PyTorch 新たなクラスの物体検出をSSDでやってみる

今回は、血液の顕微鏡画像から細胞を検出するSSDモデルを作ってみたいと思います。

こんにちは cedro です。

先回、SSDの学習済みモデルを使った物体検出を行ってみましたが、物体検出できるのはあらかじめ学習した20クラスだけです。

新たなクラスの物体検出をするには、どうしたら良いのでしょうか。大量のアノテーション付きデータを用意してゼロから学習するしかないのでしょうか。

そんなことはありません。SSD学習済みモデルのパラメータを初期値として使う（過去の学習経験を活かす）と、少量のデータセットを学習するだけで、新しいSSDモデルを構築できるのです。これをファインチューニングと言います。

ということで、今回は、血液の顕微鏡画像から細胞を検出するSSDモデルをファインチューニングで作ってみたいと思います。

データセットを準備します

今回、使用するデータセットは、BCCD Dataset という血液の顕微鏡写真で、白血球、赤血球、血小板の３つについてバウンディングボックスのアノテーションデータが付いたものです。

データセットの仕様が、PASCAL Visual Object Classes ですので、PyTorch のSSDモデルで簡単に読み込むことが出来ます。

物体検出をした時のイメージは、こんな感じ。wbc が白血球、rbc が赤血球、platelets が血小板です。それにしても、なんともマニアックなデータセットですよね。

BCCD Dataset はこういった画像とアノテーションデータのセットが、全部で364個（trainval:292個、test:72個）しかない非常に小さなデータセットです。

実際に使用するのは、赤枠で囲ったBCCDフォルダーの部分です。非常にコンパクトなデータセットなので、今回はGithubのコードの中に含めてあります。

セットアップ

コードはGoogle Colabで動かす形にしてGithubに上げてありますので、それに沿って説明して行きます。自分で動かしてみたい方は、この「リンク」をクリックし表示されたノートブックの先頭にある「Colab on Web」ボタンをクリックすると動かせます。

まず、Githubからコードをコピーし、SSD学習済みモデルのパラメータをダウンロードします。ついでに、Google Colab に接続されているGPUの種類も確認しておきましょう。

# github からコードをコピー
! git clone https://github.com/cedro3/pytorch_ssd.git
%cd pytorch_ssd

# 学習済みパラメータをダウンロード
! wget -P weights https://s3.amazonaws.com/amdegroot-models/ssd300_mAP_77.43_v2.pth

# github からコードをコピー

! git clone https://github.com/cedro3/pytorch_ssd.git

%cd pytorch_ssd

# 学習済みパラメータをダウンロード

! wget -P weights https://s3.amazonaws.com/amdegroot-models/ssd300_mAP_77.43_v2.pth

# GPUの種類確認
! nvidia-smi -L

1 2	# GPUの種類確認 ! nvidia-smi -L

ファインチューニングを行う前に、ダウンロードした学習済みモデルのパラメータを使ってVOCクラスの物体検出（20クラス）をやってみましょう。SSDネットワークをtestモードで定義し、学習済みモデルのパラメータを読み込みます。

そして、物体検出関数を定義し、サンプル画像（./data/person.jpg）の物体検出を行います。

import os
import sys
module_path = os.path.abspath(os.path.join('..'))
if module_path not in sys.path:
    sys.path.append(module_path)
 
import torch
import torch.nn as nn
from torch.autograd import Variable
import numpy as np
import cv2
from ssd import build_ssd
from matplotlib import pyplot as plt
from data import VOC_CLASSES as voc_labels

# GPUの設定
torch.cuda.is_available() 
torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')  
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu' 

# SSDネットワークを定義し、学習済みパラメータを読み込む
net = build_ssd('test', 300, 21)   
net.load_weights('./weights/ssd300_mAP_77.43_v2.pth')
net = net.to(device)

