重磅！恺明大神 Mask R-CNN 超实用教程

作　者 | Adrian Rosebrock

来源 | AI科技评论

翻　译 | 天字一号（郑州大学）、李美丽（华南师范大学）、had_in（电子科技大学）、nengdaiper（北京科技大学）

作　者 | Adrian Rosebrock

来源 | AI科技评论

翻　译 | 天字一号（郑州大学）、李美丽（华南师范大学）、had_in（电子科技大学）、nengdaiper（北京科技大学）

在此教程中，你将学习如何在opencv中使用Mask R-CNN。

使用Mask R-CNN，你可以自动分割和构建图像中每个对象的像素级MASK。我们将应用Mask R-CNN到图像和视频流。

在上周的博客文章中，你学习了如何使用Yolo物体探测器来检测图像中物体（https://www.pyimagesearch.com/2018/11/12/yolo-object-detection-with-opencv/）。对象检测器，如yolo、faster r-cnn和ssd，生成四组（x，y）坐标，表示图像中对象的边界框。

从获取对象的边界框开始挺好的，但是边界框本身并不能告诉我们（1）哪些像素属于前景对象，（2）哪些像素属于背景。

这就引出了一个问题：

答案是肯定的：我们只需要使用Mask R-CNN架构执行实例分割。

要了解如何利用opencv的Mask R-CNN应用于图像和视频流，继续看下去吧！

正在查找此博客的源代码？直接跳到下载（https://www.pyimagesearch.com/2018/11/19/mask-r-cnn-with-opencv/#）。

Mask R-CNN with OpenCV

在本教程的第一部分中，我们将讨论图像分类、对象检测、实例分割和语义分割之间的区别。

这里，我们将简要回顾Mask R-CNN架构及其与Faster R-CNN的关系。

然后，我将向您展示如何在图像和视频流上应用Mask R-CNN与OpenCV。

开始吧！

实例分割 vs. 语义分割

图1：图像分类(左上)，目标检测(右上)，语义分割(左下)，实例分割(右下)。在本教程中，我们将使用Mask R-CNN执行实例分割。（来源：https://arxiv.org/abs/1704.06857）

解释传统的图像分类、目标检测、语义分割和实例分割之间的区别，最好是用可视化方法。

在执行传统的图像分类时，我们的目标是预测一组标签来表示输入图像的内容(左上角)。

目标检测建立在图像分类的基础上，但这一次需要我们对图像中每个对象定位。图像的表征如下：

每个目标边界框的坐标(x, y)

每个边界框关联的类别标签

左下角是一个语义分割的例子。语义分割算法要求我们将输入图像中的每个像素与一个类别标签(包括一个用于背景的类标签)关联起来。

注意关注我们语义分割的可视化——注意每个目标是如何分割的，但每个“cube”目标都有相同的颜色。

虽然语义分割算法能够对图像中的所有目标进行标记，但它们无法区分同一类的两个对象。

特别是同一个类别的两个目标是相互遮挡时，问题更加明显，我们不知道一个对象的边界在哪里结束以及哪里开始，如图上两个紫色立方体所示,我们无法说清楚一个立方体边界的开始和结束。

另一方面，实例分割算法为图像中的每个对象计算像素级mask，即使对象具有相同的类别标签(右下角)。在这里，您可以看到每个立方体都有自己独特的颜色，这意味着我们的实例分割算法不仅定位了每个独立的立方体，而且还预测了它们的边界。

而在本教程，我们将要讨论的Mask R-CNN架构就是一个实例分割算法的示例。

什么是 Mask R-CNN？

Mask R-CNN算法是何凯明等人在2017年发表的论文中提出的，Mask R-CNN（https://arxiv.org/abs/1703.06870）。

Mask R-CNN是基于之前的目标检测工作R-CNN(2013)、Fast R-CNN(2015)、Faster R-CNN(2015)，均由Girshick等人完成。

为了理解Mask R-CNN，让我们简要回顾一下R-CNN的变体，从原始的R-CNN开始:

图2：初始的R-CNN架构(来源：Girshick等人，2013)

