Detectron 的 Pytorch 1.0 版本.

<maskrcnn-benchmark>

maskrcnn-benchmark 是在 PyTorch 1.0 版本框架实现的，实例分割和目标检测算法的快速、模块化开源实现，如 Faster R-CNN 和 Mask R-CNN 算法.

特点：

[1] - 基于 PyTorch 1.0

RPN，Faster R-CNN 和 Mask R-CNN 的实现，精度与 Detectron 相比，差不多，甚至超过后者.

[2] - 速度非常快 very fast

训练时，相比于 Detectron，速度快了 2x 倍；相比于 mmdetection 速度快了 30%.

[3] - 内存占用更少 Memory efficient

训练时，与 mmdetection 相比，GPU 显存少了大约 500 MB.

[4] - 支持多GPU训练和推断 Multi-GPU training and inference

[5] - 批量化推断 Batched inference

在每张 GPU 显卡上，每个batch可以多张图像进行推断.

[6] - 支持 CPU 推断 CPU support for inference

能够在 CPU 上进行推断. 例如，webcam demo.

[7] - 提供了参考 Mask R-CNN 和 Faster R-CNN 预训练模型和对应的 1x schedule 配置参数.

1. maskrcnn-benchmark 安装

项目安装说明 - INSTALL.md

maskrcnn-benchmark 基于 PyTorch 1.0，提供的安装说明是基于 PyTorch 1.0 nightly release 版本. 不过现在 PyTorch 1.0 正式版已经发布，这里采用了 PyTorch 1.0 正式版，Ubuntu16.04.

1.1 Ubuntu 环境下的安装

sudo pip3 install torch torchvision

其它依赖项：

sudo pip3 install ninja yacs cython matplotlib

#安装 pycocotools
cd $INSTALL_DIR
git clone https://github.com/cocodataset/cocoapi.git
cd cocoapi/PythonAPI
sudo python setup.py build_ext install

#安装 apex
cd $INSTALL_DIR
git clone https://github.com/NVIDIA/apex.git
cd apex
sudo python setup.py install --cuda_ext --cpp_ext

maskrcnn-benchmark 安装：

cd maskrcnn-benchmark/
# 安装相关 lib，创建软连接，可进行修改.
sudo python3 setup.py build develop

1.2 Docker 镜像(只支持Linux)

默认镜像的创建：CUDA=9.0/CUDNN=7:

sudo nvidia-docker build -t maskrcnn-benchmark docker/

其它 CUDA 和 CUDNN 版本的镜像：

sudo nvidia-docker build -t maskrcnn-benchmark --build-arg CUDA=9.2 --build-arg CUDNN=7 docker/

镜像创建，并在 jupyter notebook 中运行镜像：

sudo nvidia-docker build -t maskrcnn-benchmark-jupyter docker/docker-jupyter/
sudo nvidia-docker run -td -p 8888:8888 -e PASSWORD=<password> -v <host-dir>:<container-dir> maskrcnn-benchmark-jupyter

其中，password 用于登录 jupyter notebook.

2. Model_Zoo 和 Baselines

硬件环境：

  • 8 NVIDIA V100 GPUs

软件环境：

  • PyTorch version: 1.0.0a0+dd2c487
  • CUDA 9.2
  • CUDNN 7.1
  • NCCL 2.2.13-1

2.1 End-to-end Faster and Mask R-CNN baselines

这里的 baselines 模型的训练采用了与 Detectron 相同的参数配置. 如 Detectron，检测模型的权重初始化采用了 ImageNet 的 Caffe2 预训练权重.

预训练模型(model id) 如下：

backbonetypelr schedim / gputrain mem(GB)inference time(s/im)box APmask APmodel id
R-50-C4Fast1x15.80.1713034.8-6358800
R-50-FPNFast1x24.40.1258036.8-6358793
R-101-FPNFast1x27.10.14314939.1-6358804
X-101-32x8d-FPNFast1x17.60.20996541.2-6358717
R-50-C4Mask1x15.80.17796 + 0.02835.631.56358801
R-50-FPNMask1x25.20.12966 + 0.03437.834.26358792
R-101-FPNMask1x27.90.15384 + 0.03440.136.16358805
X-101-32x8d-FPNMask1x17.80.21739 + 0.03442.237.86358718

2.2 与 Detectron 和 mmdetection 对比

Detectron 和 mmdetection相对比，进行分析，包括训练速度，训练显存占用，精度等.

