(512, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv4_1')(net['pool3'])
net['conv4_2'] = Conv2D(512, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv4_2')(net['conv4_1'])
net['conv4_3'] = Conv2D(512, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv4_3')(net['conv4_2'])
# net['pool4'] = MaxPooling2D((2, 2), strides=(2, 2), padding='same',
# name='block4_pool')(net['conv4_3'])
y2 = net['conv4_3']
#------------------------------------------------#
# 第五個(gè)卷積部分 40,40,512 -> 20,20,1024
#------------------------------------------------#
net['conv5_1'] = Conv2D(1024, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv5_1')(net['conv4_3'])
net['conv5_2'] = Conv2D(1024, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv5_2')(net['conv5_1'])
net['conv5_3'] = Conv2D(1024, kernel_size=(3,3),
activation='relu',
padding='same',
name='conv5_3')(net['conv5_2'])
net['pool5'] = MaxPooling2D((3, 3), strides=(2, 2), padding='same',
name='pool5')(net['conv5_3'])
y3 = net['pool5']
model = Model(inputs, [y0,y1,y2,y3], name='vgg16')
return model
2、FFM1特征初步融合
FFM1具體的結(jié)構(gòu)如下：
FFM1會(huì)對(duì)VGG提取到的特征進(jìn)行初步融合。
在利用VGG進(jìn)行特征提取的時(shí)候，我們會(huì)取出shape為(40,40,512)、(20,20,1024)的特征層進(jìn)行下一步的操作。
在FFM1中，其會(huì)對(duì)(20,20,1024)的特征層進(jìn)行進(jìn)行一個(gè)通道數(shù)為512、卷積核大小為3x3、步長(zhǎng)為1x1的卷積，然后再進(jìn)行上采樣，使其Shape變?yōu)?40,40,512)；
同時(shí)會(huì)對(duì)(40,40,512)的特征層進(jìn)行進(jìn)行一個(gè)通道數(shù)為256、卷積核大小為1x1，步長(zhǎng)為1x1的卷積，使其Shape變?yōu)?40,40,256)；
然后將兩個(gè)卷積后的結(jié)果進(jìn)行堆疊，變成一個(gè)(40,40,768)的初步融合特征層
實(shí)現(xiàn)代碼為：
def FFMv1(C4, C5, feature_size_1=256, feature_size_2=512, name='FFMv1'):
#------------------------------------------------#
# C4特征層 40,40,512
# C5特征層 20,20,1024
#------------------------------------------------#
# 40,40,512 -> 40,40,256
F4 = conv2d(C4, filters=feature_size_1, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name='F4')
# 20,20,1024 -> 20,20,512
F5 = conv2d(C5, filters=feature_size_2, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='same', name='F5')
# 20,20,512 -> 40,40,512
F5 = keras.layers.UpSampling2D(size=(2, 2), name='F5_Up')(F5)
# 40,40,256 + 40,40,512 -> 40,40,768
outputs = keras.layers.Concatenate(name=name)([F4, F5])
return outputs
3、細(xì)化U型模塊TUM
Tum的結(jié)構(gòu)具體如下：
當(dāng)我們給Tum輸入一個(gè)(40,40,256)的有效特征層之后，Tum會(huì)對(duì)輸入進(jìn)來的特征層進(jìn)行U型的特征提取，這里的結(jié)構(gòu)比較類似特征金字塔的結(jié)構(gòu)，先對(duì)特征層進(jìn)行不斷的特征壓縮，然后再不斷的上采樣進(jìn)行特征融合，利用Tum我們可以獲得6個(gè)有效特征層，大小分別是(40,40,128)、(20,20,128)、(10,10,128)、(5,5,128)、(3,3,128)、(1,1,128)。
def TUM(stage, inputs, feature_size=256, name="TUM"): #---------------------------------# # 進(jìn)行下采樣的部分 #---------------------------------# # 40,40,256 f1 = inputs # 40,40,256 -> 20,20,256 f2 = conv2d(f1, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f2') # 20,20,256 -> 10,10,256 f3 = conv2d(f2, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f3') # 10,10,256 -> 5,5,256 f4 = conv2d(f3, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f4') # 5,5,256 -> 3,3,256 f5 = conv2d(f4, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f5') # 3,3,256 -> 1,1,256 f6 = conv2d(f5, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_f6') size_buffer = [] # 40,40 size_buffer.append([int(f1.shape[1]), int(f1.shape[2])]) # 20,20 size_buffer.append([int(f2.shape[1]), int(f2.shape[2])]) # 10,10 size_buffer.append([int(f3.shape[1]), int(f3.shape[2])]) # 5,5 size_buffer.append([int(f4.shape[1]), int(f4.shape[2])]) # 3,3 size_buffer.append([int(f5.shape[1]), int(f5.shape[2])]) #---------------------------------# # 進(jìn)行上采樣與特征融合的部分 #---------------------------------# c6 = f6 # 1,1,256 -> 1,1,256 c5 = conv2d(c6, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_c5') # 1,1,256 -> 3,3,256 c5 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[4]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add5')(c5) c5 = keras.layers.Add()([c5, f5]) # 3,3,256 -> 3,3,256 c4 = conv2d(c5, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c4') # 3,3,256 -> 5,5,256 c4 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[3]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add4')(c4) c4 = keras.layers.Add()([c4, f4]) # 5,5,256 -> 5,5,256 c3 = conv2d(c4, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c3') # 5,5,256 -> 10,10,256 c3 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[2]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add3')(c3) c3 = keras.layers.Add()([c3, f3]) # 10,10,256 -> 10,10,256 c2 = conv2d(c3, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c2') # 10,10,256 -> 20,20,256 c2 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[1]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add2')(c2) c2 = keras.layers.Add()([c2, f2]) # 20,20,256 -> 20,20,256 c1 = conv2d(c2, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c1') # 20,20,256 -> 40,40,256 c1 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[0]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add1')(c1) c1 = keras.layers.Add()([c1, f1]) #---------------------------------# # 利用1x1卷積調(diào)整通道數(shù)后輸出 #---------------------------------# output_features = feature_size // 2 # 40,40,256 -> 40,40,128 o1 = conv2d(c1, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o1') # 20,20,256 -> 20,20,128 o2 = conv2d(c2, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o2') # 10,10,256 -> 10,10,128 o3 = conv2d(c3, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o3') # 5,5,256 -> 5,5,128 o4 = conv2d(c4, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o4') # 3,3,256 -> 3,3,128 o5 = conv2d(c5, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o5') # 1,1,256 -> 1,1,128 o6 = conv2d(c6, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o6') outputs = [o1, o2, o3, o4, o5, o6] return outputs
def TUM(stage, inputs, feature_size=256, name="TUM"):
#---------------------------------#
# 進(jìn)行下采樣的部分
#---------------------------------#
# 40,40,256
f1 = inputs
# 40,40,256 -> 20,20,256
f2 = conv2d(f1, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f2')
# 20,20,256 -> 10,10,256
f3 = conv2d(f2, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f3')
# 10,10,256 -> 5,5,256
f4 = conv2d(f3, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f4')
# 5,5,256 -> 3,3,256
f5 = conv2d(f4, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_f5')
# 3,3,256 -> 1,1,256
f6 = conv2d(f5, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(2, 2), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_f6')
size_buffer = []
# 40,40
size_buffer.append([int(f1.shape[1]), int(f1.shape[2])])
# 20,20
size_buffer.append([int(f2.shape[1]), int(f2.shape[2])])
# 10,10
size_buffer.append([int(f3.shape[1]), int(f3.shape[2])])
# 5,5
size_buffer.append([int(f4.shape[1]), int(f4.shape[2])])
# 3,3
size_buffer.append([int(f5.shape[1]), int(f5.shape[2])])
#---------------------------------#
# 進(jìn)行上采樣與特征融合的部分
#---------------------------------#
c6 = f6
# 1,1,256 -> 1,1,256
c5 = conv2d(c6, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same',name=name + "_" + str(stage) + '_c5')
# 1,1,256 -> 3,3,256
c5 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[4]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add5')(c5)
c5 = keras.layers.Add()([c5, f5])
# 3,3,256 -> 3,3,256
c4 = conv2d(c5, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c4')
# 3,3,256 -> 5,5,256
c4 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[3]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add4')(c4)
c4 = keras.layers.Add()([c4, f4])
# 5,5,256 -> 5,5,256
c3 = conv2d(c4, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c3')
# 5,5,256 -> 10,10,256
c3 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[2]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add3')(c3)
c3 = keras.layers.Add()([c3, f3])
# 10,10,256 -> 10,10,256
c2 = conv2d(c3, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c2')
# 10,10,256 -> 20,20,256
c2 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[1]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add2')(c2)
c2 = keras.layers.Add()([c2, f2])
# 20,20,256 -> 20,20,256
c1 = conv2d(c2, filters=feature_size, kernel_size=(3, 3), strides=(1, 1), padding='same', name=name + "_" + str(stage) + '_c1')
# 20,20,256 -> 40,40,256
c1 = keras.layers.Lambda(lambda x: tf.image.resize_bilinear(x, size=size_buffer[0]), name=name + "_" + str(stage) + '_upsample_add1')(c1)
c1 = keras.layers.Add()([c1, f1])
#---------------------------------#
# 利用1x1卷積調(diào)整通道數(shù)后輸出
#---------------------------------#
output_features = feature_size // 2
# 40,40,256 -> 40,40,128
o1 = conv2d(c1, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o1')
# 20,20,256 -> 20,20,128
o2 = conv2d(c2, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o2')
# 10,10,256 -> 10,10,128
o3 = conv2d(c3, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o3')
# 5,5,256 -> 5,5,128
o4 = conv2d(c4, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o4')
# 3,3,256 -> 3,3,128
o5 = conv2d(c5, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o5')
# 1,1,256 -> 1,1,128
o6 = conv2d(c6, filters=output_features, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='valid',name=name + "_" + str(stage) + '_o6')
outputs = [o1, o2, o3, o4, o5, o6]
return outputs
4、FFM2特征加強(qiáng)融合
通過TUM，我們可以獲得六個(gè)有效特征層，為了進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力，M2det將6個(gè)有效特征層中的(40,40,128)特征層取出，和FFM1提取出來的初步融合特征層進(jìn)行加強(qiáng)融合，再次輸出一個(gè)(40,40,256)的加強(qiáng)融合的特征層。
此時(shí)FFM2輸出的加強(qiáng)融合特征層可以再一次傳入到TUM中進(jìn)行U形特征提取。
如上圖所示，我們可以進(jìn)一步利用多個(gè)TUM模塊進(jìn)行特征提取，利用多個(gè)TUM模塊我們可以獲得多次有效特征層。
TUM模塊的數(shù)量我們可以根據(jù)自身需要進(jìn)行修改，本文使用4次TUM模塊，可以分別獲得四次(40,40,128)、(20,20,128)、(10,10,128)、(5,5,128)、(3,3,128)、(1,1,128)的有效特征層。（論文中做了實(shí)驗(yàn)，用8次TUM模塊會(huì)有比較好的效果）。
我們可以將獲得的有效特征層，按照shape進(jìn)行堆疊，最終獲得(40,40,512)、(20,20,512)、(10,10,512)、(5,5,512)、(3,3,512)、(1,1,512)六個(gè)有效特征層。
def FFMv2(stage, base, tum, base_size=(40,40,768), tum_size=(40,40,128), feature_size=128, name='FFMv2'):