最初的R-CNN算法分为四个步骤：

步骤1：向网络输入图像。

步骤2：提取区域proposals(即，可能包含对象的图像区域)算法，如选择性搜索算法（http://www.huppelen.nl/publications/selectiveSearchDraft.pdf）。

步骤3：利用迁移学习进行特征提取，使用预先训练的CNN计算每个proposals的特征(这实际上是一个ROI)。

步骤4：使用支持向量机(SVM)对提取的特征进行分类。

这种方法之所以有效，是因为CNN学习的特征的鲁棒性和可鉴别性。

然而，R-CNN方法的问题在于它非常慢。此外，我们实际上并没有学习如何通过深度神经网络进行定位，我们只是在有效地构建一个更高级的HOG +线性SVM检测器（https://www.pyimagesearch.com/2014/11/10/histogram-oriented-gradients-object-detection/）。

为了改进原有的R-CNN, Girshick等人发表了Fast R-CNN算法：

图3：Fast R-CNN架构(来源：Girshick et al.， 2015)。

与原始的R-CNN相似，Fast R-CNN仍然使用选择性搜索来获取区域建议；然而，本文的新贡献是感兴趣区域(ROI)池化模块。

ROI池化的工作原理是从特征map中提取一个固定大小的窗口，并使用这些特征获得最终的类别标签和边界框。这样做主要好处是，网络现在可以有效地端到端地进行训练：

我们输入一个图像和对应的实际的边界框

提取图像的特征map

应用ROI池化，得到ROI特征向量

最后, 使用两组全连接层来获得(1)类别标签预测(2)每个proposal的边框位置。

虽然网络现在是可以端到端训练的，但是由于依赖于选择性搜索算法，在推断时性能仍受到了极大的影响。

为了使R-CNN的架构更快，我们需要直接利用R-CNN获得区域proposal：

图4：Faster R-CNN架构(来源：Girshick et al.， 2015)

Girshick等人的Faster R-CNN论文将 区域proposals网络(RPN)引入到神经网络架构中，减少了对选择性搜索算法的需求。

总的来说，Faster R-CNN架构能够以大约7-10帧每秒的速度运行，这是通过深度学习实现实时目标检测的一大进步。

Mask R-CNN算法建立在Faster R-CNN架构的基础之上，主要有两个贡献：

用更精确的ROI align模块替换ROI Pooling模块

从ROI align模块中插入一个额外的分支

这个额外的分支的输入为ROI align模块的输出，然后将其输入到两个CONV层。

CONV层的输出即是掩摸(mask)本身。

我们可以将Mask R-CNN架构可视化如下图所示：

图5：He等人的Mask R-CNN工作用一个更精确的ROI align模块替换ROI Polling模块。然后将ROI模块的输出送入两个CONV层。CONV层的输出即是掩摸(mask)本身。

注意两个CONV层的分支来自ROI Align模块——我们实际生成掩摸由该模块生成。

我们知道，Faster R-CNN/Mask R-CNN架构利用区域proposal网络(RPN)生成可能包含对象的图像区域。

这些区域都是根据它们的“可能是目标的评分”(即，给定区域可能包含目标的可能性)，然后保留最可能的前N个目标区域。

在原来Faster R-CNN论文中，Girshick等人设置N= 2000，但在实践中，我们可以用一个小得多的N，比如N={10,100, 200,300}，仍然可以得到很好的结果。

He等人在他们的论文（https://arxiv.org/abs/1703.06870）中设置N=300，这也是我们这里使用的值。

所选的300个ROIs中的每一个都要经过网络的三个并行分支:

类别标签预测

边界框预测

掩摸预测

上面的图5显示了这些分支。

在预测时,300个ROIs都会经过非极大值抑制算法（https://www.pyimagesearch.com/2014/11/17/non-maximum-suppression-object-detection-python/），然后仅保存可能性前100的检测框,使得最终得到一个四维的100 x L x 15 x 15张量，L为数据几种类别标签的数量，15 x 15是每个类别L的掩摸(mask)的大小。