# 物体検出関数 
def detect(image, labels):

    # 画像を(1,3,300,300)のテンソルに変換
    rgb_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
    x = cv2.resize(image, (300, 300)).astype(np.float32)  
    x -= (104.0, 117.0, 123.0)
    x = x.astype(np.float32)
    x = x[:, :, ::-1].copy()
    x = torch.from_numpy(x).permute(2, 0, 1)  
    xx = Variable(x.unsqueeze(0))    
     
    # 順伝播を実行し、推論結果を出力
    if torch.cuda.is_available():
      xx = xx.cuda()
    y = net(xx)

    # 表示設定 
    plt.figure(figsize=(8,8))
    colors = plt.cm.hsv(np.linspace(0, 1, 21)).tolist()
    plt.imshow(rgb_image)
    currentAxis = plt.gca()

    # 推論結果をdetectionsに格納
    detections = y.data
    # 各検出のスケールのバックアップ
    scale = torch.Tensor(rgb_image.shape[1::-1]).repeat(2)
    
    # バウンディングボックスとクラス名を表示
    for i in range(detections.size(1)):
        j = 0
        # 確信度confが0.6以上のボックスを表示
        # jは確信度上位200件のボックスのインデックス
        # detections[0,i,j]は[conf,xmin,ymin,xmax,ymax]の形状
        while detections[0,i,j,0] >= 0.6:
            score = detections[0,i,j,0]
            label_name = labels[i-1]
            display_txt = '%s: %.2f'%(label_name, score)
            pt = (detections[0,i,j,1:]*scale).cpu().numpy()
            coords = (pt[0], pt[1]), pt[2]-pt[0]+1, pt[3]-pt[1]+1
            color = colors[i]
            currentAxis.add_patch(plt.Rectangle(*coords, fill=False, edgecolor=color, linewidth=2))
            currentAxis.text(pt[0], pt[1], display_txt, bbox={'facecolor':color, 'alpha':0.5})
            j+=1
    plt.show()
    plt.close()
    return detections

# 物体検出実行
file = './data/person.jpg'
image = cv2.imread(file, cv2.IMREAD_COLOR) 
detections = detect(image, voc_labels)

import os

import sys

module_path = os.path.abspath(os.path.join('..'))

if module_path not in sys.path:

sys.path.append(module_path)

import torch

import torch.nn as nn

from torch.autograd import Variable

import numpy as np

import cv2

from ssd import build_ssd

from matplotlib import pyplot as plt

from data import VOC_CLASSES as voc_labels

# GPUの設定

torch.cuda.is_available()

torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')

device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'

# SSDネットワークを定義し、学習済みパラメータを読み込む

net = build_ssd('test', 300, 21)

net.load_weights('./weights/ssd300_mAP_77.43_v2.pth')

net = net.to(device)

# 物体検出関数

def detect(image, labels):

# 画像を(1,3,300,300)のテンソルに変換

rgb_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)

x = cv2.resize(image, (300, 300)).astype(np.float32)

x -= (104.0, 117.0, 123.0)

x = x.astype(np.float32)

x = x[:, :, ::-1].copy()

x = torch.from_numpy(x).permute(2, 0, 1)

xx = Variable(x.unsqueeze(0))

# 順伝播を実行し、推論結果を出力

if torch.cuda.is_available():

xx = xx.cuda()

y = net(xx)

# 表示設定

plt.figure(figsize=(8,8))

colors = plt.cm.hsv(np.linspace(0, 1, 21)).tolist()

plt.imshow(rgb_image)

currentAxis = plt.gca()

# 推論結果をdetectionsに格納

detections = y.data

# 各検出のスケールのバックアップ

scale = torch.Tensor(rgb_image.shape[1::-1]).repeat(2)

