内容简介
本项目讲述了HRNet网络结构，并尝试使用PaddleSeg中HRNet网络实现瓷砖缺陷检测
PaddleSeg GitHub：
https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSeg
本文包含以下4部分内容：
下载安装命令
## CPU版本安装命令
pip install -f https://paddlepaddle.org.cn/pip/oschina/cpu paddlepaddle
## GPU版本安装命令
pip install -f https://paddlepaddle.org.cn/pip/oschina/gpu paddlepaddle-gpu
PaddleSeg介绍
PaddleSeg是基于PaddlePaddle开发的图像分割开发套件，覆盖了DeepLabv3+、U-Net、ICNet、PSPNet、HRNet、Fast-SCNN等主流分割网络。通过模块化的设计，以配置化方式驱动模型组合，帮助开发者更便捷地完成从训练到部署的全流程图像分割应用。
PaddleSeg产品特点：
1. 丰富的数据增强：基于百度视觉技术部的实际业务经验，内置10+种数据增强策略，可结合实际业务场景进行定制组合，提升模型泛化能力和鲁棒性。
2. 模块化设计：支持DeepLabv3+、U-Net、ICNet、PSPNet、HRNet、Fast-SCNN六种主流分割网络，结合预训练模型和可调节的骨干网络，满足不同性能和精度的要求；选择不同的损失函数如Dice Loss, Lovasz Loss等方式可以强化小目标和不均衡样本场景下的分割精度。
3. 高性能：PaddleSeg支持多进程I/O、多卡并行等训练加速策略，结合飞桨核心框架的显存优化功能，可大幅度减少分割模型的显存开销，让开发者更低成本、更高效地完成图像分割训练。
4. 工业级部署：全面提供服务端和移动端的工业级部署能力，依托飞桨高性能推理引擎和高性能图像处理实现，开发者可以轻松完成高性能的分割模型部署和集成。通过Paddle-Lite，可以在移动设备或者嵌入式设备上完成轻量级、高性能的人像分割模型部署。
5. 产业实践案例：PaddleSeg提供丰富地产业实践案例，如人像分割、工业表计检测、遥感分割、人体解析，工业质检等产业实践案例，助力开发者更便捷地落地图像分割技术。
HRNet网络分析
论文名称：
High-Resolution Representations for Labeling Pixels and Regions
下载地址：
https://arxiv.org/pdf/1904.04514.pdf
网络整体结构：
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如上图所示HRNet有四个并行的分支，包含三次下采样过程。值得注意的是，上图中的输入是以原始输入的1/4开始的，即先经历了2次步长为2的3×3卷积。
HRNet网络结构特点：
从网络整体结构可以看出，每次产生低分辨率特征图之后，原有的高分辨特征还会参与到后续的卷积过程，因此产生了并行的不同分辨率的特征图。
图中的直箭头代表残差单元，残差单元由4个残差卷积（1×1、3×3、1×1）构成。
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每经过4个残差单元之后会进行一次不同分辨率的特征融合。低分辨率上采样与高分辨率融合，高分辨率下采样与低分辨率融合，最终形成类似于全连接形式的特征融合过程。
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如下图所示，解码过程显得很轻巧，将四个阶段产生的不同分辨率的特征图直接上采样至输入的1/4，经过1次1*1卷积整合各通道的信息，然后进行预测分类，最后上采样至原图大小进行损失计算。
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关键性代码：
以下展示了网络搭建过程中重要的方法及注释。
#获取各阶段的通道数{18,36,72，144}
channels_2 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE2.NUM_CHANNELS
channels_3 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE3.NUM_CHANNELS
channels_4 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE4.NUM_CHANNELS
#获取各阶段残差单元的循环次数{1,4,3}
num_modules_2 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE2.NUM_MODULES
num_modules_3 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE3.NUM_MODULES
num_modules_4 = cfg.MODEL.HRNET.STAGE4.NUM_MODULES
#步长为2的跨步卷积 f=3*3
x = conv_bn_layer(input=input,filter_size=3,num_filters=64,stride=2,if_act=True,name='layer1_1')
#步长为2的跨步卷积 f=3*3
x = conv_bn_layer(input=x,filter_size=3,num_filters=64,stride=2,if_act=True,name='layer1_2')
#执行1个残差单元
la1 = layer1(x, name='layer2')
#根据输入中最低分辨率特征图生成低分辨率特征图，并规范特征图的通道数
tr1 = transition_layer([la1], [256], channels_2, name='tr1')
#执行4次残差卷积，并在每次残差单元结束时进行特征融合
st2 = stage(tr1, num_modules_2, channels_2, name='st2')
