在機(jī)器學(xué)習(xí)中，模型是在各種應(yīng)用中訓(xùn)練的，特別是在深度學(xué)習(xí)和圖像數(shù)據(jù)集上�；�于卷積運(yùn)算的方法在許多領(lǐng)域都進(jìn)行了研究，尤其是手臂檢測、自動駕駛汽車、無人機(jī)航拍圖像、戰(zhàn)爭技術(shù)。人眼能夠很容易地對所看到的進(jìn)行分類和區(qū)分。然而，在人工智能技術(shù)中，這種能力的等價物，即理解圖像的問題，屬于計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域。顧名思義，計(jì)算機(jī)視覺是以計(jì)算機(jī)可以理解的方式引入（分類）圖像，下一步是使用不同的方法對這些圖像進(jìn)行操作。本文介紹了一種分割方法，即U－Net體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)是為生物醫(yī)學(xué)圖像分割而開發(fā)的，并包括一個實(shí)際項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用U－Net對無人機(jī)捕獲的航空圖像進(jìn)行分割。

目錄

1．語義分割

2．U－Net架構(gòu)

3．教程

3．1． 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3．2． 基于U－Net的語義分割

3．3． 基于遷移學(xué)習(xí)的U－Net語義分割

4．結(jié)論

5．參考文獻(xiàn)

語義分割

圖像是由數(shù)字組成的像素矩陣。在圖像處理技術(shù)中，對這些數(shù)字進(jìn)行一些調(diào)整，然后以不同的方式表示圖像，并使其適合相關(guān)研究或解釋。

卷積過程是一種基本的數(shù)學(xué)像素運(yùn)算，它提供了從不同角度評估圖像的機(jī)會。

例如，可以使用濾波器進(jìn)行圖像的邊緣檢測，也可以通過將圖像從RGB格式轉(zhuǎn)換為灰度，從不同角度解釋和使用圖像。

基于深度學(xué)習(xí)模型和卷積層，人們對圖像內(nèi)容進(jìn)行了更全面的研究，如特征提取和分類。

如上圖所示，使用邊界框檢測圖像內(nèi)容中的對象稱為對象檢測。

語義分割是一種逐像素的標(biāo)記操作，它用一個標(biāo)簽來顯示圖片中相同類型的對象（天空、貓、狗、人、路、車、山、海等），即顏色。

即時分割是指每個實(shí)例都被單獨(dú)標(biāo)記，通過以不同的顏色顯示來分隔每個對象。

如上所述，在這些操作的背景下，針對不同的用途開發(fā)了各種彼此不同的CNN模型和復(fù)雜模型。PSPNet、DeepLab、LinkNet、U－Net、Mask R－CNN就是其中的一些模型。我們可以說，分割過程是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用（如自動駕駛汽車）項(xiàng)目的核心。

總之，計(jì)算機(jī)視覺中的語義分割是一種基于像素的標(biāo)記方法。如果相同類型的對象用單一顏色表示，則稱為語義分割；如果每個對象用唯一的顏色（標(biāo)簽）表示，則稱為實(shí)例分割。

U－Net體系結(jié)構(gòu)

U－Net是一種特定類型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，2015年在德國弗萊堡大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系和生物信號研究中心為生物醫(yī)學(xué)圖像（計(jì)算機(jī)斷層掃描、顯微圖像、MRI掃描等）開發(fā)。

當(dāng)我們考慮技術(shù)思想時，該模型由編碼器和解碼器組成，編碼器（收縮）是下采樣（主要是遷移學(xué)習(xí)中的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重），解碼器（提�。┦巧喜蓸硬糠郑�它被命名為U－Net，因?yàn)樗�的方案是U形的，如下圖所示。該模型可根據(jù)不同的研究進(jìn)行配置。