# バウンディングボックスとクラス名を表示

for i in range(detections.size(1)):

j = 0

# 確信度confが0.6以上のボックスを表示

# jは確信度上位200件のボックスのインデックス

# detections[0,i,j]は[conf,xmin,ymin,xmax,ymax]の形状

while detections[0,i,j,0] >= 0.6:

score = detections[0,i,j,0]

label_name = labels[i-1]

display_txt = '%s: %.2f'%(label_name, score)

pt = (detections[0,i,j,1:]*scale).cpu().numpy()

coords = (pt[0], pt[1]), pt[2]-pt[0]+1, pt[3]-pt[1]+1

color = colors[i]

currentAxis.add_patch(plt.Rectangle(*coords, fill=False, edgecolor=color, linewidth=2))

currentAxis.text(pt[0], pt[1], display_txt, bbox={'facecolor':color, 'alpha':0.5})

j+=1

plt.show()

plt.close()

return detections

# 物体検出実行

file = './data/person.jpg'

image = cv2.imread(file, cv2.IMREAD_COLOR)

detections = detect(image, voc_labels)

左から順に dog, person, horse が検出されていて、数字はどれだけ自信を持って検出したかの確信度（％）を表しています。

そして、BCCDデータを読み込んで表示させてみましょう。

# BCCDデータの読み込み
from data import VOCDetection, VOC_ROOT, VOCAnnotationTransform
testset = VOCDetection(VOC_ROOT, [('BCCD', 'test')], None, VOCAnnotationTransform())

# 10番目を指定
img_id = 10  

# 画像表示
image = testset.pull_image(img_id)
img = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
plt.imshow(img)
plt.show()

# BCCDデータの読み込み

from data import VOCDetection, VOC_ROOT, VOCAnnotationTransform

testset = VOCDetection(VOC_ROOT, [('BCCD', 'test')], None, VOCAnnotationTransform())

# 10番目を指定

img_id = 10

# 画像表示

image = testset.pull_image(img_id)

img = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)

plt.imshow(img)

plt.show()

ファインチューニング

SSD学習済みモデルのパラメータを初期値として、BCCDデータセットを使ってファインチューニングを行います。初期設定の項目は以下の様です。

dataset : 学習に使うデータセット
basenet : ゼロから学習する場合に使用するパラメータ（不使用）
batch_size : バッチサイズ
resume : ファインチューングする場合に使用するパラメータ
max_iter : 学習回数（iter）
num_workers : 並列処理数
cuda : GPUの使用有無
lr : 学習率
lr_steps : 学習率を段階的に下げる場合の iter ポイント（不使用）
momentum : 最適化手法（momentumSGD）のパラメータ
weight_decay : 最適化手法（momentumSGD）のパラメータ
gamma : 学習率を段階的に下げる場合の学習率の低減率（不使用）
save_folder : 学習済みパラメータの読み込み・書き込みディレクトリ

ゼロから学習する場合は resume を指定せず、その場合 SSD は basenet で指定したパラメータをロードします。今回はファインチューニングなので resume を指定し、その場合SSDは resume で指定したパラメータをロードします。

学習率 lr は最初大きくし学習進行に合わせて段階的に下げると学習が安定し易いので、そのためのコードがありますが、実際には使用していません。また、今回はファインチューニングなので、パラメータの初期化は行いません。

それでは、学習を500iter実行します。GPUがP100の場合で、約10分ほど掛かります。

from data import *
from utils.augmentations import SSDAugmentation
from layers.modules import MultiBoxLoss
from ssd import build_ssd
import os
import sys
import time
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torch.backends.cudnn as cudnn
import torch.nn.init as init
import torch.utils.data as data
import numpy as np
import argparse
import warnings  
warnings.filterwarnings('ignore')  

# 初期設定
args = {'dataset':'BCCD',   
        'basenet':'vgg16_reducedfc.pth',
        'batch_size':32,
        'resume':'ssd300_mAP_77.43_v2.pth',
        'max_iter':500,
        'num_workers':4,  
        'cuda':True,
        'lr':0.001,
        'lr_steps':(8000, 10000, 12000),  
        'momentum':0.9,
        'weight_decay':5e-4,
        'gamma':0.1,
        'save_folder':'weights/'
       }