# 40,40,128
outputs = conv2d(base, filters=feature_size, kernel_size=(1, 1), strides=(1, 1), padding='same', name=name+"_"+str(stage) + '_base_feature')
outputs = keras.layers.Concatenate(name=name+"_"+str(stage))([outputs, tum])
# 40,40,256
return outputs
def _create_feature_pyramid(base_feature, stage=8):
features = [[],[],[],[],[],[]]
# 將輸入進(jìn)來的
inputs = keras.layers.Conv2D(filters=256, kernel_size=1, strides=1, padding='same')(base_feature)
# 第一個(gè)TUM模塊
outputs = TUM(1,inputs)
max_output = outputs[0]
for j in range(len(features)):
features[j].append(outputs[j])
# 第2,3,4個(gè)TUM模塊，需要將上一個(gè)Tum模塊輸出的40x40x128的內(nèi)容，傳入到下一個(gè)Tum模塊中
for i in range(2, stage+1):
# 將Tum模塊的輸出和基礎(chǔ)特征層傳入到FFmv2層當(dāng)中
# 輸入為base_feature 40x40x768，max_output 40x40x128
# 輸出為40x40x256
inputs = FFMv2(i - 1,base_feature, max_output)
# 輸出為40x40x128、20x20x128、10x10x128、5x5x128、3x3x128、1x1x128
outputs = TUM(i,inputs)
max_output = outputs[0]
for j in range(len(features)):
features[j].append(outputs[j])
# 進(jìn)行了4次TUM
# 將獲得的同樣大小的特征層堆疊到一起
concatenate_features = []
for feature in features:
concat = keras.layers.Concatenate()([f for f in feature])
concatenate_features.append(concat)
return concatenate_features
5、注意力機(jī)制模塊SFAM
注意力機(jī)制模塊如下：
其會(huì)對(duì)上一步獲得的(40,40,512)、(20,20,512)、(10,10,512)、(5,5,512)、(3,3,512)、(1,1,512)六個(gè)有效特征層。進(jìn)行各個(gè)通道的注意力機(jī)制調(diào)整，判斷每一個(gè)通道數(shù)應(yīng)該有的權(quán)重。
# 注意力機(jī)制
def SE_block(inputs, input_size, compress_ratio=16, name='SE_block'):
pool = keras.layers.GlobalAveragePooling2D()(inputs)
reshape = keras.layers.Reshape((1, 1, input_size[2]))(pool)
fc1 = keras.layers.Conv2D(filters=input_size[2] // compress_ratio, kernel_size=1, strides=1, padding='valid',
activation='relu', name=name+'_fc1')(reshape)
fc2 = keras.layers.Conv2D(filters=input_size[2], kernel_size=1, strides=1, padding='valid', activation='sigmoid',
name=name+'_fc2')(fc1)
reweight = keras.layers.Multiply(name=name+'_reweight')([inputs, fc2])
return reweight
def SFAM(feature_pyramid,input_sizes, compress_ratio=16, name='SFAM'):
outputs = []
for i in range(len(input_sizes)):
input_size = input_sizes[i]
_input = feature_pyramid[i]
_output = SE_block(_input, input_size, compress_ratio=compress_ratio, name='SE_block_' + str(i))
outputs.append(_output)
return outputs
6、從特征獲取預(yù)測(cè)結(jié)果
通過第五步，我們獲取了6個(gè)融合了注意力機(jī)制的有效特征層。
對(duì)獲取到的每一個(gè)有效特征層，我們分別對(duì)其進(jìn)行一次num_anchors x 4的卷積、一次num_anchors x num_classes的卷積、并需要計(jì)算每一個(gè)有效特征層對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框。而num_anchors指的是該特征層所擁有的先驗(yàn)框數(shù)量。
其中：
num_anchors x 4的卷積 用于預(yù)測(cè) 該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 每一個(gè)先驗(yàn)框的變化情況。（為什么說是變化情況呢，這是因?yàn)镸2DET的預(yù)測(cè)結(jié)果需要結(jié)合先驗(yàn)框獲得預(yù)測(cè)框，預(yù)測(cè)結(jié)果就是先驗(yàn)框的變化情況。）
num_anchors x num_classes的卷積 用于預(yù)測(cè) 該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 每一個(gè)預(yù)測(cè)框?qū)?yīng)的種類。
每一個(gè)有效特征層對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框?qū)?yīng)著該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 預(yù)先設(shè)定好的六個(gè)框。
所有的特征層對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果的shape如下：
實(shí)現(xiàn)代碼為：
def m2det(input_shape, num_classes=21, num_anchors = 6):
inputs = keras.layers.Input(shape=input_shape)
#------------------------------------------------#
# 利用主干特征提取網(wǎng)絡(luò)獲得兩個(gè)有效特征層
# 分別是C4 40,40,512
# 分別是C5 20,20,1024
#------------------------------------------------#
C4, C5 = VGG16(inputs).outputs[2:]
# base_feature的shape為40,40,768
base_feature = FFMv1(C4, C5, feature_size_1=256, feature_size_2=512)
#---------------------------------------------------------------------------------------------------#
# 在_create_feature_pyramid函數(shù)里，我們會(huì)使用TUM模塊對(duì)輸入進(jìn)來的特征層進(jìn)行特征提取
# 最終輸出的特征層有六個(gè)，由于進(jìn)行了四次的TUM模塊，所以六個(gè)有效特征層由4次TUM模塊的輸出堆疊而成
# o1 40,40,128*4 40,40,512
# o2 20,20,128*4 20,20,512
# o3 10,10,128*4 10,10,512
# o4 5,5,128*4 5,5,512
# o5 3,3,128*4 3,3,512
# o6 1,1,128*4 1,1,512
#---------------------------------------------------------------------------------------------------#
feature_pyramid = _create_feature_pyramid(base_feature, stage=4)
#-------------------------------------------------#
# 給合并后的特征層添加上注意力機(jī)制
#-------------------------------------------------#
outputs = SFAM(feature_pyramid)
#-------------------------------------------------#
# 將有效特征層轉(zhuǎn)換成輸出結(jié)果
#-------------------------------------------------#
classifications = []
regressions = []
for feature in outputs:
classification = keras.layers.Conv2D(filters = num_anchors * num_classes, kernel_size=3, strides=1, padding='same')(feature)
classification = keras.layers.Reshape((-1, num_classes))(classification)
classification = keras.layers.Activation('softmax')(classification)
regression = keras.layers.Conv2D(filters = num_anchors * 4, kernel_size=3, strides=1, padding='same')(feature)
regression = keras.layers.Reshape((-1, 4))(regression)
classifications.append(classification)
regressions.append(regression)
