基于改进分割头部网络YOLOv5的墙体裂缝分割系统

基于改进分割头部网络YOLOv5的墙体裂缝分割系统

1.研究背景与意义

项目参考AAAI Association for the Advancement of Artificial Intelligence

研究背景与意义

进入二十一世纪以后，我国经济的发展和居民对于便利出行的需求的日益增加，推动了我国高速公路的快速发展。目前，我国拥有全球最大的高速公路网，高速公路里程居世界第一。随着我国高速公路的高速发展，现在已经进入高速公路的养护阶段"I,因此路面病害的及时发现和修复就变得尤为重要。而路面裂缝作为最为常见的路面病害之一，如果能在裂缝发生的早期及时发现、及时修补，不仅能够有效防止其发展成更为严重的路面病害，从而保证行车安全，还能延长高速公路的使用时间P。所以，快捷方便且安全的路面裂缝检测方法对协助道路养护人员制定合理的道路养护方案有着重要的实际意义。
路面裂缝检测方法包括:传统人工检测的方法和自动检测。传统人工检测的方法不仅耗费大量人力物力财力，而且检测结果容易受到检测人员主观判断的影响，效率较低，难以满足当前巨大工作量的检测需求。因此，路面裂缝的自动检测已经成为裂缝检测的主流方法。裂缝的自动检测方法在过去二三十年取得了很大的发展，国内外学者提出了很多裂缝识别算法，这些算法按照使用方法的不同可分为两类:①基于传统图像处理的方法;②基于深度学习的方法。
常用的传统图像处理方式有如下:①阈值分割法，该方法根据裂缝与背景像素的差异特征设定阈值来提取裂缝;②边界检测法，该方法利用图像处理的各种算子检测裂缝的边界像素;③小波变换法，该方法把输入数据按照频率分解，然后从高频区域检测裂缝;④形态学的方法通过检测裂缝像素的连通性提取裂缝l3.4]。由于二维图像的局限性，还有部分研究人员提出利用路面的三维数据检测裂缝，因为三维数据中包含有比二维图像更多的裂缝特征，有利于裂缝的识别。
随着深度学习5l在各个领域的广泛应用，越来越多的人将深度学习的方法应用到裂缝识别的任务中，与主动提取裂缝特征的裂缝检测方式相比，采用深度学习的方法可以自主学习裂缝的特征，并且可以学习到裂缝更全面更准确的特征信息，更有利于提高裂缝检测的准确率。

2.图片演示

3.视频演示

基于改进分割头部网络YOLOv5的墙体裂缝分割系统_哔哩哔哩_bilibili

4.数据集的采集＆标注和整理

图片的收集

首先，我们需要收集所需的图片。这可以通过不同的方式来实现，例如使用现有的公开数据集CrackData。

使用labelImg进行标注

labelImg是一个图形化的图像注释工具，支持VOC和YOLO格式。以下是使用labelImg将图片标注为VOC格式的步骤：

（1）下载并安装labelImg。
（2）打开labelImg并选择“Open Dir”来选择你的图片目录。
（3）为你的目标对象设置标签名称。
（4）在图片上绘制矩形框，选择对应的标签。
（5）保存标注信息，这将在图片目录下生成一个与图片同名的XML文件。
（6）重复此过程，直到所有的图片都标注完毕。

转换为YOLO格式

由于YOLO使用的是txt格式的标注，我们需要将VOC格式转换为YOLO格式。可以使用各种转换工具或脚本来实现。

下面是一个简单的方法是使用Python脚本，该脚本读取COCO_Json文件，然后将其转换为YOLO所需的txt格式。

import contextlib
import json

import cv2
import pandas as pd
from PIL import Image
from collections import defaultdict

from utils import *


# Convert INFOLKS JSON file into YOLO-format labels ----------------------------
def convert_infolks_json(name, files, img_path):
    # Create folders
    path = make_dirs()

    # Import json
    data = []
    for file in glob.glob(files):
        with open(file) as f:
            jdata = json.load(f)
            jdata['json_file'] = file
            data.append(jdata)