2.2.1 训练速度

如下表，表格里的值为 seconds/iteration，值越小越好.

typeDetectron (P100)mmdetection (V100)maskrcnn_benchmark (V100)
Faster R-CNN R-50 C40.566-0.4036
Faster R-CNN R-50 FPN0.5440.5540.3530
Faster R-CNN R-101 FPN0.647-0.4591
Faster R-CNN X-101-32x8d FPN0.799-0.7007
Mask R-CNN R-50 C40.620-0.4520
Mask R-CNN R-50 FPN0.8890.6900.4536
Mask R-CNN R-101 FPN1.008-0.5665
Mask R-CNN X-101-32x8d FPN0.961-0.7562

2.2.2 训练显存占用

如下表，值越小越好.

typeDetectron (P100)mmdetection (V100)maskrcnn_benchmark (V100)
Faster R-CNN R-50 C46.3-5.8
Faster R-CNN R-50 FPN7.24.94.4
Faster R-CNN R-101 FPN8.9-7.1
Faster R-CNN X-101-32x8d FPN7.0-7.6
Mask R-CNN R-50 C46.6-5.8
Mask R-CNN R-50 FPN8.65.95.2
Mask R-CNN R-101 FPN10.2-7.9
Mask R-CNN X-101-32x8d FPN7.7-7.8

2.2.3 精度

如下表，值越高越好.

typeDetectron (P100)mmdetection (V100)maskrcnn_benchmark (V100)
Faster R-CNN R-50 C434.8-34.8
Faster R-CNN R-50 FPN36.736.736.8
Faster R-CNN R-101 FPN39.4-39.1
Faster R-CNN X-101-32x8d FPN41.3-41.2
Mask R-CNN R-50 C435.8 & 31.4-35.6 & 31.5
Mask R-CNN R-50 FPN37.7 & 33.937.5 & 34.437.8 & 34.2
Mask R-CNN R-101 FPN40.0 & 35.9-40.1 & 36.1
Mask R-CNN X-101-32x8d FPN42.1 & 37.3-42.2 & 37.8

3. Mask R-CNN demo

#!--*-- coding:utf-8 --*--

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.pylab as pylab

import requests
from io import BytesIO
from PIL import Image
import numpy as np

pylab.rcParams['figure.figsize'] = 20, 12

from maskrcnn_benchmark.config import cfg
from predictor import COCODemo


# 参数配置文件
config_file = "../configs/caffe2/e2e_mask_rcnn_R_50_FPN_1x_caffe2.yaml"

cfg.merge_from_file(config_file)
cfg.merge_from_list(["MODEL.DEVICE", "cpu"])
cfg.MODEL.WEIGHT = '../pretrained/e2e_mask_rcnn_R_50_FPN_1x.pth'

coco_demo = COCODemo(cfg, min_image_size=800, confidence_threshold=0.7, )

if False:
    # imgurl = "http://farm3.staticflickr.com/2469/3915380994_2e611b1779_z.jpg"
    # response = requests.get(imgurl)
    # pil_image = Image.open(BytesIO(response.content)).convert("RGB")
else:
    imgfile = './test/2417959.jpg'
    pil_image = Image.open(imgfile).convert("RGB")

image = np.array(pil_image)[:, :, [2, 1, 0]]

# forward predict
predictions = coco_demo.run_on_opencv_image(image)

# vis
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.imshow(image[:,:,::-1])
plt.axis('off')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.imshow(predictions[:,:,::-1])
plt.axis('off')
plt.show()

如：

4. 模型训练

4.1 在 COCO 数据集上训练

采用 Detectron 的 minival 和 valminusminival数据集进行模型训练.

建立数据集软连接：

# COCO 数据集:
cd ~/github/maskrcnn-benchmark
mkdir -p datasets/coco
ln -s /path_to_coco_dataset/annotations datasets/coco/annotations
ln -s /path_to_coco_dataset/train2014 datasets/coco/train2014
ln -s /path_to_coco_dataset/test2014 datasets/coco/test2014
ln -s /path_to_coco_dataset/val2014 datasets/coco/val2014
# Pascal voc 数据集:
ln -s /path_to_VOCdevkit_dir datasets/voc

也可以配置自定义数据集路径. 对此，需要修改 maskrcnn_benchmark/config/paths_catalog.py 中数据集保存的路径位置.

也可以新建 paths_catalog.py 文件，来实现相同的两个类classes，然后，在训练时，作为配置参数 PATHS_CATALOG 进行传递.

4.2 单 GPU 训练

该项目里提供的大部分配置文件是默认在 8 张 GPUs 进行训练的. 为了能够在只有较少 GPUs 时运行，还提供了少量单 GPU 训练配置参数文件等.

[1] - 直接运行如下命令：

python /path_to_maskrcnn_benchmark/tools/train_net.py
                    --config-file "/path/to/config/file.yaml"

该命令应该是可以正常运行的，且很类似于在 multi-GPU 的训练. 但，其缺点在于，会占用更多的 GPU 显存. 其原因是，在配置文件中，global batch size 是根据 GPUs 数量进行划分的；如果只有单张 GPU，则，意味着其 batch size 是 8x 的，可能会导致出现显存不足的问题.

如果显存足够的话，这是最简单的方案.

[2] - 修改 cfg参数：

如果遇到显存不足的问题，可以减少 global batch size. 不过还需要同时修改学习率(learning rate)、迭代次数和学习率调度(learning rate schedule) 等.