classifications = keras.layers.Concatenate(axis=1, name="classification")(classifications)
regressions = keras.layers.Concatenate(axis=1, name="regression")(regressions)
pyramids = keras.layers.Concatenate(axis=-1, name="out")([regressions, classifications])
return keras.models.Model(inputs=inputs, outputs=pyramids)
7、預(yù)測(cè)結(jié)果的解碼
我們通過對(duì)每一個(gè)特征層的處理，可以獲得兩個(gè)內(nèi)容，分別是：
num_anchors x 4的卷積 用于預(yù)測(cè) 該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 每一個(gè)先驗(yàn)框的變化情況。
num_anchors x num_classes的卷積 用于預(yù)測(cè) 該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 每一個(gè)預(yù)測(cè)框?qū)?yīng)的種類。
每一個(gè)有效特征層對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框?qū)?yīng)著該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 預(yù)先設(shè)定好的六個(gè)框。
我們利用 num_anchors x 4的卷積 與 每一個(gè)有效特征層對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框 獲得框的真實(shí)位置。
每一個(gè)有效特征層對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框就是，如圖所示的作用：
每一個(gè)有效特征層將整個(gè)圖片分成與其長(zhǎng)寬對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，如conv4-3和fl7組合成的特征層就是將整個(gè)圖像分成38x38個(gè)網(wǎng)格；然后從每個(gè)網(wǎng)格中心建立多個(gè)先驗(yàn)框，如conv4-3和fl7組合成的有效特征層就是建立了6個(gè)先驗(yàn)框；對(duì)于conv4-3和fl7組合成的特征層來講，整個(gè)圖片被分成38x38個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中心對(duì)應(yīng)6個(gè)先驗(yàn)框，一共包含了，38x38x6個(gè)，8664個(gè)先驗(yàn)框。
先驗(yàn)框雖然可以代表一定的框的位置信息與框的大小信息，但是其是有限的，無法表示任意情況，因此還需要調(diào)整，RFBnet利用num_anchors x 4的卷積的結(jié)果對(duì)先驗(yàn)框進(jìn)行調(diào)整。
num_anchors x 4中的num_anchors表示了這個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)所包含的先驗(yàn)框數(shù)量，其中的4表示了x_offset、y_offset、h和w的調(diào)整情況。
x_offset與y_offset代表了真實(shí)框距離先驗(yàn)框中心的xy軸偏移情況。h和w代表了真實(shí)框的寬與高相對(duì)于先驗(yàn)框的變化情況。
RFBnet解碼過程就是將每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)加上它對(duì)應(yīng)的x_offset和y_offset，加完后的結(jié)果就是預(yù)測(cè)框的中心，然后再利用 先驗(yàn)框和h、w結(jié)合 計(jì)算出預(yù)測(cè)框的長(zhǎng)和寬。這樣就能得到整個(gè)預(yù)測(cè)框的位置了。
當(dāng)然得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)后還要進(jìn)行得分排序與非極大抑制篩選這一部分基本上是所有目標(biāo)檢測(cè)通用的部分。
1、取出每一類得分大于self.obj_threshold的框和得分。
2、利用框的位置和得分進(jìn)行非極大抑制。
實(shí)現(xiàn)代碼如下：
import numpy as np
import tensorflow as tf
import keras.backend as K
class BBoxUtility(object):
def __init__(self, num_classes, nms_thresh=0.45, top_k=300):
self.num_classes = num_classes
self._nms_thresh = nms_thresh
self._top_k = top_k
self.boxes = K.placeholder(dtype='float32', shape=(None, 4))
self.scores = K.placeholder(dtype='float32', shape=(None,))
self.nms = tf.image.non_max_suppression(self.boxes, self.scores, self._top_k, iou_threshold=self._nms_thresh)
self.sess = K.get_session()
def ssd_correct_boxes(self, box_xy, box_wh, input_shape, image_shape, letterbox_image):
#-----------------------------------------------------------------#
# 把y軸放前面是因?yàn)榉奖泐A(yù)測(cè)框和圖像的寬高進(jìn)行相乘
#-----------------------------------------------------------------#
box_yx = box_xy[..., ::-1]
box_hw = box_wh[..., ::-1]
input_shape = np.array(input_shape)
image_shape = np.array(image_shape)
if letterbox_image:
#-----------------------------------------------------------------#
# 這里求出來的offset是圖像有效區(qū)域相對(duì)于圖像左上角的偏移情況
# new_shape指的是寬高縮放情況
#-----------------------------------------------------------------#
new_shape = np.round(image_shape * np.min(input_shape/image_shape))
offset = (input_shape - new_shape)/2./input_shape
scale = input_shape/new_shape
box_yx = (box_yx - offset) * scale
box_hw *= scale
box_mins = box_yx - (box_hw / 2.)
box_maxes = box_yx + (box_hw / 2.)
boxes = np.concatenate([box_mins[..., 0:1], box_mins[..., 1:2], box_maxes[..., 0:1], box_maxes[..., 1:2]], axis=-1)
boxes *= np.concatenate([image_shape, image_shape], axis=-1)
return boxes
def decode_boxes(self, mbox_loc, anchors, variances):
# 獲得先驗(yàn)框的寬與高
anchor_width = anchors[:, 2] - anchors[:, 0]
anchor_height = anchors[:, 3] - anchors[:, 1]
# 獲得先驗(yàn)框的中心點(diǎn)
anchor_center_x = 0.5 * (anchors[:, 2] + anchors[:, 0])
anchor_center_y = 0.5 * (anchors[:, 3] + anchors[:, 1])
# 真實(shí)框距離先驗(yàn)框中心的xy軸偏移情況
decode_bbox_center_x = mbox_loc[:, 0] * anchor_width * variances[0]
decode_bbox_center_x += anchor_center_x
decode_bbox_center_y = mbox_loc[:, 1] * anchor_height * variances[1]
decode_bbox_center_y += anchor_center_y
# 真實(shí)框的寬與高的求取
decode_bbox_width = np.exp(mbox_loc[:, 2] * variances[2])
decode_bbox_width *= anchor_width
decode_bbox_height = np.exp(mbox_loc[:, 3] * variances[3])
decode_bbox_height *= anchor_height
# 獲取真實(shí)框的左上角與右下角
decode_bbox_xmin = decode_bbox_center_x - 0.5 * decode_bbox_width
decode_bbox_ymin = decode_bbox_center_y - 0.5 * decode_bbox_height
decode_bbox_xmax = decode_bbox_center_x + 0.5 * decode_bbox_width
decode_bbox_ymax = decode_bbox_center_y + 0.5 * decode_bbox_height
# 真實(shí)框的左上角與右下角進(jìn)行堆疊
decode_bbox = np.concatenate((decode_bbox_xmin[:, None],
decode_bbox_ymin[:, None],
decode_bbox_xmax[:, None],
decode_bbox_ymax[:, None]), axis=-1)
# 防止超出0與1
decode_bbox = np.minimum(np.maximum(decode_bbox, 0.0), 1.0)
