PyTorch 2.0 チュートリアル : 画像と動画 : TorchVision 物体検出再調整チュートリアル (翻訳/解説)
翻訳 : (株)クラスキャット セールスインフォメーション
作成日時 : 05/01/2023 (2.0.0)
* 本ページは、PyTorch 2.0 Tutorials の以下のページを翻訳した上で適宜、補足説明したものです：
- Image and Video : TorchVision Object Detection Finetuning Tutorial
* サンプルコードの動作確認はしておりますが、必要な場合には適宜、追加改変しています。
* ご自由にリンクを張って頂いてかまいませんが、sales-info@classcat.com までご一報いただけると嬉しいです。
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PyTorch 2.0 チュートリアル : 画像と動画 : TorchVision 物体検出再調整チュートリアル
このチュートリアルのために、歩行者検出とセグメンテーション用の Penn-Fudan データベース で事前訓練済みの Mask R-CNN モデルを再調整していきます。それは歩行者の 345 インスタンスを含む 170 画像を持ち、そしてそれを使用してカスタムデータセット上でインスタンス・セグメンテーションモデルを訓練するために torchvision の新しい特徴をどのように使用するかを示します。
データセットを定義する
物体検出、インスタンス・セグメンテーションと人物キーポイント検出のための参照スクリプトは新しいカスタムデータセットの追加を容易にサポートすることを可能にします。データセットは標準的な torch.utils.data.Dataset クラスを継承して、__len__ と __getitem__ を実装する必要があります。
必要な特別な事は dataset __getitem__ は以下を返す必要があるということだけです :
- image: サイズ (H, W) の PIL 画像
- target: 以下のフィールドを含む辞書
- boxes (FloatTensor[N, 4]): 0 から W と 0 から H の範囲の [x0, y0, x1, y1] 形式の N 個の境界ボックスの座標
- labels (Int64Tensor[N]): 各境界ボックスのラベル。0 は常に背景 (= background) クラスを表します。
- image_id (Int64Tensor[1]): 画像識別子。それはデータセットの総ての画像の間で一意である必要があり、評価中に使用されます。
- area (Tensor[N]): 境界ボックスの領域。これはスモール、ミディアムとラージボックスの間のメトリック・スコアを分けるために、COCO メトリックによる評価中に使用されます。
- iscrowd (UInt8Tensor[N]): iscrowd=True を持つインスタンスは評価中は無視されます。
- (オプション) masks (UInt8Tensor[N, H, W]): オブジェクトの各一つ用のセグメンテーションマスク
- (オプション) keypoints (FloatTensor[N, K, 3]): N オブジェクトの各一つについて、それは [x, y, visibility] 形式で K キーポイントを含み、オブジェクトを定義します。visibility=0 はキーポイントが可視ではないことを意味します。データ増強について、キーポイントの反転の考えはデータ表現に依存することに注意してください、そして新しいキーポイント表現のために references/detection/transforms.py を多分適応させる必要があります。
もし貴方のモデルが上のメソッドを返すのであれば、それらは訓練と評価の両方のためにそれ (モデル) を動作させるでしょう、そして pycocotools からの評価スクリプトを使用します、これは “pip install pycocotools” でインストールできます。
ラベルについての一つのノート。モデルはクラス 0 を背景として考えます。貴方のデータセットが背景クラスを含まない場合、ラベルに 0 を持つべきではありません。例えば、単に 2 つのクラス、猫と犬を持つと仮定すると、猫を表すために (0 ではない) 1 を、そして犬を表すために 2 を定義できます。そして例えば、画像の一つが両方のクラスを持つ場合、ラベル・テンソルは [1, 2] のようなものである必要があります。
更に、訓練中にアスペクト比のグループ分けを使用することを望む場合 (その結果各バッチは類似のアスペクト比を持つ画像だけを含みます)、get_height_and_width メソッドも実装することも勧められます、これは画像の高さと幅を返します。このメソッドが提供されない場合、__getitem__ を通してデータセットの総ての要素を問い合わせます、これは画像をメモリにロードしてカスタムメソッドが提供される場合よりも遅いです。
PennFudan のためにカスタムデータセットを書く
PennFudan データセットのためのデータセットを書きましょう。zip ファイルをダウンロードして展開 した後、次のフォルダー構造を持ちます :
PennFudanPed/
PedMasks/
FudanPed00001_mask.png
FudanPed00002_mask.png
FudanPed00003_mask.png
FudanPed00004_mask.png
...
