Pytorch的基本使用&&語義分割算法講解

先從最簡單的語義分割基礎與開發(fā)環(huán)境搭建開始講解。

二、語義分割
語義分割是什么？

語義分割（semantic segmentation） : 就是按照“語義”給圖像上目標類別中的每一點打一個標簽，使得不同種類的東西在圖像上被區(qū)分開來。可以理解成像素級別的分類任務，直白點，就是對每個像素點進行分類。

簡而言之，我們的目標是給定一幅RGB彩色圖像（高x寬x3）或一幅灰度圖像（高x寬x1），輸出一個分割圖譜，其中包括每個像素的類別標注（高x寬x1）。具體如下圖所示：

注意：為了視覺上清晰，上面的預測圖是一個低分辨率的圖。在實際應用中，分割標注的分辨率需要與原始圖像的分辨率相同。

這里對圖片分為五類：Person（人）、Purse（包）、Plants/Grass（植物/草）、Sidewalk（人行道）、Building/Structures（建筑物）。

與標準分類值（standard categorical values）的做法相似，這里也是創(chuàng)建一個one-hot編碼的目標類別標注——本質上即為每個類別創(chuàng)建一個輸出通道。因為上圖有5個類別，所以網(wǎng)絡輸出的通道數(shù)也為5，如下圖所示：

如上圖所示，預測的結果可以通過對每個像素在深度上求argmax的方式被整合到一張分割圖中。進而，我們可以輕松地通過重疊的方式觀察到每個目標。

argmax的方式也很好理解。如上圖所示，每個通道只有0或1，以Person的通道為例，紅色的1表示為Person的像素，其他像素均為0。其他通道也是如此，并且不存在同一個像素點在兩個以上的通道均為1的情況。因此，通過argmax就找到每個像素點的最大索引通道值。最終得到結果為：

當只有一層通道被重疊至原始圖像時，我們稱之為mask，即只指示某一特定類別所存在的區(qū)域。

高分辨率的結果如下圖所示，不同的顏色代表不同的類別：

三、數(shù)據(jù)集
常見的語義分割算法屬于有監(jiān)督學習，因此標注好的數(shù)據(jù)集必不可少。

公開的語義分割數(shù)據(jù)集有很多，目前學術界主要有三個benchmark（數(shù)據(jù)集）用于模型訓練和測試。

第一個常用的數(shù)據(jù)集是Pascal VOC系列。這個系列中目前較流行的是VOC2012，Pascal Context等類似的數(shù)據(jù)集也有用到。

第二個常用的數(shù)據(jù)集是Microsoft COCO。COCO一共有80個類別，雖然有很詳細的像素級別的標注，但是官方?jīng)]有專門對語義分割的評測。這個數(shù)據(jù)集主要用于實例級別的分割以及圖片描述。所以COCO數(shù)據(jù)集往往被當成是額外的訓練數(shù)據(jù)集用于模型的訓練。

第三個數(shù)據(jù)集是輔助駕駛（自動駕駛）環(huán)境的Cityscapes，使用比較常見的19個類別用于評測。

可以用于語義分割訓練的數(shù)據(jù)集有很多：

Pascal Voc 2012：比較常見的物體分類，共21個類別；
MS COCO：由微軟贊助，幾乎成為了圖像語義理解算法性能評價的“標準”數(shù)據(jù)集，共80個類別；
Cityscapes：包含50個歐洲城市不同場景、不同背景、不同季節(jié)的街景的33類標注物體；
Pascal-Context：對于PASCAL-VOC 2010識別競賽的擴展，共59個類別；
KITTI：用于移動機器人及自動駕駛研究的最受歡迎的數(shù)據(jù)集之一，共11個類別；
NYUDv2：2.5維數(shù)據(jù)集，它包含1449張由微軟Kinect設備捕獲的室內(nèi)的RGB-D圖像；
SUN-RGBD：由四個RGB-D傳感器得來，包含10000張RGB-D圖像，尺寸與PASCAL VOC一致；
ADE20K_MIT：一個場景理解的新的數(shù)據(jù)集，這個數(shù)據(jù)集是可以免費下載的，共151個類別。
數(shù)據(jù)集有很多，本系列教程不局限于具體數(shù)據(jù)集，可能也會用到Kaggle比賽之類的數(shù)據(jù)集，具體每個數(shù)據(jù)集怎么處理，數(shù)據(jù)集的格式是什么樣的，后續(xù)文章用到什么數(shù)據(jù)集會具體講解。