return decode_bbox
def decode_box(self, predictions, anchors, image_shape, input_shape, letterbox_image, variances = [0.1, 0.1, 0.2, 0.2], confidence=0.5):
#---------------------------------------------------#
# :4是回歸預(yù)測(cè)結(jié)果
#---------------------------------------------------#
mbox_loc = predictions[:, :, :4]
#---------------------------------------------------#
# 獲得種類的置信度
#---------------------------------------------------#
mbox_conf = predictions[:, :, 4:]
results = []
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------------#
# 對(duì)每一張圖片進(jìn)行處理，由于在predict.py的時(shí)候，我們只輸入一張圖片，所以for i in range(len(mbox_loc))只進(jìn)行一次
#----------------------------------------------------------------------------------------------------------------#
for i in range(len(mbox_loc)):
results.append([])
#--------------------------------#
# 利用回歸結(jié)果對(duì)先驗(yàn)框進(jìn)行解碼
#--------------------------------#
decode_bbox = self.decode_boxes(mbox_loc[i], anchors, variances)
for c in range(1, self.num_classes):
#--------------------------------#
# 取出屬于該類的所有框的置信度
# 判斷是否大于門限
#--------------------------------#
c_confs = mbox_conf[i, :, c]
c_confs_m = c_confs > confidence
if len(c_confs[c_confs_m]) > 0:
#-----------------------------------------#
# 取出得分高于confidence的框
#-----------------------------------------#
boxes_to_process = decode_bbox[c_confs_m]
confs_to_process = c_confs[c_confs_m]
#-----------------------------------------#
# 進(jìn)行iou的非極大抑制
#-----------------------------------------#
idx = self.sess.run(self.nms, feed_dict={self.boxes: boxes_to_process, self.scores: confs_to_process})
#-----------------------------------------#
# 取出在非極大抑制中效果較好的內(nèi)容
#-----------------------------------------#
good_boxes = boxes_to_process[idx]
confs = confs_to_process[idx][:, None]
labels = (c - 1) * np.ones((len(idx), 1))
#-----------------------------------------#
# 將label、置信度、框的位置進(jìn)行堆疊。
#-----------------------------------------#
c_pred = np.concatenate((good_boxes, labels, confs), axis=1)
# 添加進(jìn)result里
results[-1].extend(c_pred)
if len(results[-1]) > 0:
results[-1] = np.array(results[-1])
box_xy, box_wh = (results[-1][:, 0:2] + results[-1][:, 2:4])/2, results[-1][:, 2:4] - results[-1][:, 0:2]
results[-1][:, :4] = self.ssd_correct_boxes(box_xy, box_wh, input_shape, image_shape, letterbox_image)
return results
8、在原圖上進(jìn)行繪制
通過第三步，我們可以獲得預(yù)測(cè)框在原圖上的位置，而且這些預(yù)測(cè)框都是經(jīng)過篩選的。這些篩選后的框可以直接繪制在圖片上，就可以獲得結(jié)果了。
二、訓(xùn)練部分
1、真實(shí)框的處理
從預(yù)測(cè)部分我們知道，每個(gè)特征層的預(yù)測(cè)結(jié)果，num_anchors x 4的卷積 用于預(yù)測(cè) 該特征層上 每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上 每一個(gè)先驗(yàn)框的變化情況。
也就是說，我們直接利用M2DET網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)到的結(jié)果，并不是預(yù)測(cè)框在圖片上的真實(shí)位置，需要解碼才能得到真實(shí)位置。
而在訓(xùn)練的時(shí)候，我們需要計(jì)算loss函數(shù)，這個(gè)loss函數(shù)是相對(duì)于M2DET網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果的。我們需要把圖片輸入到當(dāng)前的M2DET網(wǎng)絡(luò)中，得到預(yù)測(cè)結(jié)果；同時(shí)還需要把真實(shí)框的信息，進(jìn)行編碼，這個(gè)編碼是把真實(shí)框的位置信息格式轉(zhuǎn)化為M2DET預(yù)測(cè)結(jié)果的格式信息。
也就是，我們需要找到 每一張用于訓(xùn)練的圖片的每一個(gè)真實(shí)框?qū)?yīng)的先驗(yàn)框，并求出如果想要得到這樣一個(gè)真實(shí)框，我們的預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)該是怎么樣的。
從預(yù)測(cè)結(jié)果獲得真實(shí)框的過程被稱作解碼，而從真實(shí)框獲得預(yù)測(cè)結(jié)果的過程就是編碼的過程。
因此我們只需要將解碼過程逆過來就是編碼過程了。
實(shí)現(xiàn)代碼如下：
def iou(self, box):
#---------------------------------------------#
# 計(jì)算出每個(gè)真實(shí)框與所有的先驗(yàn)框的iou
# 判斷真實(shí)框與先驗(yàn)框的重合情況
#---------------------------------------------#
inter_upleft = np.maximum(self.anchors[:, :2], box[:2])
inter_botright = np.minimum(self.anchors[:, 2:4], box[2:])
inter_wh = inter_botright - inter_upleft
inter_wh = np.maximum(inter_wh, 0)
inter = inter_wh[:, 0] * inter_wh[:, 1]
#---------------------------------------------#
# 真實(shí)框的面積
#---------------------------------------------#
area_true = (box[2] - box[0]) * (box[3] - box[1])
#---------------------------------------------#
# 先驗(yàn)框的面積
#---------------------------------------------#
area_gt = (self.anchors[:, 2] - self.anchors[:, 0])*(self.anchors[:, 3] - self.anchors[:, 1])
#---------------------------------------------#
# 計(jì)算iou
#---------------------------------------------#
union = area_true + area_gt - inter
iou = inter / union
return iou
def encode_box(self, box, return_iou=True, variances = [0.1, 0.1, 0.2, 0.2]):
#---------------------------------------------#
# 計(jì)算當(dāng)前真實(shí)框和先驗(yàn)框的重合情況
# iou [self.num_anchors]
# encoded_box [self.num_anchors, 5]
#---------------------------------------------#
iou = self.iou(box)
encoded_box = np.zeros((self.num_anchors, 4 + return_iou))
#---------------------------------------------#
# 找到每一個(gè)真實(shí)框，重合程度較高的先驗(yàn)框
# 真實(shí)框可以由這個(gè)先驗(yàn)框來負(fù)責(zé)預(yù)測(cè)
#---------------------------------------------#
assign_mask = iou > self.overlap_threshold
#---------------------------------------------#
# 如果沒有一個(gè)先驗(yàn)框重合度大于self.overlap_threshold
# 則選擇重合度最大的為正樣本
#---------------------------------------------#