PNGImages/
FudanPed00001.png
FudanPed00002.png
FudanPed00003.png
FudanPed00004.png
ここに画像とセグメンテーション・マスクのペアの一つのサンプルがあります :
そして各画像は対応するセグメンテーション・マスクを持ち、そこでは各カラーは異なるインスタンスに対応します。このデータセットのための torch.utils.data.Dataset クラスを書きましょう。
import os
import numpy as np
import torch
from PIL import Image
class PennFudanDataset(torch.utils.data.Dataset):
def __init__(self, root, transforms):
self.root = root
self.transforms = transforms
# load all image files, sorting them to
# ensure that they are aligned
self.imgs = list(sorted(os.listdir(os.path.join(root, "PNGImages"))))
self.masks = list(sorted(os.listdir(os.path.join(root, "PedMasks"))))
def __getitem__(self, idx):
# load images and masks
img_path = os.path.join(self.root, "PNGImages", self.imgs[idx])
mask_path = os.path.join(self.root, "PedMasks", self.masks[idx])
img = Image.open(img_path).convert("RGB")
# note that we haven't converted the mask to RGB,
# because each color corresponds to a different instance
# with 0 being background
mask = Image.open(mask_path)
# convert the PIL Image into a numpy array
mask = np.array(mask)
# instances are encoded as different colors
obj_ids = np.unique(mask)
# first id is the background, so remove it
obj_ids = obj_ids[1:]
# split the color-encoded mask into a set
# of binary masks
masks = mask == obj_ids[:, None, None]
# get bounding box coordinates for each mask
num_objs = len(obj_ids)
boxes = []
for i in range(num_objs):
pos = np.where(masks[i])
xmin = np.min(pos[1])
xmax = np.max(pos[1])
ymin = np.min(pos[0])
ymax = np.max(pos[0])
boxes.append([xmin, ymin, xmax, ymax])
# convert everything into a torch.Tensor
boxes = torch.as_tensor(boxes, dtype=torch.float32)
# there is only one class
labels = torch.ones((num_objs,), dtype=torch.int64)
masks = torch.as_tensor(masks, dtype=torch.uint8)
image_id = torch.tensor([idx])
area = (boxes[:, 3] - boxes[:, 1]) * (boxes[:, 2] - boxes[:, 0])
# suppose all instances are not crowd
iscrowd = torch.zeros((num_objs,), dtype=torch.int64)
target = {}
target["boxes"] = boxes
target["labels"] = labels
target["masks"] = masks
target["image_id"] = image_id
target["area"] = area
target["iscrowd"] = iscrowd
if self.transforms is not None:
img, target = self.transforms(img, target)
return img, target
def __len__(self):
return len(self.imgs)
これがデータセットのための総てです。次にこのデータセット上で予測を実行できるモデルを定義しましょう。
モデルを定義する
このチュートリアルでは、Mask R-CNN を使用していきます、これは Faster R-CNN を基にしています。Faster R-CNN は画像の可能性のあるオブジェクトのために境界ボックスとクラス・スコアの両方を予測するモデルです。
Mask R-CNN は Faster R-CNN に特別な支流 (= branch) を追加します、これはまた各インスタンスのためにセグメンテーション・マスクを予測します。
2 つの一般的な状況があります、そこでは torchvision modelzoo で利用可能なモデルの一つを変更することを望むかもしれません。最初のものは事前訓練されたモデルから始めて、最後の層だけを再調整することを望む場合です。他方は (例えば、より高速な予測のために) モデルのバックボーンを異なるもので置き換えることを望む場合です。
以下のセクションで一つあるいはもう一つをどのように行なうかを見て行きましょう。
1 – 事前訓練済みモデルから再調整する
COCO 上で事前訓練されたモデルから始めることを望み、そして貴方の特定のクラスのためにそれを再調整することを望むと仮定しましょう。ここにそれを行なう可能な方法があります :
import torchvision
from torchvision.models.detection.faster_rcnn import FastRCNNPredictor
# load a model pre-trained on COCO
model = torchvision.models.detection.fasterrcnn_resnet50_fpn(weights="DEFAULT")
# replace the classifier with a new one, that has
# num_classes which is user-defined
num_classes = 2 # 1 class (person) + background
# get number of input features for the classifier
in_features = model.roi_heads.box_predictor.cls_score.in_features
# replace the pre-trained head with a new one
model.roi_heads.box_predictor = FastRCNNPredictor(in_features, num_classes)
2 – 異なるバックボーンを追加するためにモデルを変更する
import torchvision
from torchvision.models.detection import FasterRCNN
from torchvision.models.detection.rpn import AnchorGenerator
# load a pre-trained model for classification and return
# only the features
backbone = torchvision.models.mobilenet_v2(weights="DEFAULT").features
# FasterRCNN needs to know the number of
# output channels in a backbone. For mobilenet_v2, it's 1280
# so we need to add it here
backbone.out_channels = 1280
# let's make the RPN generate 5 x 3 anchors per spatial
# location, with 5 different sizes and 3 different aspect
# ratios. We have a Tuple[Tuple[int]] because each feature
# map could potentially have different sizes and
# aspect ratios
anchor_generator = AnchorGenerator(sizes=((32, 64, 128, 256, 512),),
aspect_ratios=((0.5, 1.0, 2.0),))