在以下教程中，為航空圖像的語義分割配置了U－Net模型，如下所示：

＃ －＊－ coding： utf－8 －＊－

＂＂＂

＠author： Ibrahim Kovan

https：／／ibrahimkovan．medium．com／

＂＂＂

from tensorflow．keras．models import Model

from tensorflow．keras．layers import Input， Conv2D， MaxPooling2D， UpSampling2D， concatenate， Conv2DTranspose， BatchNormalization， Dropout， Lambda

from tensorflow．keras import backend as K

def multiclass＿unet＿architecture（n＿classes＝2， height＝256， width＝256， channels＝3）：

   inputs ＝ Input（（height， width， channels））

   ＃Contraction path

   conv＿1 ＝ Conv2D（16， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（inputs）

   conv＿1 ＝ Dropout（0．1）（conv＿1）  

   conv＿1 ＝ Conv2D（16， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿1）

   pool＿1 ＝ MaxPooling2D（（2， 2））（conv＿1）
   

   conv＿2 ＝ Conv2D（32， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（pool＿1）

   conv＿2 ＝ Dropout（0．1）（conv＿2）  

   conv＿2 ＝ Conv2D（32， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿2）

   pool＿2 ＝ MaxPooling2D（（2， 2））（conv＿2）
   

   conv＿3 ＝ Conv2D（64， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（pool＿2）

   conv＿3 ＝ Dropout（0．1）（conv＿3）

   conv＿3 ＝ Conv2D（64， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿3）

   pool＿3 ＝ MaxPooling2D（（2， 2））（conv＿3）
   

   conv＿4 ＝ Conv2D（128， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（pool＿3）

   conv＿4 ＝ Dropout（0．1）（conv＿4）

   conv＿4 ＝ Conv2D（128， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿4）

   pool＿4 ＝ MaxPooling2D（pool＿size＝（2， 2））（conv＿4）
   

   conv＿5 ＝ Conv2D（256， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（pool＿4）

   conv＿5 ＝ Dropout（0．2）（conv＿5）

   conv＿5 ＝ Conv2D（256， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿5）
   

   ＃Expansive path

   u6 ＝ Conv2DTranspose（128， （2， 2）， strides＝（2， 2）， padding＝＇same＇）（conv＿5）

   u6 ＝ concatenate（［u6， conv＿4］）

   conv＿6 ＝ Conv2D（128， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（u6）

   conv＿6 ＝ Dropout（0．2）（conv＿6）

   conv＿6 ＝ Conv2D（128， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿6）
   

   u7 ＝ Conv2DTranspose（64， （2， 2）， strides＝（2， 2）， padding＝＇same＇）（conv＿6）

   u7 ＝ concatenate（［u7， conv＿3］）

   conv＿7 ＝ Conv2D（64， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（u7）

   conv＿7 ＝ Dropout（0．1）（conv＿7）

   conv＿7 ＝ Conv2D（64， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿7）
   

   u8 ＝ Conv2DTranspose（32， （2， 2）， strides＝（2， 2）， padding＝＇same＇）（conv＿7）

   u8 ＝ concatenate（［u8， conv＿2］）

   conv＿8 ＝ Conv2D（32， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（u8）

   conv＿8 ＝ Dropout（0．2）（conv＿8）  

   conv＿8 ＝ Conv2D（32， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿8）
   

   u9 ＝ Conv2DTranspose（16， （2， 2）， strides＝（2， 2）， padding＝＇same＇）（conv＿8）

   u9 ＝ concatenate（［u9， conv＿1］， axis＝3）

   conv＿9 ＝ Conv2D（16， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（u9）

   conv＿9 ＝ Dropout（0．1）（conv＿9）

   conv＿9 ＝ Conv2D（16， （3， 3）， activation＝＇relu＇， kernel＿initializer＝＇he＿normal＇， padding＝＇same＇）（conv＿9）
   

   outputs ＝ Conv2D（n＿classes， （1， 1）， activation＝＇softmax＇）（conv＿9）
   

   model ＝ Model（inputs＝［inputs］， outputs＝［outputs］）

   model．summary（）

   return model

def jacard（y＿true， y＿pred）：

   y＿true＿c ＝ K．flatten（y＿true）

   y＿pred＿c ＝ K．flatten（y＿pred）

   intersection ＝ K．sum（y＿true＿c ＊ y＿pred＿c）

   return （intersection ＋ 1．0） ／ （K．sum（y＿true＿c） ＋ K．sum（y＿pred＿c） － intersection ＋ 1．0）