if not assign_mask.any():
assign_mask[iou.argmax()] = True
#---------------------------------------------#
# 利用iou進(jìn)行賦值
#---------------------------------------------#
if return_iou:
encoded_box[:, -1][assign_mask] = iou[assign_mask]
#---------------------------------------------#
# 找到對(duì)應(yīng)的先驗(yàn)框
#---------------------------------------------#
assigned_anchors = self.anchors[assign_mask]
#---------------------------------------------#
# 逆向編碼，將真實(shí)框轉(zhuǎn)化為M2det預(yù)測(cè)結(jié)果的格式
# 先計(jì)算真實(shí)框的中心與長(zhǎng)寬
#---------------------------------------------#
box_center = 0.5 * (box[:2] + box[2:])
box_wh = box[2:] - box[:2]
#---------------------------------------------#
# 再計(jì)算重合度較高的先驗(yàn)框的中心與長(zhǎng)寬
#---------------------------------------------#
assigned_anchors_center = (assigned_anchors[:, 0:2] + assigned_anchors[:, 2:4]) * 0.5
assigned_anchors_wh = (assigned_anchors[:, 2:4] - assigned_anchors[:, 0:2])
#------------------------------------------------#
# 逆向求取M2det應(yīng)該有的預(yù)測(cè)結(jié)果
# 先求取中心的預(yù)測(cè)結(jié)果，再求取寬高的預(yù)測(cè)結(jié)果
# 存在改變數(shù)量級(jí)的參數(shù)，默認(rèn)為[0.1,0.1,0.2,0.2]
#------------------------------------------------#
encoded_box[:, :2][assign_mask] = box_center - assigned_anchors_center
encoded_box[:, :2][assign_mask] /= assigned_anchors_wh
encoded_box[:, :2][assign_mask] /= np.array(variances)[:2]
encoded_box[:, 2:4][assign_mask] = np.log(box_wh / assigned_anchors_wh)
encoded_box[:, 2:4][assign_mask] /= np.array(variances)[2:4]
return encoded_box.ravel()
利用上述代碼我們可以獲得，真實(shí)框?qū)?yīng)的所有的iou較大先驗(yàn)框，并計(jì)算了真實(shí)框?qū)?yīng)的所有iou較大的先驗(yàn)框應(yīng)該有的預(yù)測(cè)結(jié)果。
在訓(xùn)練的時(shí)候我們只需要選擇iou最大的先驗(yàn)框就行了，這個(gè)iou最大的先驗(yàn)框就是我們用來預(yù)測(cè)這個(gè)真實(shí)框所用的先驗(yàn)框。
因此我們還要經(jīng)過一次篩選，將上述代碼獲得的真實(shí)框?qū)?yīng)的所有的iou較大先驗(yàn)框的預(yù)測(cè)結(jié)果中，iou最大的那個(gè)篩選出來。
通過assign_boxes我們就獲得了，輸入進(jìn)來的這張圖片，應(yīng)該有的預(yù)測(cè)結(jié)果是什么樣子的。
實(shí)現(xiàn)代碼如下：
def assign_boxes(self, boxes):
#---------------------------------------------------#
# assignment分為3個(gè)部分
# :4 的內(nèi)容為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有的回歸預(yù)測(cè)結(jié)果
# 4:-1 的內(nèi)容為先驗(yàn)框所對(duì)應(yīng)的種類，默認(rèn)為背景
# -1 的內(nèi)容為當(dāng)前先驗(yàn)框是否包含目標(biāo)
#---------------------------------------------------#
assignment = np.zeros((self.num_anchors, 4 + self.num_classes + 1))
assignment[:, 4] = 1.0
if len(boxes) == 0:
return assignment
# 對(duì)每一個(gè)真實(shí)框都進(jìn)行iou計(jì)算
encoded_boxes = np.apply_along_axis(self.encode_box, 1, boxes[:, :4])
#---------------------------------------------------#
# 在reshape后，獲得的encoded_boxes的shape為：
# [num_true_box, num_anchors, 4 + 1]
# 4是編碼后的結(jié)果，1為iou
#---------------------------------------------------#
encoded_boxes = encoded_boxes.reshape(-1, self.num_anchors, 5)
#---------------------------------------------------#
# [num_anchors]求取每一個(gè)先驗(yàn)框重合度最大的真實(shí)框
#---------------------------------------------------#
best_iou = encoded_boxes[:, :, -1].max(axis=0)
best_iou_idx = encoded_boxes[:, :, -1].argmax(axis=0)
best_iou_mask = best_iou > 0
best_iou_idx = best_iou_idx[best_iou_mask]
#---------------------------------------------------#
# 計(jì)算一共有多少先驗(yàn)框滿足需求
#---------------------------------------------------#
assign_num = len(best_iou_idx)
# 將編碼后的真實(shí)框取出
encoded_boxes = encoded_boxes[:, best_iou_mask, :]
#---------------------------------------------------#
# 編碼后的真實(shí)框的賦值
#---------------------------------------------------#
assignment[:, :4][best_iou_mask] = encoded_boxes[best_iou_idx,np.arange(assign_num),:4]
#----------------------------------------------------------#
# 4代表為背景的概率，設(shè)定為0，因?yàn)檫@些先驗(yàn)框有對(duì)應(yīng)的物體
#----------------------------------------------------------#
assignment[:, 4][best_iou_mask] = 0
assignment[:, 5:-1][best_iou_mask] = boxes[best_iou_idx, 4:]
#----------------------------------------------------------#
# -1表示先驗(yàn)框是否有對(duì)應(yīng)的物體
#----------------------------------------------------------#
assignment[:, -1][best_iou_mask] = 1
# 通過assign_boxes我們就獲得了，輸入進(jìn)來的這張圖片，應(yīng)該有的預(yù)測(cè)結(jié)果是什么樣子的
return assignment
2、利用處理完的真實(shí)框與對(duì)應(yīng)圖片的預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算loss
loss的計(jì)算分為三個(gè)部分：
1、獲取所有正標(biāo)簽的框的預(yù)測(cè)結(jié)果的回歸loss。
2、獲取所有正標(biāo)簽的種類的預(yù)測(cè)結(jié)果的交叉熵loss。
3、獲取一定負(fù)標(biāo)簽的種類的預(yù)測(cè)結(jié)果的交叉熵loss。
由于在M2DET的訓(xùn)練過程中，正負(fù)樣本極其不平衡，即 存在對(duì)應(yīng)真實(shí)框的先驗(yàn)框可能只有十來個(gè)，但是不存在對(duì)應(yīng)真實(shí)框的負(fù)樣本卻有幾千個(gè)，這就會(huì)導(dǎo)致負(fù)樣本的loss值極大，因此我們可以考慮減少負(fù)樣本的選取，對(duì)于M2DET的訓(xùn)練來講，常見的情況是取三倍正樣本數(shù)量的負(fù)樣本用于訓(xùn)練。這個(gè)三倍呢，也可以修改，調(diào)整成自己喜歡的數(shù)字。
實(shí)現(xiàn)代碼如下：
import tensorflow as tf
class MultiboxLoss(object):
def __init__(self, num_classes, alpha=1.0, neg_pos_ratio=3.0,
background_label_id=0, negatives_for_hard=100.0):
self.num_classes = num_classes
self.alpha = alpha
self.neg_pos_ratio = neg_pos_ratio