我们今天使用的掩模R-CNN是在COCO数据集上训练的（http://cocodataset.org/#home），它有L=90个类，因此掩模R CNN掩模模块的最终体积大小是100 x 90 x 15 x 15。

Mask R-CNN的可视化过程，请看下图:

图6：Mask R-CNN过程的可视化，先生成一个15 x 15的掩摸，遮罩改变到图像的原始尺寸，最后将掩摸覆盖到原始图像上。(来源：Python深度学习计算机视觉，ImageNet Bundle)

这里你可以看到，我们从我们的输入图像开始，并通过我们的Mask R-CNN网络，最终获得我们的掩摸预测。

预测的掩模只有15 x 15的像素，因此我们将掩模的大小调整回原始输入图像的尺寸。

最后，调整大小后的掩模可以覆盖在原始输入图像上。要了解更多关于Mask R-CNN工作原理的详细讨论，请参考:

由何等人发表的Mask R-CNN论文（https://arxiv.org/abs/1703.06870）

我的书, Deep Learning for Computer Vision with Python（https://www.pyimagesearch.com/deep-learning-computer-vision-python-book/），在这本书里，我将更详细地讨论Mask R-CNNs，包括如何根据自己的数据从零开始训练自己的Mask R-CNNs。

项目结构

我们今天的项目主要由两个脚本组成，还有其他几个重要的文件。

我已经按照如下方式构建了这个项目(直接在终端上的tree命令输出):

基于OpenCV的Mask R-CNN----Shell

$ tree.├── mask-rcnn-coco│   ├── colors.txt│   ├── frozen_inference_graph.pb│   ├── mask_rcnn_inception_v2_coco_2018_01_28.pbtxt│   └── object_detection_classes_coco.txt├── images│   ├── example_01.jpg│   ├── example_02.jpg│   └── example_03.jpg├── videos│   ├──├── output│   ├──├── mask_rcnn.py└── mask_rcnn_video.py 4 directories, 9 files

我们的项目包括四个目录:

mask-rcnn-coco/ : Mask R-CNN的模型文件。有四个文件:

frozen_inference_graph.pb : Mask R-CNN模型的权重文件，是基于COCO数据集上预训练的权重。

mask_rcnn_inception_v2_coco_2018_01_28.pbtxt :  Mask R-CNN模型的配置文件。如果你想在你自己的标注的数据上建立并训练你自己的模型，  参考 Deep Learning for Computer Vision with Python（https://www.pyimagesearch.com/deep-learning-computer-vision-python-book/）.

object_detection_classes_coco.txt : 所有90个类别都列在这个文本文件中，每行一个。在文本编辑器中打开它，查看模型可以识别哪些对象。

colors.txt : 这个文本文件包含六种颜色，可以随机分配给图像中检测到的目标。

images/ : 我在“Downloads”中提供了三个测试图像。请随意添加您自己的图像进行测试

videos/ : 这是一个空目录。实际上，我用从YouTube上搜集的大型视频进行了测试(Credits下面，就在“Summary”部分的上面)。我更倾向于建议您可以在YouTube上找到一些视频下载并测试，而不是提供一个真正大的zip文件。或者用你的手机拍一些视频，然后回到你的电脑前使用它们!

output/ :另一个空目录，将保存处理过的视频(假设您将命令行参数设置为输出到此目录)。

今天我们将回顾两个脚本:

mask_rcnn.py : 这个脚本将执行实例分割并对图像应用一个掩码，这样您就可以看到Mask R-CNN检测出的对象在哪里，精细到像素。

mask_rcnn_video.py : 这个视频处理脚本使用相同的Mask R-CNN，并将模型应用于视频文件的每一帧。然后脚本将输出帧写回磁盘上的视频文件中。

基于OpenCV的关于图像的Mask R-CNN

现在，我们已经回顾了Mask R-CNNs的工作原理，让我们动手写一些Python代码。

在开始之前，请确保您的Python环境已经安装了OpenCV 3.4.2/3.4.3或更高版本。您可以按照我的OpenCV安装教程（https://www.pyimagesearch.com/opencv-tutorials-resources-guides/）来升级/安装OpenCV。如果您想在5分钟或更短的时间内启动和运行，可以考虑使用pip安装OpenCV（https://www.pyimagesearch.com/2018/09/19/pip-install-opencv/）。如果您有其他一些需求，您可能希望从源代码编译OpenCV。