#根据输入中最低分辨率特征图生成低分辨率特征图，并规范特征图的通道数
tr2 = transition_layer(st2, channels_2, channels_3, name='tr2')
#执行3次残差卷积，并在每次残差单元结束时进行特征融合
st3 = stage(tr2, num_modules_3, channels_3, name='st3')
#根据输入中最低分辨率特征图生成低分辨率特征图，并规范特征图的通道数
tr3 = transition_layer(st3, channels_3, channels_4, name='tr3')
#执行1次残差卷积，并在每次残差单元结束时进行特征融合
st4 = stage(tr3, num_modules_4, channels_4, name='st4')
shape = st4[0].shape
##获取st4[0]宽高，并进行双线性插值
height, width = shape[-2], shape[-1]
st4[1] = fluid.layers.resize_bilinear(st4[1], out_shape=[height, width])
st4[2] = fluid.layers.resize_bilinear(st4[2], out_shape=[height, width])
st4[3] = fluid.layers.resize_bilinear(st4[3], out_shape=[height, width])
#特征通道合并
out = fluid.layers.concat(st4, axis=1)
#求总通道数
last_channels = sum(channels_4)
#使用1*1卷积进行跨通道的特征融合
out = conv_bn_layer(input=out,filter_size=1,num_filters=last_channels,stride=1,if_act=True,name='conv-2')
#使用1*1卷积进行最后的像素分类
out = fluid.layers.conv2d(input=out,num_filters=num_classes,filter_size=1,stride=1,padding=0,act=None,
param_attr=ParamAttr(initializer=MSRA(), name='conv-1_weights'),bias_attr=False)
#恢复至网络输入的大小
out = fluid.layers.resize_bilinear(out, input.shape[2:])
网络的整理流程与细节如下所示：
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网络过程中特征的维度变化如下所示：
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基于PaddleSeg使用HRNet进行瓷砖缺陷检测
1. 数据准备
-
表面缺陷检测是筛选不合格产品的核心过程，但该过程很少能自动完成。
-
据记载，在世界上最大的瓷砖生产基地浙江省的瓷砖厂，有近3/4的工人在检查产品质量。
-
为了减轻人类的劳动强度，已经提出了许多图像处理技术来尝试这样的检查任务。
-
瓷砖的自动损伤检测存在纹理复杂、缺陷形状多样、瓷砖光照条件随机性等几个瓶颈问题。
-
目标缺陷如气孔、裂纹、断裂、磨损如图所示。
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2. 环境搭建
环境要求：
PaddlePaddle >= 1.7.0
Python >= 3.5+
由于图像分割模型计算开销大，推荐在GPU版本的PaddlePaddle下使用PaddleSeg
pip install -U paddlepaddle-gpu
安装过程
安装PaddleSeg套件：
git clone https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSeg
安装PaddleSeg依赖：
cd PaddleSeg
pip install -r requirements.txt
3. 标签数据
PaddleSeg采用单通道的标注图片，每一种像素值代表一种类别，像素标注类别需要从0开始递增，例如0，1，2，3表示有4种类别。3. 标签数据
NOTE:
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标注图像请使用PNG无损压缩格式的图片，标注类别最多为256类。
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PaddleSeg支持灰度标注同时也支持伪彩色标注。
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PaddleSeg支持灰度标注转换为伪彩色标注，如需转换成伪彩色标注图，可使用PaddleSeg自带的的转换工具
4. 模型选择参数配置
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模型选择：根据自己的需求选择合适的模型进行训练。本文选择HRNet-W18作为训练模型。
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预训练模型：
pretrained_model/download_model.py中提供了相应的预训练模型下载地址，可以根据自己的需求在其中寻找相应的预训练模型，如不存在，可以按照同样的格式添加对应的模型名称与下载地址。
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参数配置：参数由config.py和hrnet_Magnetic.yaml共同决定，.yaml文件的优先级高于config.py 。
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常用参数配置详细说明：
STAGE2:
NUM_CHANNELS: [18, 36]
STAGE3:
NUM_CHANNELS: [18, 36, 72]
STAGE4:
NUM_CHANNELS: [18, 36, 72, 144]
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MULTI_LOSS_WEIGHT：模型输出权重配置
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TRAIN_CROP_SIZE：训练时输入数据大小
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EVAL_CROP_SIZE：测试时输入数据大小
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BATCH_SIZE：输入网络中的BATCH_SIZE，需要适配显存
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SNAPSHOT_EPOCH： 阶段性保存EPOCH
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NUM_EPOCHS：总的训练轮数
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LOSS：损失函数类别
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LR：学习率
5. 参数校验
在开始训练和评估之前，对配置和数据进行一次校验，确保数据和配置是正确的。使用下述命令启动校验流程：
python pdseg/check.py --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml
6. 模型训练
本次项目中设置的是阶段性模型评估，同时保存评估结果最好的模型参数在下述目录：
PaddleSeg/saved_model/unet_optic/best_model
best_model文件夹下包含ppcls.pdmodel、ppcls.pdopt、ppcls.pdparams三个文件用来进行后续的评估推理使用。
python pdseg/train.py --use_gpu --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml --do_eval
7. 模型评估
python pdseg/train.py --use_gpu --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml --do_eval
[EVAL]#image=81 acc=0.9853 IoU=0.8434
[EVAL]Category IoU: [0.9842 0.7891 0.8468 0.7010 0.9258 0.8136]
[EVAL]Category Acc: [0.9927 0.8871 0.9407 0.9106 0.9597 0.8829]
[EVAL]Kappa:0.9037
8. 结果可视化
python pdseg/vis.py --use_gpu --cfg ./configs/hrnet_Magnetic.yaml
得到可视化结果之后，可以使用如下代码展示可视化结果：
import matplotlib.pyplot as plt
import os
import cv2
# 定义显示函数
def display(img_name):
image_dir = os.path.join("./dataset/Magnetic/images", img_name.split(".")[0]+".jpg")
label_dir = os.path.join("./dataset/Magnetic/color",img_name)
mask_dir = os.path.join("./visual", img_name)
img_dir = [image_dir, label_dir, mask_dir]
plt.figure(figsize=(15, 15))
title = ['Image', 'label', 'Predict']
for i in range(len(title)):
plt.subplot(1, len(title), i+1)
plt.title(title[i])
if i==0:
img_rgb = cv2.imread(img_dir[i])
else:
img = cv2.imread(img_dir[i])
b,g,r = cv2.split(img)
img_rgb = cv2.merge([r,g,b])
plt.imshow(img_rgb)
plt.axis('off')
plt.show()
# 注：第一次运行可能无法显示，再运行一次即可。
img_list=os.listdir("./visual")
for img_name in img_list:
display(img_name)
输出结果如下所示：
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心得体会
本项目详细介绍了HRNet网络关键性技术点，最后使用基于飞桨开源深度学习框架的图像分割套件PaddleSeg，在AI Studio上完成了数据处理、模型训练、模型评估等工作。PaddleSeg套件让图像分割技术变得更为简单便捷，降低了开发者的上手难度。
在此强烈安利AI Studio。AI Studio是基于百度深度学习平台飞桨的人工智能学习与实训社区，提供在线编程环境、免费GPU算力、海量开源算法和开放数据，帮助开发者快速创建和部署模型。对于像笔者一样没有硬件条件的学习者是一个很大的助力。
下载安装命令
## CPU版本安装命令
pip install -f https://paddlepaddle.org.cn/pip/oschina/cpu paddlepaddle
## GPU版本安装命令
pip install -f https://paddlepaddle.org.cn/pip/oschina/gpu paddlepaddle-gpu