if background_label_id != 0:
raise Exception('Only 0 as background label id is supported')
self.background_label_id = background_label_id
self.negatives_for_hard = negatives_for_hard
def _l1_smooth_loss(self, y_true, y_pred):
abs_loss = tf.abs(y_true - y_pred)
sq_loss = 0.5 * (y_true - y_pred)**2
l1_loss = tf.where(tf.less(abs_loss, 1.0), sq_loss, abs_loss - 0.5)
return tf.reduce_sum(l1_loss, -1)
def _softmax_loss(self, y_true, y_pred):
y_pred = tf.maximum(y_pred, 1e-7)
softmax_loss = -tf.reduce_sum(y_true * tf.log(y_pred),
axis=-1)
return softmax_loss
def compute_loss(self, y_true, y_pred):
num_boxes = tf.to_float(tf.shape(y_true)[1])
# --------------------------------------------- #
# 分類的loss
# batch_size,8732,21 -> batch_size,8732
# --------------------------------------------- #
conf_loss = self._softmax_loss(y_true[:, :, 4:-1],
y_pred[:, :, 4:])
# --------------------------------------------- #
# 框的位置的loss
# batch_size,8732,4 -> batch_size,8732
# --------------------------------------------- #
loc_loss = self._l1_smooth_loss(y_true[:, :, :4],
y_pred[:, :, :4])
# --------------------------------------------- #
# 獲取所有的正標(biāo)簽的loss
# --------------------------------------------- #
pos_loc_loss = tf.reduce_sum(loc_loss * y_true[:, :, -1],
axis=1)
pos_conf_loss = tf.reduce_sum(conf_loss * y_true[:, :, -1],
axis=1)
# --------------------------------------------- #
# 每一張圖的正樣本的個(gè)數(shù)
# batch_size,
# --------------------------------------------- #
num_pos = tf.reduce_sum(y_true[:, :, -1], axis=-1)
# --------------------------------------------- #
# 每一張圖的負(fù)樣本的個(gè)數(shù)
# batch_size,
# --------------------------------------------- #
num_neg = tf.minimum(self.neg_pos_ratio * num_pos, num_boxes - num_pos)
# 找到了哪些值是大于0的
pos_num_neg_mask = tf.greater(num_neg, 0)
# --------------------------------------------- #
# 如果所有的圖，正樣本的數(shù)量均為0
# 那么則默認(rèn)選取100個(gè)先驗(yàn)框作為負(fù)樣本
# --------------------------------------------- #
has_min = tf.to_float(tf.reduce_any(pos_num_neg_mask))
num_neg = tf.concat(axis=0, values=[num_neg, [(1 - has_min) * self.negatives_for_hard]])
# --------------------------------------------- #
# 從這里往后，與視頻中看到的代碼有些許不同。
# 由于以前的負(fù)樣本選取方式存在一些問題，
# 我對(duì)該部分代碼進(jìn)行重構(gòu)。
# 求整個(gè)batch應(yīng)該的負(fù)樣本數(shù)量總和
# --------------------------------------------- #
num_neg_batch = tf.reduce_sum(tf.boolean_mask(num_neg, tf.greater(num_neg, 0)))
num_neg_batch = tf.to_int32(num_neg_batch)
# --------------------------------------------- #
# 對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，如果該先驗(yàn)框沒有包含物體
# 那么它的不屬于背景的預(yù)測(cè)概率過大的話
# 就是難分類樣本
# --------------------------------------------- #
confs_start = 4 + self.background_label_id + 1
confs_end = confs_start + self.num_classes - 1
# --------------------------------------------- #
# batch_size,8732
# 把不是背景的概率求和，求和后的概率越大
# 代表越難分類。
# --------------------------------------------- #
max_confs = tf.reduce_sum(y_pred[:, :, confs_start:confs_end], axis=2)
# --------------------------------------------------- #
# 只有沒有包含物體的先驗(yàn)框才得到保留
# 我們?cè)谡麄€(gè)batch里面選取最難分類的num_neg_batch個(gè)
# 先驗(yàn)框作為負(fù)樣本。
# --------------------------------------------------- #
max_confs = tf.reshape(max_confs * (1 - y_true[:, :, -1]), [-1])
_, indices = tf.nn.top_k(max_confs, k=num_neg_batch)
neg_conf_loss = tf.gather(tf.reshape(conf_loss, [-1]), indices)
# 進(jìn)行歸一化
num_pos = tf.where(tf.not_equal(num_pos, 0), num_pos, tf.ones_like(num_pos))
total_loss = tf.reduce_sum(pos_conf_loss) + tf.reduce_sum(neg_conf_loss) + tf.reduce_sum(self.alpha * pos_loc_loss)
total_loss /= tf.reduce_sum(num_pos)
return total_loss
訓(xùn)練自己的M2Det模型
首先前往Github下載對(duì)應(yīng)的倉庫，下載完后利用解壓軟件解壓，之后用編程軟件打開文件夾。
注意打開的根目錄必須正確，否則相對(duì)目錄不正確的情況下，代碼將無法運(yùn)行。
一定要注意打開后的根目錄是文件存放的目錄。
一、數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備
本文使用VOC格式進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練前需要自己制作好數(shù)據(jù)集，如果沒有自己的數(shù)據(jù)集，可以通過Github連接下載VOC12+07的數(shù)據(jù)集嘗試下。訓(xùn)練前將標(biāo)簽文件放在VOCdevkit文件夾下的VOC2007文件夾下的Annotation中。
訓(xùn)練前將圖片文件放在VOCdevkit文件夾下的VOC2007文件夾下的JPEGImages中。
此時(shí)數(shù)據(jù)集的擺放已經(jīng)結(jié)束。
二、數(shù)據(jù)集的處理
在完成數(shù)據(jù)集的擺放之后，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行下一步的處理，目的是獲得訓(xùn)練用的2007_train.txt以及2007_val.txt，需要用到根目錄下的voc_annotation.py。
voc_annotation.py里面有一些參數(shù)需要設(shè)置。
分別是annotation_mode、classes_path、trainval_percent、train_percent、VOCdevkit_path，第一次訓(xùn)練可以僅修改classes_path
''' annotation_mode用于指定該文件運(yùn)行時(shí)計(jì)算的內(nèi)容 annotation_mode為0代表整個(gè)標(biāo)簽處理過程，包括獲得VOCdevkit/VOC2007/ImageSets里面的txt以及訓(xùn)練用的2007_train.txt、2007_val.txt annotation_mode為1代表獲得VOCdevkit/VOC2007/ImageSets里面的txt annotation_mode為2代表獲得訓(xùn)練用的2007_train.txt、2007_val.txt ''' annotation_mode = 0 ''' 必須要修改，用于生成2007_train.txt、2007_val.txt的目標(biāo)信息 與訓(xùn)練和預(yù)測(cè)所用的classes_path一致即可 如果生成的2007_train.txt里面沒有目標(biāo)信息 那么就是因?yàn)閏lasses沒有設(shè)定正確 僅在annotation_mode為0和2的時(shí)候有效 ''' classes_path = 'model_data/voc_classes.txt' ''' trainval_percent用于指定(訓(xùn)練集+驗(yàn)證集)與測(cè)試集的比例，默認(rèn)情況下 (訓(xùn)練集+驗(yàn)證集):測(cè)試集 = 9:1 train_percent用于指定(訓(xùn)練集+驗(yàn)證集)中訓(xùn)練集與驗(yàn)證集的比例，默認(rèn)情況下 訓(xùn)練集:驗(yàn)證集 = 9:1 僅在annotation_mode為0和1的時(shí)候有效 ''' trainval_percent = 0.9 train_percent = 0.9 ''' 指向VOC數(shù)據(jù)集所在的文件夾 默認(rèn)指向根目錄下的VOC數(shù)據(jù)集 ''' VOCdevkit_path = 'VOCdevkit'
