【人工智能】Transformers之Pipeline（七）：图像分割（image-segmentation）

一、引言

二、图像分割（image-segmentation）

2.1 概述

2.2 技术原理

2.3 应用场景

2.4 pipeline参数

2.4.1 pipeline对象实例化参数

2.4.2 pipeline对象使用参数

2.4 pipeline实战

2.5 模型排名

三、总结

一、引言

pipeline（管道）是huggingface transformers库中一种极简方式使用大模型推理的抽象，将所有大模型分为音频（Audio）、计算机视觉（Computer vision）、自然语言处理（NLP）、多模态（Multimodal）等4大类，28小类任务（tasks）。共计覆盖32万个模型

今天介绍CV计算机视觉的第三篇，图像分割（image-segmentation），在huggingface库内有800个图像分类模型。

二、图像分割（image-segmentation）

2.1 概述

图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提出感兴趣目标的技术和过程。它是由图像处理到图像分析的关键步骤。现有的图像分割方法主要分以下几类：基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。从数学角度来看，图像分割是将数字图像划分成互不相交的区域的过程。图像分割的过程也是一个标记过程，即把属于同一区域的像素赋予相同的编号。

2.2 技术原理

图像分割（image-segmentation）的默认模型为facebook/detr-resnet-50-panoptic，全称为：DEtection TRansformer(DETR)-resnet-50-全景。其中有3个要素：

DEtection TRansformer (DETR)：于2020年5月由Facebook AI发布于《End-to-End Object Detection with Transformers》，提出了一种基于transformer的端到端目标检测方法，相比于YOLO具有更高的准确性，但速度不及YOLO，可以应用于医疗影像等不追求实时性的目标检测场景，对于追求实时性的目标检测场景，还是得YOLO，关于YOLOv10，可以看我之前的文章。
ResNet-50：ResNet-50是一种深度残差网络（Residual Network），是ResNet系列中的一种经典模型。它由微软研究院的Kaiming He等人于2015年提出，被广泛应用于计算机视觉任务，如图像分类、目标检测和图像分割等。ResNet-50是一种迁移学习模型，迁移学习的核心思想是将源领域的知识迁移到目标领域中，可以采用样本迁移、特征迁移、模型迁移、关系迁移等手段。
全景分割panoptic： DETR在COCO2017全景图（118k 带注释图像）上进行端到端训练，全景分割即可以将图片全景分割成多个区域，每个区域使用同一编号。

DEtection TRansformer(DETR)主体结构：

由三个主要部分组成：用于特征提取的CNN后端（ResNet）、transformer编码器-解码器和用于最终检测预测的前馈网络（FFN）。后端处理输入图像并生成激活图。transformer编码器降低通道维度并应用多头自注意力和前馈网络。transformer解码器使用N个物体嵌入的并行解码，并独立预测箱子坐标和类别标签，使用物体查询。DETR利用成对关系，从整个图像上下文中受益，共同推理所有物体。

DEtection TRansformer(DETR)应用于全景分割：

将图片内的box进行embedding后输入至MHA中提取每个box中的图片信息，采用Resnet生成激活图，采用pixel-wise（像素级别）的损失函数进行学习。pixel-wise损失函数是计算预测图像与目标图像的像素间的损失。属于像素间类型的损失函数，常见的有：MSE（L2损失），MAE（L1损失）和交叉熵等。计算机视觉领域的损失函数有3类：pixel-wise（像素级别），patch-wise（块级别），image-wise（图片级别）。

2.3 应用场景

医学影像分析：在医疗领域，图像分割用于识别和分割肿瘤、器官等，帮助医生进行诊断和手术规划。
自动驾驶：车辆需要识别道路、行人、其他车辆等，图像分割技术可以辅助车辆理解周围环境，提高安全性和导航准确性。
遥感与地图制作：通过分割卫星或无人机图像，可以自动识别水体、森林、建筑物等，用于城市规划、环境监测和自然资源管理。
增强现实：在AR应用中，分割技术用于区分前景和背景，使得虚拟物体能够自然地融入真实世界场景中。
时尚与零售：用于服装分割，帮助自动识别和分类衣物，用于在线购物的虚拟试穿或商品推荐。
自然资源管理：如森林火灾监测，通过分割图像识别火源区域。
体育分析：分析运动员动作，通过分割跟踪特定运动员或球的运动轨迹。