请确保您已经从本博客文章的“Downloads”部分下载了源代码、训练过的Mask R-CNN以及示例图像。

然后，打开mask_rcnn.py文件并插入以下代码:

Mask R-CNN with OpenCV---Python

# import the necessary packagesimport numpy as npimport argparseimport randomimport timeimport cv2import os

首先，我们将在第2-7行导入所需的包。值得注意的是，我们正在导入NumPy和OpenCV包。大多数Python安装都默认安装了上所需的其他的包。

现在我们开始解析我们的命令行参数（https://www.pyimagesearch.com/2018/03/12/python-argparse-command-line-arguments/）：

Mask R-CNN with OpenCV---Python# construct the argument parse and parse the argumentsap = argparse.ArgumentParser()ap.add_argument("-i", "--image", required=True,help="path to input image")ap.add_argument("-m", "--mask-rcnn", required=True,help="base path to mask-rcnn directory")ap.add_argument("-v", "--visualize", type=int, default=0,help="whether or not we are going to visualize each instance")ap.add_argument("-c", "--confidence", type=float, default=0.5,help="minimum probability to filter weak detections")ap.add_argument("-t", "--threshold", type=float, default=0.3,help="minimum threshold for pixel-wise mask segmentation")args = vars(ap.parse_args())

我们的脚本在终端中运行需要传递命令行参数标志以及参数。我们的参数在第10-21行进行解析，其中前两行是必需的，其余的是可选的：

--image : 输入图像的路径。

--mask-rnn :  Mask R-CNN文件的根路径  .

--visualize  (可选): 正值表示想要可视化如何在屏幕上提取屏蔽区域。无论哪种方式，我们都将在屏幕上显示最终的输出。

--confidence  (optional): 您可以选择0-0.5的概率值，该值用于过滤概率较低的检测区域。

--threshold  (可选): 我们将为图像中的每个对象创建一个二进制掩码，这个阈值将帮助我们过滤掉概率较低的掩码。我发现默认值0.3时效果较好。

现在我们的命令行参数存储在args字典中，让我们加载标签和颜色：

Mask R-CNN with OpenCV---Python

# load the COCO class labels our Mask R-CNN was trained onlabelsPath = os.path.sep.join([args["mask_rcnn"],"object_detection_classes_coco.txt"])LABELS = open(labelsPath).read().strip().split("\n")

# load the set of colors that will be used when visualizing a given# instance segmentationcolorsPath = os.path.sep.join([args["mask_rcnn"], "colors.txt"])COLORS = open(colorsPath).read().strip().split("\n")COLORS = [np.array(c.split(",")).astype("int") for c in COLORS]COLORS = np.array(COLORS, dtype="uint8")

第24-26行加载COCO对象类别标签。现在的Mask R-CNN能够识别90个类，包括人，车辆，标志，动物，日常用品，体育用品，厨房用品，食物等等！我建议您查看object_detection_classes_cocoa .txt，以查看可用的类别。

这里我们从路径加载颜色文件，并执行一些数组转换操作(第30-33行)。

现在加载我们的模型：

Mask R-CNN with OpenCV---Python

# derive the paths to the Mask R-CNN weights and model configurationweightsPath = os.path.sep.join([args["mask_rcnn"],"frozen_inference_graph.pb"])configPath = os.path.sep.join([args["mask_rcnn"],"mask_rcnn_inception_v2_coco_2018_01_28.pbtxt"])# load our Mask R-CNN trained on the COCO dataset (90 classes)# from diskprint("[INFO] loading Mask R-CNN from disk...")net = cv2.dnn.readNetFromTensorflow(weightsPath, configPath)