classes_path用于指向檢測(cè)類別所對(duì)應(yīng)的txt，以voc數(shù)據(jù)集為例，我們用的txt為：
訓(xùn)練自己的數(shù)據(jù)集時(shí)，可以自己建立一個(gè)cls_classes.txt，里面寫自己所需要區(qū)分的類別。
三、開始網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
通過voc_annotation.py我們已經(jīng)生成了2007_train.txt以及2007_val.txt，此時(shí)我們可以開始訓(xùn)練了。
訓(xùn)練的參數(shù)較多，大家可以在下載庫后仔細(xì)看注釋，其中最重要的部分依然是train.py里的classes_path。
classes_path用于指向檢測(cè)類別所對(duì)應(yīng)的txt，這個(gè)txt和voc_annotation.py里面的txt一樣！訓(xùn)練自己的數(shù)據(jù)集必須要修改！
修改完classes_path后就可以運(yùn)行train.py開始訓(xùn)練了，在訓(xùn)練多個(gè)epoch后，權(quán)值會(huì)生成在logs文件夾中。
其它參數(shù)的作用如下：
#--------------------------------------------------------# # 訓(xùn)練前一定要修改classes_path，使其對(duì)應(yīng)自己的數(shù)據(jù)集 #--------------------------------------------------------# classes_path = 'model_data/voc_classes.txt' #----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------# # 權(quán)值文件請(qǐng)看README，百度網(wǎng)盤下載。數(shù)據(jù)的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重對(duì)不同數(shù)據(jù)集是通用的，因?yàn)樘卣魇峭ㄓ玫摹? # 預(yù)訓(xùn)練權(quán)重對(duì)于99%的情況都必須要用，不用的話權(quán)值太過隨機(jī)，特征提取效果不明顯，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的結(jié)果也不會(huì)好。 # 訓(xùn)練自己的數(shù)據(jù)集時(shí)提示維度不匹配正常，預(yù)測(cè)的東西都不一樣了自然維度不匹配 # # 如果想要斷點(diǎn)續(xù)練就將model_path設(shè)置成logs文件夾下已經(jīng)訓(xùn)練的權(quán)值文件。 # 當(dāng)model_path = ''的時(shí)候不加載整個(gè)模型的權(quán)值。 # # 此處使用的是整個(gè)模型的權(quán)重，因此是在train.py進(jìn)行加載的。 # 如果想要讓模型從主干的預(yù)訓(xùn)練權(quán)值開始訓(xùn)練，則設(shè)置model_path為主干網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，此時(shí)僅加載主干。 # 如果想要讓模型從0開始訓(xùn)練，則設(shè)置model_path = ''，F(xiàn)reeze_Train = Fasle，此時(shí)從0開始訓(xùn)練，且沒有凍結(jié)主干的過程。 # 一般來講，從0開始訓(xùn)練效果會(huì)很差，因?yàn)闄?quán)值太過隨機(jī)，特征提取效果不明顯。 #----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------# model_path = 'model_data/M2det_weights.h5' #------------------------------------------------------# # 輸入的shape大小，32的倍數(shù) #------------------------------------------------------# input_shape = [320, 320] #----------------------------------------------------# # 可用于設(shè)定先驗(yàn)框的大小，默認(rèn)的anchors_size # 是根據(jù)voc數(shù)據(jù)集設(shè)定的，大多數(shù)情況下都是通用的！ # 如果想要檢測(cè)小物體，可以修改anchors_size # 一般調(diào)小淺層先驗(yàn)框的大小就行了！因?yàn)闇\層負(fù)責(zé)小物體檢測(cè)！ # 比如anchors_size = [21, 45, 99, 153, 207, 261, 315] #----------------------------------------------------# anchors_size = [26, 48, 106, 163, 221, 278, 336] #----------------------------------------------------# # 訓(xùn)練分為兩個(gè)階段，分別是凍結(jié)階段和解凍階段。 # 顯存不足與數(shù)據(jù)集大小無關(guān)，提示顯存不足請(qǐng)調(diào)小batch_size。 # 受到BatchNorm層影響，batch_size最小為2，不能為1。 #----------------------------------------------------# #----------------------------------------------------# # 凍結(jié)階段訓(xùn)練參數(shù) # 此時(shí)模型的主干被凍結(jié)了，特征提取網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生改變 # 占用的顯存較小，僅對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào) #----------------------------------------------------# Init_Epoch = 0 Freeze_Epoch = 50 Freeze_batch_size = 8 Freeze_lr = 5e-4 #----------------------------------------------------# # 解凍階段訓(xùn)練參數(shù) # 此時(shí)模型的主干不被凍結(jié)了，特征提取網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生改變 # 占用的顯存較大，網(wǎng)絡(luò)所有的參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變 #----------------------------------------------------# UnFreeze_Epoch = 100 Unfreeze_batch_size = 4 Unfreeze_lr = 1e-4 #------------------------------------------------------# # 是否進(jìn)行凍結(jié)訓(xùn)練，默認(rèn)先凍結(jié)主干訓(xùn)練后解凍訓(xùn)練。 #------------------------------------------------------# Freeze_Train = True #------------------------------------------------------# # 用于設(shè)置是否使用多線程讀取數(shù)據(jù)，0代表關(guān)閉多線程 # 開啟后會(huì)加快數(shù)據(jù)讀取速度，但是會(huì)占用更多內(nèi)存 # keras里開啟多線程有些時(shí)候速度反而慢了許多 # 在IO為瓶頸的時(shí)候再開啟多線程，即GPU運(yùn)算速度遠(yuǎn)大于讀取圖片的速度。 #------------------------------------------------------# num_workers = 0 #----------------------------------------------------# # 獲得圖片路徑和標(biāo)簽 #----------------------------------------------------# train_annotation_path = '2007_train.txt' val_annotation_path = '2007_val.txt'
四、訓(xùn)練結(jié)果預(yù)測(cè)
訓(xùn)練結(jié)果預(yù)測(cè)需要用到兩個(gè)文件，分別是yolo.py和predict.py。
我們首先需要去yolo.py里面修改model_path以及classes_path，這兩個(gè)參數(shù)必須要修改。
model_path指向訓(xùn)練好的權(quán)值文件，在logs文件夾里。
classes_path指向檢測(cè)類別所對(duì)應(yīng)的txt。
完成修改后就可以運(yùn)行predict.py進(jìn)行檢測(cè)了。運(yùn)行后輸入圖片路徑即可檢測(cè)。
以上就是Keras搭建M2Det目標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)示例的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Keras M2Det目標(biāo)檢測(cè)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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