四、GPU機器
對于語義分割任務，有個帶有高端GPU顯卡的機器還是非常有必要的，如果沒有，訓練收斂會很慢。

最佳的開發(fā)環(huán)境為Linux，因為在公司的日常工作，基本都是使用Linux云服務器進行模型開發(fā)的工作，提前適應Linux操作系統(tǒng)還是有好處的。

對于學生黨，如果實驗室是做深度學習方向研究的，并且資源完備，那么GPU服務器應該還是能有的，對于GPU服務器的問題不用愁。

但可能由于條件限制，實驗室沒有配備GPU服務器，還想學習深度學習相關的知識，有三種方法：

1、免費云服務器Google Colab
勉強可以一用的是Google Colab，它是一個Google提供的免費GPU服務器，提供的GPU算力還算可以，但是它的主要問題在于需要翻墻和存儲空間小，Google Colab的存儲空間是通過掛載Google Drive得到的，Google Drive只提供15G的免費存儲空間，想要擴展空間，還是需要花錢的。

想使用免費云服務器Google Colab的，可以自行百度教程。

2、阿里云付費GPU云服務器
阿里云提供GPU云服務器資源，有兩種付費模式：包月和按流量付費。有P4服務器，甚至吊炸天的V100服務器。性能強勁，價格也很感人，兩個字形容就是很貴，個人使用者并不推薦購買。除了阿里云提供GPU云服務，騰訊、百度、華為都有相應的服務，但是都很貴。

3、配置一臺電腦主機
可以自己配置一臺臺式主機，也算是對自己的一種投資。配置一臺不錯的，可以用于深度學習訓練的主機需要6000元左右。

深度學習的訓練很依賴顯卡的性能，因此需要配置一個較好的N卡，也就是NVIDIA的顯卡，選顯卡的技巧就是看下顯卡天梯圖：

這個顯卡天梯圖主要包括的是市面常用的顯卡排名，不包括類似V100這樣的價格上10萬的顯卡。

天梯圖，越靠上，顯卡的性能越高，不要選擇右側的AMD顯卡，雖然性能好，但A卡是不支持CUDA的。

根據(jù)自己的預算，選擇顯卡，顯卡的顯存盡量選擇8G以上的，深度學習模型訓練很吃顯存資源。

本人買了微星的RTX 2060 Super，買時的價格是3399元，顯卡很不保值，價格會隨時間越來越低。

配置電腦其實能寫很多，比如CPU、電腦主板、電源、內(nèi)存、散熱器的選擇等，這里就不擴展了。沒有精力自己組裝臺式機的，可以直接買配備相應顯卡的臺式機，但價格相對自己組裝的臺式機，價格會貴一些。

五、開發(fā)環(huán)境搭建
有條件的，推薦使用Ubuntu系統(tǒng)配置開發(fā)環(huán)境，Ubuntu是Linux的一個發(fā)行版之一，適合新手，界面友好，操作簡單。

由于本人購買的電腦主板，不支持Linux架構的系統(tǒng)安裝，因此后續(xù)會以Windows作為開發(fā)環(huán)境，但這并不影響算法原理與代碼的講解。

本人的臺式機配置情況：

CPU：Intel i7 9700k

顯卡：RTX 2060 Super

系統(tǒng)：Windows 10

安裝好Windows系統(tǒng)和必要的驅動后，需要安裝的工具有：CUDA、Anaconda3、cuDNN、Pytorch-gpu、Fluent Terminal（可選）。