首先，我们构建权重和配置路径(第36-39行)，然后通过这些路径加载模型(第44行)。

在下一个代码块中，我们将加载Mask R-CNN神经网络，输入一张图像：

Mask R-CNN with OpenCV---Python

# load our input image and grab its spatial dimensionsimage = cv2.imread(args["image"])(H, W) = image.shape[:2]

# construct a blob from the input image and then perform a forward# pass of the Mask R-CNN, giving us (1) the bounding box  coordinates# of the objects in the image along with (2) the pixel-wise segmentation# for each specific objectblob = cv2.dnn.blobFromImage(image, swapRB=True, crop=False)net.setInput(blob)start = time.time()(boxes, masks) = net.forward(["detection_out_final", "detection_masks"])end = time.time()

# show timing information and volume information on Mask R-CNNprint("[INFO] Mask R-CNN took {:.6f} seconds".format(end - start))print("[INFO] boxes shape: {}".format(boxes.shape))print("[INFO] masks shape: {}".

这里我们进行了以下操作：

Load the input image  and extract dimensions for scaling purposes later (Lines 47 and 48).

Construct a blob  via cv2.dnn.blobFromImage  (Line 54). You can learn why and how to use this function in my previous tutorial（https://www.pyimagesearch.com/2017/11/06/deep-learning-opencvs-blobfromimage-works/）.

Perform a forward pass of the blob  through the net  while collecting timestamps (Lines 55-58). The results are contained in two important variables: boxes  and masks .

现在我们已经在图像上执行了口罩R-CNN的正向传递，我们想要过滤+可视化我们的结果。这正是下一个for循环要完成的。它很长，所以我把它分成五个代码块，从这里开始：

# loop over the number of detected objectsfor i in range(0, boxes.shape[2]):# extract the class ID of the detection along with the confidence# (i.e., probability) associated with the predictionclassID = int(boxes[0, 0, i, 1])confidence = boxes[0, 0, i, 2]

# filter out weak predictions by ensuring the detected probability# is greater than the minimum probabilityif confidence > args["confidence"]:# clone our original image so we can draw on itclone = image.copy()

# scale the bounding box coordinates back relative to the# size of the image and then compute the width and the height# of the bounding boxbox = boxes[0, 0, i, 3:7] * np.array([W, H, W, H])(startX, startY, endX, endY) = box.astype("int")boxW = endX - startXboxH = endY - startY

在这个代码块中，我们开启了一个训练，不断根据置信度过滤/并进行可视化(第66行)。

我们继续提取特定检测对象的分类和置信度(第69行和第70行)。

在此基础之上，我们通过将置信度与命令行参数置信度值进行比较，从而过滤掉置信度较低的预测结果，确保超过该值(第74行)。

然后我们缩放对象的边界框，并计算框的大小(第81-84行)。

图像分割要求我们找到目标所在的所有像素。因此，我们将在对象的顶部放置一个透明的层，以查看我们的算法执行的效果。为了做到这一点，我们将计算一个掩模：

Mask R-CNN with OpenCV---Python

# extract the pixel-wise segmentation for the object, resize# the mask such that it's the same dimensions of the bounding# box, and then finally threshold to create a *binary* maskmask = masks[i, classID]mask = cv2.resize(mask, (boxW, boxH),interpolation=cv2.INTER_NEAREST)mask = (mask > args["threshold"])

# extract the ROI of the imageroi = clone[startY:endY, startX:endX]

在第89-91行，我们提取了对象的像素级分割，并将其调整为原始图像的尺寸。最后，我们设置掩码的阈值，使其成为二进制数组/图像(第92行)。

我们还提取了对象所在的感兴趣区域(第95行)。

在本文后面的图8中可以看到遮罩和roi的可视化结果。

为了方便起见，下一个代码块实现了掩码、roi和分割实例的可视化，如果通过命令行设置了参数 --visualize的话。

Mask R-CNN with OpenCV---Python

# check to see if are going to visualize how to extract the# masked region itselfif args["visualize"] > 0:# convert the mask from a boolean to an integer mask with# to values: 0 or 255, then apply the maskvisMask = (mask * 255).astype("uint8")instance = cv2.bitwise_and(roi, roi, mask=visMask)

# show the extracted ROI, the mask, along with the# segmented instancecv2.imshow("ROI", roi)cv2.imshow("Mask", visMask)cv2.imshow("Segmented", instance)