def jacard＿loss（y＿true， y＿pred）：

   return －jacard（y＿true，y＿pred）

如果我們采用上述代碼塊：

1、輸入定義為256x256x3。

2、使用16個濾波器的conv＿1，可獲得256x256x16的輸出。使用pool＿1中的Maxpooling，它將減少到128x128x16。

3、使用32個濾波器的conv＿2，可獲得256x256x32的輸出。使用pool＿2，可獲得64x64x32的輸出。

4、使用64個濾波器的conv＿3，可獲得64x64x64的輸出。使用pool＿3，可獲得32x32x64的輸出。

5、使用128個濾波器的conv＿4，可獲得32x32x128的輸出。使用pool＿4，可獲得16x16x128的輸出。

6、使用256個濾波器的conv＿5，可獲得16x16x256的輸出，并從此點(diǎn)開始進(jìn)行上采樣。在濾波器數(shù)量為128和（2x2）的u6中，conv＿5通過Conv2DTranspose和級聯(lián)得到32x32x128的輸出，級聯(lián)通過u6、conv＿4執(zhí)行。因此，u6輸出為32x32x256。使用帶有128個濾波器的conv＿6，它將變?yōu)?2x32x128。

7、濾波器數(shù)量為64且（2x2）的u7通過應(yīng)用于conv＿6并將u7與conv＿3串聯(lián)，變?yōu)?4x64x64。此操作的結(jié)果是，u7被定義為64x64x128，并在conv＿7中變?yōu)?4x64x64。

8、濾波器數(shù)量為32和（2x2）的u8通過應(yīng)用于conv＿7并將u7與conv＿2串聯(lián)，變?yōu)?28x128x32。此操作的結(jié)果是，u8被定義為128x128x64，并使用conv＿8變?yōu)?28x128x32。

9、通過應(yīng)用于conv＿8并將u9與conv＿1串聯(lián)，濾波器數(shù)量為16和（2x2）的u9變?yōu)?56x256x16。此操作的結(jié)果是，u9被定義為256x256x32，并通過conv＿9變?yōu)?56x256x16。

10、輸出使用softmax激活完成分類過程，最終輸出采用256x256x1的形式。

使用不同速率的dropout來防止過擬合。

教程

在編碼部分，可以使用不同的方法對數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。

在本研究中，RGB（原始圖像）數(shù)據(jù)集定義為x，并且該模型是通過使用真實(shí)標(biāo)簽（分割標(biāo)記圖像）作為y來訓(xùn)練的。在未來的文章中，還將討論使用掩碼數(shù)據(jù)集的方法。

RGB圖像和標(biāo)簽如下圖所示。該研究旨在用這種方法訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，并使外部呈現(xiàn)的圖像能夠像訓(xùn)練數(shù)據(jù)一樣進(jìn)行分割。

它關(guān)注的是編碼體系結(jié)構(gòu)部分，而不是實(shí)現(xiàn)高性能。這是由于使用圖像數(shù)據(jù)集時涉及的計(jì)算復(fù)雜性。

例如，雖然原始圖像為6000x4000像素，但已將其轉(zhuǎn)換為256x256像素以避免計(jì)算復(fù)雜性。通過這些操作，目的是通過放棄準(zhǔn)確性來確保編碼體系結(jié)構(gòu)正常工作。