# Tensor作成時のデフォルトにGPU Tensorを設定
if torch.cuda.is_available():
    if args['cuda']:
        torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')
    if not args['cuda']:
        print("WARNING: It looks like you have a CUDA device, but aren't " +
              "using CUDA.\nRun with --cuda for optimal training speed.")
        torch.set_default_tensor_type('torch.FloatTensor')
else:
    torch.set_default_tensor_type('torch.FloatTensor')

# 訓練データの設定
cfg = voc
dataset = VOCDetection(root=VOC_ROOT,
                       transform=SSDAugmentation(cfg['min_dim'],
                                                 MEANS))

# ネットワークの定義
ssd_net = build_ssd('train', cfg['min_dim'], cfg['num_classes'])
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
net = ssd_net.to(device)

# 学習済みパラメータのロード
if args['resume']:
    print('Resuming training, loading {}...'.format(args['resume']))
    ssd_net.load_weights(args['save_folder'] + args['resume'])  
else:
    vgg_weights = torch.load(args['save_folder'] + args['basenet'])
    print('Loading base network...')
    ssd_net.vgg.load_state_dict(vgg_weights)

# GPU設定
if args['cuda']:
    net = torch.nn.DataParallel(ssd_net)
    cudnn.benchmark = True

# learning_rate の段階調整関数
def adjust_learning_rate(optimizer, gamma, step):
    lr = args['lr'] * (gamma ** (step))
    for param_group in optimizer.param_groups:
        param_group['lr'] = lr

# xavierの初期化関数
def xavier(param):
    init.xavier_uniform_(param)

# パラメータ初期化関数
def weights_init(m):
    if isinstance(m, nn.Conv2d):
        xavier(m.weight.data)
        m.bias.data.zero_()

# 新規学習時のパラメータ初期化
if not args['resume']:
    print('Initializing weights...')
    ssd_net.extras.apply(weights_init)
    ssd_net.loc.apply(weights_init)
    ssd_net.conf.apply(weights_init)

# 損失関数の設定
criterion = MultiBoxLoss(cfg['num_classes'], 0.5, True, 0, True, 3, 0.5,
                         False, args['cuda'])

# 最適化手法の設定
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=args['lr'], momentum=args['momentum'],
                      weight_decay=args['weight_decay'])

# 訓練モード
net.train()

# データローダの設定
data_loader = data.DataLoader(dataset, args['batch_size'],
                              num_workers=args['num_workers'],
                              shuffle=True, collate_fn=detection_collate,
                              pin_memory=True)
# 学習ループ
step_index = 0
batch_iterator = None
epoch_size = len(dataset) // args['batch_size']

for iteration in range(args['max_iter']):   
    if (not batch_iterator) or (iteration % epoch_size ==0):
        batch_iterator = iter(data_loader)
        loc_loss = 0
        conf_loss = 0

    # lrの調整
    if iteration in args['lr_steps']:
        step_index += 1
        adjust_learning_rate(optimizer, args['gamma'], step_index)
        
    # バッチサイズ分のデータをGPUへ
    images, targets = next(batch_iterator)
    images = images.to(device) 
    targets = [ann.to(device) for ann in targets]

    # 順伝播
    t0 = time.time()
    out = net(images)

    # 逆伝播
    optimizer.zero_grad()
    loss_l, loss_c = criterion(out, targets)
    loss = loss_l + loss_c
    loss.backward()
    optimizer.step()
    t1 = time.time()
    loc_loss += loss_l.item()
    conf_loss += loss_c.item()
    
    #ログの出力
    if iteration % 10 == 0:
        print('timer: %.4f sec.' % (t1 - t0))
        print('iter ' + repr(iteration) + ' || Loss: %.4f ||' % (loss.item()), end=' ')