这里，我们将兴趣区域用颜色表示出来，储存在原始的框架中。

然后我们绘制矩形框，并显示类别的颜色和置信度。

最后写入视频文件，清除缓存。

# check if the video writer is Noneif writer is None:# initialize our video writerfourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*"MJPG")writer = cv2.VideoWriter(args["output"], fourcc, 30,(frame.shape[1], frame.shape[0]), True) # some information on processing single frameif total > 0:elap = (end - start)print("[INFO] single frame took {:.4f} seconds".format(elap))print("[INFO] estimated total time to finish: {:.4f}".format(elap * total)) # write the output frame to diskwriter.write(frame) # release the file pointersprint("[INFO] cleaning up...")writer.release()vs.release()

我们视频中的第一个循环迭代

估计所用的处理时间将打印到终端上

我们循环的最后操作是通过编写器将帧写入磁盘。

你会注意到，我没有在屏幕上显示每个帧。显示操作非常耗时，当脚本完成处理时，你仍可以使用任何媒体播放器查看输出视频。

注意： 此外，OpenCV 不支持 NVIDIA GPU 的 dnn 模块。目前仅支持数量有限的 GPU，主要是英特尔 GPU。NVIDIA GPU 支持即将推出，但目前我们无法轻松地使用具有 OpenCV dnn 的 GPU.

最后，我们发布视频输入和输出文件指针。

现在，我们已经编码了我们的Mask R-CNN和OpenCV脚本的视频流，你可以自己尝试下！

确保你使用"下载"。

然后，你需要使用智能手机或其他录制设备收集你自己的视频。或者，你也可以像我一样从 YouTube 下载视频。

现在可以打开终端，执行下面代码：

$ python mask_rcnn_video.py --input videos/cats_and_dogs.mp4 \--output output/cats_and_dogs_output.avi --mask-rcnn mask-rcnn-coco[INFO] loading Mask R-CNN from disk...[INFO] 19312 total frames in video[INFO] single frame took 0.8585 seconds[INFO] estimated total time to finish: 16579.2047

图11：在上面的视频中，你可以找到包含狗和猫的有趣视频剪辑，并Mask R-CNN应用在上面！（观看这个视频：https://youtu.be/T_GXkW0BUyA）

下面是第二个例子，这里应用OpenCV和Mask R-CNN检测寒冷天气下滑动的汽车。

$ python mask_rcnn_video.py --input videos/slip_and_slide.mp4 \--output output/slip_and_slide_output.avi --mask-rcnn mask-rcnn-coco[INFO] loading Mask R-CNN from disk...[INFO] 17421 total frames in video[INFO] single frame took 0.9341 seconds[INFO] estimated total time to finish: 16272.9920

图12 利用Python和Opencv将Mask RCNN应用于视频中的车辆检测

你可以想象一下，将Mask RCNN应用于拥挤道路上，检查道路拥挤、车祸和需要帮助的车辆。（观看视频：https://www.youtube.com/watch?v=8nbzVARfosE）

文中视频和音频的来源：

猫狗：

“Try Not To Laugh Challenge – Funny Cat & Dog Vines compilation 2017”on YouTube（https://www.youtube.com/watch?v=EtH9Yllzjcc）

“Happy rock” on BenSound（https://www.bensound.com/royalty-free-music/track/happy-rock）

Slip and Slide：

“Compilation of Ridiculous Car Crash and Slip & Slide Winter Weather – Part 1” on YouTube（https://www.youtube.com/watch?v=i59v0p-gAtk）

“Epic” on BenSound（https://www.bensound.com/royalty-free-music/track/epic）

我该怎样训练自己的ask R-CNN模型？

图13：在我的书 Deep Learning for Computer Vision with Python中

Mask RCNN模型的预训练权重模型是在COCO数据集上训练得到的。

但是，如果你想在自定义数据集上训练 Mask  R-CNN呢？

在我的书Deep Learning for Computer Vision with Python中有详细介绍。

via https://www.pyimagesearch.com/2018/11/19/mask-r-cnn-with-opencv/

人工智能

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