數(shù)據(jù)預(yù)處理

＃ －＊－ coding： utf－8 －＊－

＂＂＂

＠author： Ibrahim Kovan

https：／／ibrahimkovan．medium．com／

dataset： http：／／www．dronedataset．icg．tugraz．a(chǎn)t／

dataset link： https：／／www．kaggle．com／awsaf49／semantic－drone－dataset

License： CC0： Public Domain

＂＂＂

＃％％ Libraries

＂＂＂1＂＂＂

from architecture import multiclass＿unet＿architecture， jacard， jacard＿loss

from tensorflow．keras．utils import normalize

import os

import glob

import cv2

import numpy as np

from matplotlib import pyplot as plt

import random

from skimage．io import imshow

from PIL import Image

import pandas as pd

from sklearn．preprocessing import MinMaxScaler， StandardScaler

from tensorflow．keras．utils import to＿categorical

from sklearn．model＿selection import train＿test＿split

import segmentation＿models as sm

from tensorflow．keras．metrics import MeanIoU

＃％％ Import train and mask dataset

＂＂＂2＂＂＂

train＿path ＝ r＂C：UsersibrahDesktopU－Netdataset raining＿setimages．jpg＂

def importing＿data（path）：

   sample ＝ ［］

   for filename in glob．glob（path）：

       img ＝ Image．open（filename，＇r＇）

       img ＝ img．resize（（256，256））

       img ＝ np．a(chǎn)rray（img）

       sample．a(chǎn)ppend（img）  

   return sample

data＿train   ＝ importing＿data（train＿path）

data＿train ＝ np．a(chǎn)sarray（data＿train）

mask＿path ＝ r＂C：UsersibrahDesktopU－Netdataset raining＿setgtsemanticlabel＿images．png＂

def importing＿data（path）：

   sample ＝ ［］

   for filename in glob．glob（path）：

       img ＝ Image．open（filename，＇r＇）

       img ＝ img．resize（（256，256））

       img ＝ np．a(chǎn)rray（img）

       sample．a(chǎn)ppend（img）  

   return sample

data＿mask   ＝ importing＿data（mask＿path）

data＿mask  ＝ np．a(chǎn)sarray（data＿mask）

＃％％ Random visualization

x ＝ random．randint（0， len（data＿train））

plt．figure（figsize＝（24，18））

plt．subplot（1，2，1）

imshow（data＿train［x］）

plt．subplot（1，2，2）

imshow（data＿mask［x］）

plt．show（）

＃％％ Normalization

＂＂＂3＂＂＂

scaler ＝ MinMaxScaler（）

nsamples， nx， ny， nz ＝ data＿train．shape

d2＿data＿train ＝ data＿train．reshape（（nsamples，nx＊ny＊nz））

train＿images ＝ scaler．fit＿transform（d2＿data＿train）

train＿images ＝ train＿images．reshape（400，256，256，3）

＃％％ Labels of the masks

＂＂＂4＂＂＂

labels ＝ pd．read＿csv（r＂C：UsersibrahDesktopU－Netdataset raining＿setgtsemantic／class＿dict．csv＂）

labels ＝ labels．drop（［＇name＇］，axis ＝ 1）

labels ＝ np．a(chǎn)rray（labels）

def image＿labels（label）：

   image＿labels ＝ np．zeros（label．shape， dtype＝np．uint8）

   for i in range（24）：

       image＿labels ［np．a(chǎn)ll（label ＝＝ labels［i，：］，axis＝－1）］ ＝ i

   image＿labels ＝ image＿labels［：，：，0］

   return image＿labels

label＿final ＝ ［］

for i in range（data＿mask．shape［0］）：

   label ＝ image＿labels（data＿mask［i］）

   label＿final．a(chǎn)ppend（label）    

label＿final ＝ np．a(chǎn)rray（label＿final）  

＃％％ train＿test

＂＂＂5＂＂＂

n＿classes ＝ len（np．unique（label＿final））

labels＿cat ＝ to＿categorical（label＿final， num＿classes＝n＿classes）

x＿train， x＿test， y＿train， y＿test ＝ train＿test＿split（train＿images， labels＿cat， test＿size ＝ 0．20， random＿state ＝ 42）

1－導(dǎo)入庫。從architecture import multiclass＿unet＿architecture中，定義了jacard，jacard＿loss，并從上述部分導(dǎo)入。

2－6000x4000像素的RGB原始圖像和相應(yīng)標(biāo)簽的大小調(diào)整為256x256像素。

3－MinMaxScaler用于縮放RGB圖像。

4－導(dǎo)入真實(shí)標(biāo)簽。數(shù)據(jù)集中有23個標(biāo)簽，并根據(jù)像素值將標(biāo)簽分配給圖像。

5－標(biāo)簽數(shù)據(jù)集是用于分類的one－h(huán)ot編碼數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)被分離為訓(xùn)練集和測試集。