1、CUDA
CUDA，是顯卡廠商NVIDIA推出的運算平臺。我們需要根據(jù)自己顯卡的型號選擇支持的CUDA版本，例如RTX 2060 Super支持CUDA 10，下載地址：點擊查看

傻瓜式安裝，很簡單。

安裝好后，需要再配置下系統(tǒng)的環(huán)境變量，電腦->鼠標右鍵->屬性->高級系統(tǒng)設置->環(huán)境變量->Path：

添加自己的NVSMI路徑到環(huán)境變量中，我采用的是默認安裝地址：

配置好后，就可以在cmd中使用nvidia-smi指令查看顯卡了。

2、Anaconda3
Anaconda是Python的包管理器和環(huán)境管理器，可以方便我們安裝Python的第三方庫。

下載地址：點擊查看

選擇Python 3.7的版本，安裝也很簡單，傻瓜式下一步即可。

安裝好后，需要添加系統(tǒng)環(huán)境變量，方法與安裝CUDA時一樣：

D:\Anaconda D:\Anaconda\Scripts

路徑改為自己安裝的Anaconda路徑即可。

配置好后，在cmd中運行conda -V沒有報錯，有版本信息輸出，說明配置成功。

3、cuDNN和Pytorch安裝
cuDNN是用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的GPU加速庫。它強調(diào)性能、易用性和低內(nèi)存開銷。

安裝好Anaconda之后，可以使用conda安裝cuDNN和Pytorch。

打開Anaconda Prompt，這是Anaconda自帶的命令行工具，先一定要用這個工具創(chuàng)建環(huán)境，直接用系統(tǒng)自帶的cmd，可能遇到一些奇怪的問題，例如CondaHTTPError的錯誤。在Anaconda Prompt中輸入：

conda create -n your_name jupyter notebook

這句話的意思是創(chuàng)建一個名字為your_name的虛擬環(huán)境，并且這個虛擬環(huán)境額外安裝jupyter notebook第三方庫。可以將your_name改為你自己喜歡的名字，這個名字是你的虛擬環(huán)境的名字，自己隨便取，比如jack。

隨后，輸入y進行安裝：

安裝好后，可以通過指令conda info -e查看已有環(huán)境情況。

從上圖可以看到，有兩個環(huán)境，一個是base，自帶的基礎環(huán)境，另一個是我們新創(chuàng)建的名為jack的環(huán)境。新建環(huán)境的原因是，我們可以分開管理我們配置的環(huán)境。

安裝好環(huán)境后，我們就可以激活jack環(huán)境，并安裝cuDNN和GPU版的Pytorch了。激活名為jack的環(huán)境：

activate jack

可以看到，我們的環(huán)境由base變成了jack。在jack環(huán)境中安裝cuDNN：

conda install cudnn

安裝cuDNN好后，安裝Pytorch，打開Pytorch官網(wǎng)：點擊查看

根據(jù)自己的環(huán)境選擇，選擇好后，網(wǎng)頁會自動給出需要運行的指令。這里可能需要區(qū)分下Python的版本和CUDA的版本。

Python版本查看方法：直接在命令行中輸入python，會看到Python的版本。

CUDA版本查看方法，在命令行中輸入nvidia-smi：

確定好版本后，就可以通過Pytorch官網(wǎng)提供的指令安裝GPU版本的Pytorch了。

至此，基礎的環(huán)境搭建已經(jīng)完成，恭喜。

4、Fluent Terminal
基礎環(huán)境配好了，正常使用已經(jīng)夠了。

但是追求顏值的人，可能會覺得，Windows自帶的命令行工具和Anaconda提供的命令行工具都太丑了。

有沒有好看，又好用的Terminal？答案是有的，不過需要自己配置，并且還有一些坑需要慢慢踩。

例如Fluent Terminal，它是現(xiàn)代的、也是我比較推薦的終端工具。它是專屬于 Windows 平臺，并利用UWP技術打造的顏值超高的終端模擬器。先看下顏值：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Pytorch深度学习实战教程（一）：语义分割基础与环境搭建的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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