# 学習済みモデルの保存
torch.save(ssd_net.state_dict(),
           args['save_folder'] + '' + args['dataset'] + '.pth')

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

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125

126

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151

152

from data import *

from utils.augmentations import SSDAugmentation

from layers.modules import MultiBoxLoss

from ssd import build_ssd

import os

import sys

import time

import torch

import torch.nn as nn

import torch.optim as optim

import torch.backends.cudnn as cudnn

import torch.nn.init as init

import torch.utils.data as data

import numpy as np

import argparse

import warnings

warnings.filterwarnings('ignore')

# 初期設定

args = {'dataset':'BCCD',

'basenet':'vgg16_reducedfc.pth',

'batch_size':32,

'resume':'ssd300_mAP_77.43_v2.pth',

'max_iter':500,

'num_workers':4,

'cuda':True,

'lr':0.001,

'lr_steps':(8000, 10000, 12000),

'momentum':0.9,

'weight_decay':5e-4,

'gamma':0.1,

'save_folder':'weights/'

}

# Tensor作成時のデフォルトにGPU Tensorを設定

if torch.cuda.is_available():

if args['cuda']:

torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')

if not args['cuda']:

print("WARNING: It looks like you have a CUDA device, but aren't " +

"using CUDA.\nRun with --cuda for optimal training speed.")

torch.set_default_tensor_type('torch.FloatTensor')

else:

torch.set_default_tensor_type('torch.FloatTensor')

# 訓練データの設定

cfg = voc

dataset = VOCDetection(root=VOC_ROOT,

transform=SSDAugmentation(cfg['min_dim'],

MEANS))

# ネットワークの定義

ssd_net = build_ssd('train', cfg['min_dim'], cfg['num_classes'])

device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'

net = ssd_net.to(device)

# 学習済みパラメータのロード

if args['resume']:

print('Resuming training, loading {}...'.format(args['resume']))

ssd_net.load_weights(args['save_folder'] + args['resume'])

else:

vgg_weights = torch.load(args['save_folder'] + args['basenet'])

print('Loading base network...')

ssd_net.vgg.load_state_dict(vgg_weights)

# GPU設定

if args['cuda']:

net = torch.nn.DataParallel(ssd_net)

cudnn.benchmark = True

# learning_rate の段階調整関数

def adjust_learning_rate(optimizer, gamma, step):

lr = args['lr'] * (gamma ** (step))

for param_group in optimizer.param_groups:

param_group['lr'] = lr

# xavierの初期化関数

def xavier(param):

init.xavier_uniform_(param)

# パラメータ初期化関数

def weights_init(m):

if isinstance(m, nn.Conv2d):

xavier(m.weight.data)

m.bias.data.zero_()

# 新規学習時のパラメータ初期化

if not args['resume']:

print('Initializing weights...')

ssd_net.extras.apply(weights_init)

ssd_net.loc.apply(weights_init)

ssd_net.conf.apply(weights_init)

# 損失関数の設定

criterion = MultiBoxLoss(cfg['num_classes'], 0.5, True, 0, True, 3, 0.5,

False, args['cuda'])

# 最適化手法の設定

optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=args['lr'], momentum=args['momentum'],

weight_decay=args['weight_decay'])

# 訓練モード

net.train()

# データローダの設定

data_loader = data.DataLoader(dataset, args['batch_size'],

num_workers=args['num_workers'],

shuffle=True, collate_fn=detection_collate,

pin_memory=True)

# 学習ループ

step_index = 0

batch_iterator = None

epoch_size = len(dataset) // args['batch_size']

for iteration in range(args['max_iter']):

if (not batch_iterator) or (iteration % epoch_size ==0):

batch_iterator = iter(data_loader)

loc_loss = 0

conf_loss = 0

# lrの調整

if iteration in args['lr_steps']:

step_index += 1

adjust_learning_rate(optimizer, args['gamma'], step_index)