# let's define what are the feature maps that we will
# use to perform the region of interest cropping, as well as
# the size of the crop after rescaling.
# if your backbone returns a Tensor, featmap_names is expected to
# be [0]. More generally, the backbone should return an
# OrderedDict[Tensor], and in featmap_names you can choose which
# feature maps to use.
roi_pooler = torchvision.ops.MultiScaleRoIAlign(featmap_names=['0'],
output_size=7,
sampling_ratio=2)
# put the pieces together inside a FasterRCNN model
model = FasterRCNN(backbone,
num_classes=2,
rpn_anchor_generator=anchor_generator,
box_roi_pool=roi_pooler)
PennFudan データセットのためのインスタンスセグメンテーション・モデル
私達のケースでは、データセットが非常に小さいことを考えて、事前訓練済みモデルから再調整することを望みますので、アプローチ No. 1 に従っていきます。
ここでまたインスタンスセグメンテーション・マスクもまた計算することを望みますので、Mask R-CNN を使用していきます :
import torchvision
from torchvision.models.detection.faster_rcnn import FastRCNNPredictor
from torchvision.models.detection.mask_rcnn import MaskRCNNPredictor
def get_model_instance_segmentation(num_classes):
# load an instance segmentation model pre-trained on COCO
model = torchvision.models.detection.maskrcnn_resnet50_fpn(weights="DEFAULT")
# get number of input features for the classifier
in_features = model.roi_heads.box_predictor.cls_score.in_features
# replace the pre-trained head with a new one
model.roi_heads.box_predictor = FastRCNNPredictor(in_features, num_classes)
# now get the number of input features for the mask classifier
in_features_mask = model.roi_heads.mask_predictor.conv5_mask.in_channels
hidden_layer = 256
# and replace the mask predictor with a new one
model.roi_heads.mask_predictor = MaskRCNNPredictor(in_features_mask,
hidden_layer,
num_classes)
return model
That’s it, これは貴方のカスタムデータセット上でモデルが訓練されて評価される準備をさせます。
すべてをまとめる
references/detection/ では、検出モデルを訓練して評価することを単純化するために幾つかのヘルパー関数を含みます。ここでは、references/detection/engine.py, references/detection/utils.py と references/detection/transforms.py を使用します。references/detection 下のすべてを単に貴方のフォルダにコピーしてここでそれらを使用します。
データ増強 / 変換のための幾つかのヘルパー関数を書きましょう :
import transforms as T
def get_transform(train):
transforms = []
transforms.append(T.PILToTensor())
transforms.append(T.ConvertImageDtype(torch.float))
if train:
transforms.append(T.RandomHorizontalFlip(0.5))
return T.Compose(transforms)
forward() メソッドをテストする (オプション)
データセットに対して反復する前に、サンプルデータ上で訓練と推論時間の間にモデルが何を想定するかを見るのは良いことです。
model = torchvision.models.detection.fasterrcnn_resnet50_fpn(weights="DEFAULT")
dataset = PennFudanDataset('PennFudanPed', get_transform(train=True))
data_loader = torch.utils.data.DataLoader(
dataset, batch_size=2, shuffle=True, num_workers=4,
collate_fn=utils.collate_fn)
# For Training
images,targets = next(iter(data_loader))
images = list(image for image in images)
targets = [{k: v for k, v in t.items()} for t in targets]
output = model(images,targets) # Returns losses and detections
# For inference
model.eval()
x = [torch.rand(3, 300, 400), torch.rand(3, 500, 400)]
predictions = model(x) # Returns predictions
今は main 関数を書きましょう、これは訓練と検証を実行します :
from engine import train_one_epoch, evaluate
import utils
def main():
# train on the GPU or on the CPU, if a GPU is not available
device = torch.device('cuda') if torch.cuda.is_available() else torch.device('cpu')
# our dataset has two classes only - background and person
num_classes = 2
# use our dataset and defined transformations
dataset = PennFudanDataset('PennFudanPed', get_transform(train=True))
dataset_test = PennFudanDataset('PennFudanPed', get_transform(train=False))
# split the dataset in train and test set
indices = torch.randperm(len(dataset)).tolist()
dataset = torch.utils.data.Subset(dataset, indices[:-50])