如，Mask R-CNN R-50 FPN with the 1x schedule：

python tools/train_net.py 
    --config-file "configs/e2e_mask_rcnn_R_50_FPN_1x.yaml" 
    SOLVER.IMS_PER_BATCH 2 
    SOLVER.BASE_LR 0.0025 
    SOLVER.MAX_ITER 720000 
    SOLVER.STEPS "(480000, 640000)" 
    TEST.IMS_PER_BATCH 1

参考了 scheduling rules from Detectron.

注：这里已经讲迭代次数乘以了8x 倍，学习率调度也乘以了 8x 倍.，学习率除以了 8x 倍.

此外，还修改了测试阶段的 batch size，这通常并不是必须的，因为测试阶段需要的显存比训练阶段的要少很多.

4.3 多 GPUs 训练

内部采用了 torch.distributed.launch 来进行多GPUs 训练. 该 PyTorch 辅助函数可以提供与 GPUs 数量一致的 Python 进程(processes)，且每个 Python 进程只使用单个 GPU.

export NGPUS=8
python -m torch.distributed.launch 
    --nproc_per_node=$NGPUS 
    /path_to_maskrcnn_benchmark/tools/train_net.py 
    --config-file "path/to/config/file.yaml"

4.4 添加自定义数据集

采用 COCO-style 格式的数据集形式. 如：

class MyDataset(object):
    def __init__(self, ...):
        # as you would do normally
    
    def __getitem__(self, idx):
        # load the image as a PIL Image
        image = ...

        # load the bounding boxes as a list of list of boxes
        # in this case, for illustrative purposes, we use
        # x1, y1, x2, y2 order.
        boxes = [[0, 0, 10, 10], [10, 20, 50, 50]]
        # and labels
        labels = torch.tensor([10, 20])

        # create a BoxList from the boxes
        boxlist = BoxList(boxes, image.size, mode="xyxy")
        # add the labels to the boxlist
        boxlist.add_field("labels", labels)

        if self.transforms:
            image, boxlist = self.transforms(image, boxlist)

        # return the image, the boxlist and the idx in your dataset
        return image, boxlist, idx

    def get_img_info(self, idx):
        # get img_height and img_width. This is used if
        # we want to split the batches according to the aspect ratio
        # of the image, as it can be more efficient than loading the
        # image from disk
        return {"height": img_height, "width": img_width}

也可以添加其它的 fields 到 boxlist，如，segmentation masks(采用 structures.segmentation_mask.SegmentationMask)，以及其它自定义实例类型.

COCODataset 的具体实现 - maskrcnn_benchmark/data/datasets/coco.py.

5. Abstractions

ABSTRACTIONS.md.

该项目里涉及的主要抽象.

5.1 ImageList

PyTorch 中，网络输入的第一维通常是 batchsize 维，因此，同一个 batch 的所有样本具有相同的 height 和 width.

但是，为了支持在同一个 batch 内的图片能够是不同尺寸和长宽比(aspect ratios)的，该项目新建了 ImageList 类，其能够内部支持 batch 内不同尺寸的图像. 所有的图片进行了补零(padding with zeros)，以确保图像尺寸相同，并可以可以根据第一维进行 batch 化. 补零前的图像原始尺寸保存在 image_sizes属性中，batch 化后的张量保存在 tensors 中.

该项目提供了一个工具函数 - to_image_list，其输入支持不同的类型，如，tensors 列表，并返回 ImageList 对象.

from maskrcnn_benchmark.structures.image_list import to_image_list

images = [torch.rand(3, 100, 200), torch.rand(3, 150, 170)]
batched_images = to_image_list(images)

# it is also possible to make the final batched image be a multiple of a number
batched_images_32 = to_image_list(images, size_divisible=32)

5.2 BoxList

BoxList 类保存了特定图像的边界框数据，bounding boxes，Nx4 tensor，以及图像的尺寸，(width, height) 数组.

此外，还包含了关于边界框几何变换的方法，如，裁剪cropping，缩放scaling 和翻转flipping.

BoxList的输入边界框格式，支持两种形式：

  • [1] - xyxy - 每个 box 记为 x1, x2, y1, y2 坐标的形式.
  • [2] - xywh - 每个 box 记为 x1, y1, w, h 的形式.

另外，每个 BoxList实例还可以包含每个边界框的任意新增信息，如，labels，可见性visibility，概率值probability scores 等.

BoxList 的创建，例如：

width = 100
height = 200
boxes = [
  [0, 10, 50, 50],
  [50, 20, 90, 60],
  [10, 10, 50, 50]
]
# create a BoxList with 3 boxes
bbox = BoxList(boxes, image_size=(width, height), mode='xyxy')

# perform some box transformations, has similar API as PIL.Image
bbox_scaled = bbox.resize((width * 2, height * 3))
bbox_flipped = bbox.transpose(FLIP_LEFT_RIGHT)

# add labels for each bbox
labels = torch.tensor([0, 10, 1])
bbox.add_field('labels', labels)

# bbox also support a few operations, like indexing
# here, selects boxes 0 and 2
bbox_subset = bbox[[0, 2]]
Last modification：June 19th, 2019 at 09:25 am
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