# バッチサイズ分のデータをGPUへ

images, targets = next(batch_iterator)

images = images.to(device)

targets = [ann.to(device) for ann in targets]

# 順伝播

t0 = time.time()

out = net(images)

# 逆伝播

optimizer.zero_grad()

loss_l, loss_c = criterion(out, targets)

loss = loss_l + loss_c

loss.backward()

optimizer.step()

t1 = time.time()

loc_loss += loss_l.item()

conf_loss += loss_c.item()

#ログの出力

if iteration % 10 == 0:

print('timer: %.4f sec.' % (t1 - t0))

print('iter ' + repr(iteration) + ' || Loss: %.4f ||' % (loss.item()), end=' ')

# 学習済みモデルの保存

torch.save(ssd_net.state_dict(),

args['save_folder'] + '' + args['dataset'] + '.pth')

学習が完了したら、学習済みパラメータを使って物体検出をしてみましょう。

SSDをtestモードで定義し、先程ファインチューニングしたパラメータ ./weights/BCCD.pth をロードします。そして、BCCDのテストデータの画像を関数 detect() で物体検出を行います。

import os
import sys
import torch
import torch.nn as nn
import torch.backends.cudnn as cudnn
from torch.autograd import Variable
import numpy as np
import cv2
if torch.cuda.is_available():
    torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')
 
from ssd import build_ssd
 
# SSDネットワークの定義とパラメータのロード
net = build_ssd('test', 300, 21)    
net.load_weights('./weights/BCCD.pth')
 
# BCCD_test 読み込み
from data import VOCDetection, VOC_ROOT, VOCAnnotationTransform
from data import BCCD_CLASSES as bccd_labels
testset = VOCDetection(VOC_ROOT, [('BCCD', 'test')], None, VOCAnnotationTransform())

# 画像の読み込み
img_id = 42  
image = testset.pull_image(img_id)

# 物体検出
detections = detect(image, bccd_labels)

import os

import sys

import torch

import torch.nn as nn

import torch.backends.cudnn as cudnn

from torch.autograd import Variable

import numpy as np

import cv2

if torch.cuda.is_available():

torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')

from ssd import build_ssd

# SSDネットワークの定義とパラメータのロード

net = build_ssd('test', 300, 21)

net.load_weights('./weights/BCCD.pth')

# BCCD_test 読み込み

from data import VOCDetection, VOC_ROOT, VOCAnnotationTransform

from data import BCCD_CLASSES as bccd_labels

testset = VOCDetection(VOC_ROOT, [('BCCD', 'test')], None, VOCAnnotationTransform())

# 画像の読み込み

img_id = 42

image = testset.pull_image(img_id)

# 物体検出

detections = detect(image, bccd_labels)

学習データがたった292個、学習回数も僅か500iter ですが、ちゃんと物体検出出来ています。もう１つやってみましょう。

# 画像の読み込み
img_id = 55  
image = testset.pull_image(img_id)

# 物体検出
detections = detect(image, bccd_labels)

# 画像の読み込み

img_id = 55

image = testset.pull_image(img_id)

# 物体検出

detections = detect(image, bccd_labels)

では、また。

2021.5.12 内容をGoogle Colab バージョンに更新

すみません！ cedro様

ご丁寧なご回答ありがとうございます。

せっかくご回答いただきましたのに、今日の今日まで cedro様の回答にすら気づかず、、、

githubにデータあげてくださってありがとうございます！

なんとか四苦八苦しながら、clolabで動かせたので、これから学習したpthで画像認識をしてみます！

PyTorch 新たなクラスの物体検出をSSDでやってみる

今回は、血液の顕微鏡画像から細胞を検出するSSDモデルを作ってみたいと思います。

データセットを準備します

セットアップ

ファインチューニング

2021.5.12 内容をGoogle Colab バージョンに更新

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