2.4 pipeline参数

2.4.1 pipeline对象实例化参数

model（PreTrainedModel或TFPreTrainedModel）— 管道将使用其进行预测的模型。对于 PyTorch，这需要从PreTrainedModel继承；对于 TensorFlow，这需要从TFPreTrainedModel继承。
image_processor ( BaseImageProcessor ) — 管道将使用的图像处理器来为模型编码数据。此对象继承自 BaseImageProcessor。
modelcard（str或ModelCard，可选）— 属于此管道模型的模型卡。
framework（str，可选）— 要使用的框架，"pt"适用于 PyTorch 或"tf"TensorFlow。必须安装指定的框架。
如果未指定框架，则默认为当前安装的框架。如果未指定框架且安装了两个框架，则默认为model的框架，如果未提供模型，则默认为 PyTorch。

task（str，默认为""）— 管道的任务标识符。
num_workers（int，可选，默认为 8）— 当管道将使用DataLoader（传递数据集时，在 Pytorch 模型的 GPU 上）时，要使用的工作者数量。
batch_size（int，可选，默认为 1）— 当管道将使用DataLoader（传递数据集时，在 Pytorch 模型的 GPU 上）时，要使用的批次的大小，对于推理来说，这并不总是有益的，请阅读使用管道进行批处理。
args_parser（ArgumentHandler，可选） - 引用负责解析提供的管道参数的对象。
device（int，可选，默认为 -1）— CPU/GPU 支持的设备序号。将其设置为 -1 将利用 CPU，设置为正数将在关联的 CUDA 设备 ID 上运行模型。您可以传递本机torch.device或str太
torch_dtype（str或torch.dtype，可选） - 直接发送model_kwargs（只是一种更简单的快捷方式）以使用此模型的可用精度（torch.float16，，torch.bfloat16...或"auto"）
binary_output（bool，可选，默认为False）——标志指示管道的输出是否应以序列化格式（即 pickle）或原始输出数据（例如文本）进行。

2.4.2 pipeline对象使用参数

images（str、List[str]或PIL.Image）List[PIL.Image]——管道处理三种类型的图像：
包含指向图像的 HTTP(S) 链接的字符串
包含图像本地路径的字符串
直接在 PIL 中加载的图像
管道可以接受单张图片或一批图片。一批图片中的图片必须全部采用相同的格式：全部为 HTTP(S) 链接、全部为本地路径或全部为 PIL 图片。

subtask（str，可选）— 要执行的分割任务，根据模型功能选择 [ semantic，instance和]。如果未设置，管道将尝试按以下顺序解析：，，。panopticpanopticinstancesemantic
threshold（float，可选，默认为 0.9）— 用于过滤预测掩码的概率阈值。
mask_threshold（float，可选，默认为 0.5）— 将预测掩码转换为二进制值时使用的阈值。
overlap_mask_area_threshold（float，可选，默认为 0.5）— 掩膜重叠阈值，用于消除小的、不连续的段。
timeout（可选float，默认为 None）— 等待从网络获取图像的最长时间（以秒为单位）。如果为 None，则不设置超时，并且调用可能会永远阻塞。

2.4 pipeline实战

识别http链接中的物品

采用pipeline代码如下

import os
os.environ["HF_ENDPOINT"] = "https://hf-mirror.com"
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "2"

from transformers import pipeline
image_segmentation = pipeline(task="image-segmentation",model="facebook/detr-resnet-50-panoptic")
output = image_segmentation("http://images.cocodataset.org/val2017/000000039769.jpg")
print(output)
"""
[{'score': 0.994096, 'label': 'cat', 'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x480 at 0x7F24E13B4710>}, {'score': 0.998669, 'label': 'remote', 'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x480 at 0x7F24E13B4950>}, {'score': 0.999476, 'label': 'remote', 'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x480 at 0x7F24A2836250>}, {'score': 0.972207, 'label': 'couch', 'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x480 at 0x7F24A2837210>}, {'score': 0.999423, 'label': 'cat', 'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x480 at 0x7F24A2836290>}]
"""
output[0]["mask"].save(output[0]["label"]+".png")

执行后，自动下载模型文件：

图像分割后的结果会存入字典list中，将图片Image保存后，打开可见分割出的图片：

2.5 模型排名

在huggingface上，我们将图像分割（image-segmentation）模型按下载量从高到低排序：

三、总结

本文对transformers之pipeline的图像分割（image-segmentation）从概述、技术原理、pipeline参数、pipeline实战、模型排名等方面进行介绍，读者可以基于pipeline使用文中的2行代码极简的使用计算机视觉中的图像分割（image-segmentation）模型。

期待您的3连+关注，如何还有时间，欢迎阅读我的其他文章：

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