使用U－Net的語義分割（從頭開始）

＃％％ U－Net

＂＂＂6＂＂＂

img＿h(yuǎn)eight ＝ x＿train．shape［1］

img＿width  ＝ x＿train．shape［2］

img＿channels ＝ x＿train．shape［3］

metrics＝［＇accuracy＇， jacard］

def get＿model（）：

   return multiclass＿unet＿architecture（n＿classes＝n＿classes， height＝img＿h(yuǎn)eight，
                          width＝img＿width， channels＝img＿channels）

model ＝ get＿model（）

model．compile（optimizer＝＇adam＇， loss＝＇categorical＿crossentropy＇， metrics＝metrics）

model．summary（）

history ＝ model．fit（x＿train， y＿train，
                   batch＿size ＝ 16，
                   verbose＝1，
                   epochs＝100，
                   validation＿data＝（x＿test， y＿test），
                   shuffle＝False）

＃％％

＂＂＂7＂＂＂

loss ＝ history．history［＇loss＇］

val＿loss ＝ history．history［＇val＿loss＇］

epochs ＝ range（1， len（loss） ＋ 1）

plt．plot（epochs， loss， ＇y＇， label＝＇Training loss＇）

plt．plot（epochs， val＿loss， ＇r＇， label＝＇Validation loss＇）

plt．title（＇Training and validation loss＇）

plt．xlabel（＇Epochs＇）

plt．ylabel（＇Loss＇）

plt．legend（）

plt．show（）

acc ＝ history．history［＇jacard＇］

val＿acc ＝ history．history［＇val＿jacard＇］

plt．plot（epochs， acc， ＇y＇， label＝＇Training Jaccard＇）

plt．plot（epochs， val＿acc， ＇r＇， label＝＇Validation Jaccard＇）

plt．title（＇Training and validation Jacard＇）

plt．xlabel（＇Epochs＇）

plt．ylabel（＇Jaccard＇）

plt．legend（）

plt．show（）

＃％％

＂＂＂8＂＂＂

y＿pred＝model．predict（x＿test）

y＿pred＿argmax＝np．a(chǎn)rgmax（y＿pred， axis＝3）

y＿test＿argmax＝np．a(chǎn)rgmax（y＿test， axis＝3）

test＿jacard ＝ jacard（y＿test，y＿pred）

print（test＿jacard）

＃％％

＂＂＂9＂＂＂

fig， ax ＝ plt．subplots（5， 3， figsize ＝ （12，18））

for i in range（0，5）：

   test＿img＿number ＝ random．randint（0， len（x＿test））

   test＿img ＝ x＿test［test＿img＿number］

   ground＿truth＝y(tǒng)＿test＿argmax［test＿img＿number］

   test＿img＿input＝np．expand＿dims（test＿img， 0）

   prediction ＝ （model．predict（test＿img＿input））

   predicted＿img＝np．a(chǎn)rgmax（prediction， axis＝3）［0，：，：］    
   

   ax［i，0］．imshow（test＿img）

   ax［i，0］．set＿title（＂RGB Image＂，fontsize＝16）

   ax［i，1］．imshow（ground＿truth）

   ax［i，1］．set＿title（＂Ground Truth＂，fontsize＝16）

   ax［i，2］．imshow（predicted＿img）

   ax［i，2］．set＿title（＂Prediction＂，fontsize＝16）

   i＋＝i
   

plt．show（）

6－在訓(xùn)練過程中使用準(zhǔn)確度和Jaccard指數(shù)。優(yōu)化器設(shè)置為“adam”，損失設(shè)置為“categorical＿crossentropy”，因?yàn)樗�只是一個復(fù)雜的分類問題。該模型配備了這些設(shè)置。

7－val＿jaccard和訓(xùn)練過程的損失是可視化的。下圖顯示了val＿jaccard。

8－測試數(shù)據(jù)集的Jaccard系數(shù)計(jì)算為0．5532。

9－從測試數(shù)據(jù)集中選擇5幅隨機(jī)圖像，用訓(xùn)練好的算法進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如下圖所示。