dataset_test = torch.utils.data.Subset(dataset_test, indices[-50:])
# define training and validation data loaders
data_loader = torch.utils.data.DataLoader(
dataset, batch_size=2, shuffle=True, num_workers=4,
collate_fn=utils.collate_fn)
data_loader_test = torch.utils.data.DataLoader(
dataset_test, batch_size=1, shuffle=False, num_workers=4,
collate_fn=utils.collate_fn)
# get the model using our helper function
model = get_model_instance_segmentation(num_classes)
# move model to the right device
model.to(device)
# construct an optimizer
params = [p for p in model.parameters() if p.requires_grad]
optimizer = torch.optim.SGD(params, lr=0.005,
momentum=0.9, weight_decay=0.0005)
# and a learning rate scheduler
lr_scheduler = torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer,
step_size=3,
gamma=0.1)
# let's train it for 10 epochs
num_epochs = 10
for epoch in range(num_epochs):
# train for one epoch, printing every 10 iterations
train_one_epoch(model, optimizer, data_loader, device, epoch, print_freq=10)
# update the learning rate
lr_scheduler.step()
# evaluate on the test dataset
evaluate(model, data_loader_test, device=device)
print("That's it!")
最初のエポックについて以下を出力として得るはずです :
Epoch: [0] [ 0/60] eta: 0:01:18 lr: 0.000090 loss: 2.5213 (2.5213) loss_classifier: 0.8025 (0.8025) loss_box_reg: 0.2634 (0.2634) loss_mask: 1.4265 (1.4265) loss_objectness: 0.0190 (0.0190) loss_rpn_box_reg: 0.0099 (0.0099) time: 1.3121 data: 0.3024 max mem: 3485 Epoch: [0] [10/60] eta: 0:00:20 lr: 0.000936 loss: 1.3007 (1.5313) loss_classifier: 0.3979 (0.4719) loss_box_reg: 0.2454 (0.2272) loss_mask: 0.6089 (0.7953) loss_objectness: 0.0197 (0.0228) loss_rpn_box_reg: 0.0121 (0.0141) time: 0.4198 data: 0.0298 max mem: 5081 Epoch: [0] [20/60] eta: 0:00:15 lr: 0.001783 loss: 0.7567 (1.1056) loss_classifier: 0.2221 (0.3319) loss_box_reg: 0.2002 (0.2106) loss_mask: 0.2904 (0.5332) loss_objectness: 0.0146 (0.0176) loss_rpn_box_reg: 0.0094 (0.0123) time: 0.3293 data: 0.0035 max mem: 5081 Epoch: [0] [30/60] eta: 0:00:11 lr: 0.002629 loss: 0.4705 (0.8935) loss_classifier: 0.0991 (0.2517) loss_box_reg: 0.1578 (0.1957) loss_mask: 0.1970 (0.4204) loss_objectness: 0.0061 (0.0140) loss_rpn_box_reg: 0.0075 (0.0118) time: 0.3403 data: 0.0044 max mem: 5081 Epoch: [0] [40/60] eta: 0:00:07 lr: 0.003476 loss: 0.3901 (0.7568) loss_classifier: 0.0648 (0.2022) loss_box_reg: 0.1207 (0.1736) loss_mask: 0.1705 (0.3585) loss_objectness: 0.0018 (0.0113) loss_rpn_box_reg: 0.0075 (0.0112) time: 0.3407 data: 0.0044 max mem: 5081 Epoch: [0] [50/60] eta: 0:00:03 lr: 0.004323 loss: 0.3237 (0.6703) loss_classifier: 0.0474 (0.1731) loss_box_reg: 0.1109 (0.1561) loss_mask: 0.1658 (0.3201) loss_objectness: 0.0015 (0.0093) loss_rpn_box_reg: 0.0093 (0.0116) time: 0.3379 data: 0.0043 max mem: 5081 Epoch: [0] [59/60] eta: 0:00:00 lr: 0.005000 loss: 0.2540 (0.6082) loss_classifier: 0.0309 (0.1526) loss_box_reg: 0.0463 (0.1405) loss_mask: 0.1568 (0.2945) loss_objectness: 0.0012 (0.0083) loss_rpn_box_reg: 0.0093 (0.0123) time: 0.3489 data: 0.0042 max mem: 5081 Epoch: [0] Total time: 0:00:21 (0.3570 s / it) creating index... index created! Test: [ 0/50] eta: 0:00:19 model_time: 0.2152 (0.2152) evaluator_time: 0.0133 (0.0133) time: 0.4000 data: 0.1701 max mem: 5081 Test: [49/50] eta: 0:00:00 model_time: 0.0628 (0.0687) evaluator_time: 0.0039 (0.0064) time: 0.0735 data: 0.0022 max mem: 5081 Test: Total time: 0:00:04 (0.0828 s / it) Averaged stats: model_time: 0.0628 (0.0687) evaluator_time: 0.0039 (0.0064) Accumulating evaluation results... DONE (t=0.01s). Accumulating evaluation results... DONE (t=0.01s). IoU metric: bbox Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.606 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50 | area= all | maxDets=100 ] = 0.984 Average Precision (AP) @[ IoU=0.75 | area= all | maxDets=100 ] = 0.780 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.313 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.582 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.612 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 1 ] = 0.270 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 10 ] = 0.672 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.672 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.650 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.755 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.664 IoU metric: segm Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.704 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50 | area= all | maxDets=100 ] = 0.979 Average Precision (AP) @[ IoU=0.75 | area= all | maxDets=100 ] = 0.871 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.325 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.488 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.727 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 1 ] = 0.316 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 10 ] = 0.748 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.749 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.650 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.673 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.758
そして 1 エポックの訓練の後、60.6 の COCO-style mAP、そして 70.4 の mask mAP を得ます。
10 エポックの訓練後、以下のメトリクスを得ました :
IoU metric: bbox Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.799 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50 | area= all | maxDets=100 ] = 0.969 Average Precision (AP) @[ IoU=0.75 | area= all | maxDets=100 ] = 0.935 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.349 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.592 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.831 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 1 ] = 0.324 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 10 ] = 0.844 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.844 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.400 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.777 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.870 IoU metric: segm Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.761 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50 | area= all | maxDets=100 ] = 0.969 Average Precision (AP) @[ IoU=0.75 | area= all | maxDets=100 ] = 0.919 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.341 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.464 Average Precision (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.788 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 1 ] = 0.303 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets= 10 ] = 0.799 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= all | maxDets=100 ] = 0.799 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.400 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.769 Average Recall (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.818
しかし予測はどのように見えるでしょうか？データセットの一つの画像を取り検証しましょう
訓練されたモデルはこの画像で人物の 9 インスタンスを予測しています、それらの 2, 3 を見ましょう :
The results look pretty good!
仕上げ (= Wrapping up)
このチュートリアルで、カスタムデータセット上、インスタンスセグメンテーション・モデルのための貴方自身の訓練パイプラインをどのように作成するかを学習しました。そのため、torch.utils.data.Dataset クラスを書きました、これは画像と正解ボックスとセグメンテーション・マスクを返します。またこの新しいデータセット上で転移学習を遂行するために COCO train2017 上で事前訓練された Mask R-CNN モデルも活用しました。
マルチマシン / マルチ gpu 訓練を含む、より完全なサンプルについては、references/detection/train.py を確認してください、これは torchvision repo にあります。
このチュートリアルのための完全なソースファイルは ここ でダウンロードできます。
以上