基于遷移學(xué)習(xí)的U－Net語義分割

＃％％ pre－trained model

＂＂＂10＂＂＂

BACKBONE ＝ ＇resnet34＇

preprocess＿input ＝ sm．get＿preprocessing（BACKBONE）

＃ preprocess input

x＿train＿new ＝ preprocess＿input（x＿train）

x＿test＿new ＝ preprocess＿input（x＿test）

＃ define model

model＿resnet＿backbone ＝ sm．Unet（BACKBONE， encoder＿weights＝＇imagenet＇， classes＝n＿classes， activation＝＇softmax＇）

metrics＝［＇accuracy＇， jacard］

＃ compile keras model with defined optimozer， loss and metrics

＃model＿resnet＿backbone．compile（optimizer＝＇adam＇， loss＝focal＿loss， metrics＝metrics）

model＿resnet＿backbone．compile（optimizer＝＇adam＇， loss＝＇categorical＿crossentropy＇， metrics＝metrics）

print（model＿resnet＿backbone．summary（））

history＿tf＝model＿resnet＿backbone．fit（x＿train＿new，

         y＿train，

         batch＿size＝16，

         epochs＝100，

         verbose＝1，

         validation＿data＝（x＿test＿new， y＿test））

＃％％

＂＂＂11＂＂＂

history ＝ history＿tf

loss ＝ history．history［＇loss＇］

val＿loss ＝ history．history［＇val＿loss＇］

epochs ＝ range（1， len（loss） ＋ 1）

plt．plot（epochs， loss， ＇y＇， label＝＇Training loss＇）

plt．plot（epochs， val＿loss， ＇r＇， label＝＇Validation loss＇）

plt．title（＇Training and validation loss＇）

plt．xlabel（＇Epochs＇）

plt．ylabel（＇Loss＇）

plt．legend（）

plt．show（）

acc ＝ history．history［＇jacard＇］

val＿acc ＝ history．history［＇val＿jacard＇］

plt．plot（epochs， acc， ＇y＇， label＝＇Training IoU＇）

plt．plot（epochs， val＿acc， ＇r＇， label＝＇Validation IoU＇）

plt．title（＇Training and validation Jaccard＇）

plt．xlabel（＇Epochs＇）

plt．ylabel（＇Jaccard＇）

plt．legend（）

plt．show（）

＃％％

＂＂＂12＂＂＂

y＿pred＿tf＝model＿resnet＿backbone．predict（x＿test）

y＿pred＿argmax＿tf＝np．a(chǎn)rgmax（y＿pred＿tf， axis＝3）

y＿test＿argmax＿tf＝np．a(chǎn)rgmax（y＿test， axis＝3）

test＿jacard ＝ jacard（y＿test，y＿pred＿tf）

print（test＿jacard）

＃％％

＂＂＂13＂＂＂

fig， ax ＝ plt．subplots（5， 3， figsize ＝ （12，18））

for i in range（0，5）：

   test＿img＿number ＝ random．randint（0， len（x＿test））

   test＿img＿tf ＝ x＿test＿new［test＿img＿number］

   ground＿truth＿tf＝y(tǒng)＿test＿argmax＿tf［test＿img＿number］

   test＿img＿input＿tf＝np．expand＿dims（test＿img＿tf， 0）

   prediction＿tf ＝ （model＿resnet＿backbone．predict（test＿img＿input＿tf））

   predicted＿img＿transfer＿learning＝np．a(chǎn)rgmax（prediction＿tf， axis＝3）［0，：，：］  
   

   ax［i，0］．imshow（test＿img＿tf）

   ax［i，0］．set＿title（＂RGB Image＂，fontsize＝16）

   ax［i，1］．imshow（ground＿truth＿tf）

   ax［i，1］．set＿title（＂Ground Truth＂，fontsize＝16

   ax［i，2］．imshow（predicted＿img＿transfer＿learning）

   ax［i，2］．set＿title（＂Prediction（Transfer Learning）＂，fontsize＝16）

   i＋＝i
   

plt．show（）

10－使用resnet34重新準(zhǔn)備數(shù)據(jù)集。將“Adam”設(shè)置為優(yōu)化器，“categorical＿crossentropy”設(shè)置為損失函數(shù)，并對模型進(jìn)行訓(xùn)練。

11－val＿jaccard和訓(xùn)練過程的丟失是可視化的。下圖展示了val＿jaccard。

12－測試數(shù)據(jù)集的Jaccard索引值計(jì)算為0．6545。

13－從測試數(shù)據(jù)集中選擇5幅隨機(jī)圖像，用訓(xùn)練好的算法進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如下圖所示。

結(jié)論

本文提出了一種基于U－Net的衛(wèi)星圖像語義分割方法，該方法是為生物醫(yī)學(xué)圖像分割而開發(fā)的。

本研究考慮了兩種主要方法。第一種方法涉及使用從頭開始的實(shí)現(xiàn)來訓(xùn)練配置的u－net模型。第二種方法涉及使用遷移學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練模型，即預(yù)訓(xùn)練權(quán)重。

在實(shí)現(xiàn)部分，對相應(yīng)的帶有真實(shí)標(biāo)簽的圖像進(jìn)行one－h(huán)ot編碼，并對模型進(jìn)行分類訓(xùn)練。Jaccard系數(shù)作為度量。

＂＂＂14＂＂＂

fig， ax ＝ plt．subplots（5， 4， figsize ＝ （16，20））

for i in range（0，5）：

   test＿img＿number ＝ random．randint（0， len（x＿test））
   

   test＿img ＝ x＿test［test＿img＿number］

   ground＿truth＝y(tǒng)＿test＿argmax［test＿img＿number］

   test＿img＿input＝np．expand＿dims（test＿img， 0）

   prediction ＝ （model．predict（test＿img＿input））

   predicted＿img＝np．a(chǎn)rgmax（prediction， axis＝3）［0，：，：］    
   

   test＿img＿tf ＝ x＿test＿new［test＿img＿number］

   ground＿truth＿tf＝y(tǒng)＿test＿argmax＿tf［test＿img＿number］

   test＿img＿input＿tf＝np．expand＿dims（test＿img＿tf， 0）

   prediction＿tf ＝ （model＿resnet＿backbone．predict（test＿img＿input＿tf））

   predicted＿img＿transfer＿learning＝np．a(chǎn)rgmax（prediction＿tf， axis＝3）［0，：，：］  
   

   ax［i，0］．imshow（test＿img＿tf）

   ax［i，0］．set＿title（＂RGB Image＂，fontsize＝16）

   ax［i，1］．imshow（ground＿truth＿tf）

   ax［i，1］．set＿title（＂Ground Truth＂，fontsize＝16）

   ax［i，2］．imshow（predicted＿img）

   ax［i，2］．set＿title（＂Prediction＂，fontsize＝16）

   ax［i，3］．imshow（predicted＿img＿transfer＿learning）

   ax［i，3］．set＿title（＂Prediction Transfer Learning＂，fontsize＝16）
   

   i＋＝i  

plt．show（）

調(diào)整大小并不推薦，因?yàn)榉指畈僮髦械拇笮「�改會出現(xiàn)不希望的偏移，但由于計(jì)算復(fù)雜性，數(shù)據(jù)集從6000x4000調(diào)整為256x256。因此，模型的成功率極低。防止這種情況的一些主要措施是使用高分辨率數(shù)據(jù)集和／或使用修補(bǔ)。

使用調(diào)整大小的數(shù)據(jù)集，評估了兩種不同的方法，結(jié)果如圖8所示。從Jaccard索引值來看，遷移學(xué)習(xí)方法得到的值為0．6545，而scratch構(gòu)建模型得到的值為0．5532。可以看出，使用預(yù)訓(xùn)練模型得到的分割過程更為成功。

在以后的文章中，不同的編碼方法將涵蓋不同的方法。

參考引用

O． Ronneberger， P． Fischer， and T． Brox， “LNCS 9351 — U－Net： Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation，” 2015， doi： 10．1007／978–3–319–24574–4＿28．

A． Arnab et al．， “Conditional Random Fields Meet Deep Neural Networks for Semantic Segmentation，” IEEE Signal Process． Mag．， vol． XX， 2018．

J． Y． C． Chen， G． F． Eds， and G． Goos， 2020＿Book＿VirtualAugmentedAndMixedReality． 2020．

J． Maurya， R． Hebbalaguppe， and P． Gupta， “Real－Time Hand Segmentation on Frugal Head－mounted Device for Gestural Interface，” Proc． — Int． Conf． Image Process． ICIP， pp． 4023–4027， 2018， doi： 10．1109／ICIP．2018．8451213.

       原文標(biāo)題 : 使用U-Net方法對航空圖像進(jìn)行語義分割