    # Write images and shapes
    name = path + os.sep + name
    file_id, file_name, wh, cat = [], [], [], []
    for x in tqdm(data, desc='Files and Shapes'):
        f = glob.glob(img_path + Path(x['json_file']).stem + '.*')[0]
        file_name.append(f)
        wh.append(exif_size(Image.open(f)))  # (width, height)
        cat.extend(a['classTitle'].lower() for a in x['output']['objects'])  # categories

        # filename
        with open(name + '.txt', 'a') as file:
            file.write('%s\n' % f)

    # Write *.names file
    names = sorted(np.unique(cat))
    # names.pop(names.index('Missing product'))  # remove
    with open(name + '.names', 'a') as file:
        [file.write('%s\n' % a) for a in names]

    # Write labels file
    for i, x in enumerate(tqdm(data, desc='Annotations')):
        label_name = Path(file_name[i]).stem + '.txt'

        with open(path + '/labels/' + label_name, 'a') as file:
            for a in x['output']['objects']:
                # if a['classTitle'] == 'Missing product':
                #    continue  # skip

                category_id = names.index(a['classTitle'].lower())

                # The INFOLKS bounding box format is [x-min, y-min, x-max, y-max]
                box = np.array(a['points']['exterior'], dtype=np.float32).ravel()
                box[[0, 2]] /= wh[i][0]  # normalize x by width
                box[[1, 3]] /= wh[i][1]  # normalize y by height
                box = [box[[0, 2]].mean(), box[[1, 3]].mean(), box[2] - box[0], box[3] - box[1]]  # xywh
                if (box[2] > 0.) and (box[3] > 0.):  # if w > 0 and h > 0
                    file.write('%g %.6f %.6f %.6f %.6f\n' % (category_id, *box))

    # Split data into train, test, and validate files
    split_files(name, file_name)
    write_data_data(name + '.data', nc=len(names))
    print(f'Done. Output saved to {os.getcwd() + os.sep + path}')


# Convert vott JSON file into YOLO-format labels -------------------------------
def convert_vott_json(name, files, img_path):
    # Create folders
    path = make_dirs()
    name = path + os.sep + name

    # Import json
    data = []
    for file in glob.glob(files):
        with open(file) as f:
            jdata = json.load(f)
            jdata['json_file'] = file
            data.append(jdata)

    # Get all categories
    file_name, wh, cat = [], [], []
    for i, x in enumerate(tqdm(data, desc='Files and Shapes')):
        with contextlib.suppress(Exception):
            cat.extend(a['tags'][0] for a in x['regions'])  # categories

    # Write *.names file
    names = sorted(pd.unique(cat))
    with open(name + '.names', 'a') as file:
        [file.write('%s\n' % a) for a in names]

    # Write labels file
    n1, n2 = 0, 0
    missing_images = []
    for i, x in enumerate(tqdm(data, desc='Annotations')):

        f = glob.glob(img_path + x['asset']['name'] + '.jpg')
        if len(f):
            f = f[0]
            file_name.append(f)
            wh = exif_size(Image.open(f))  # (width, height)

            n1 += 1
            if (len(f) > 0) and (wh[0] > 0) and (wh[1] > 0):
                n2 += 1

                # append filename to list
                with open(name + '.txt', 'a') as file:
                    file.write('%s\n' % f)

                # write labelsfile
                label_name = Path(f).stem + '.txt'
                with open(path + '/labels/' + label_name, 'a') as file:
                    for a in x['regions']:
                        category_id = names.index(a['tags'][0])

                        # The INFOLKS bounding box format is [x-min, y-min, x-max, y-max]
                        box = a['boundingBox']
                        box = np.array([box['left'], box['top'], box['width'], box['height']]).ravel()
                        box[[0, 2]] /= wh[0]  # normalize x by width
                        box[[1, 3]] /= wh[1]  # normalize y by height
                        box = [box[0] + box[2] / 2, box[1] + box[3] / 2, box[2], box[3]]  # xywh

                        if (box[2] > 0.) and (box[3] > 0.):  # if w > 0 and h > 0
                            file.write('%g %.6f %.6f %.6f %.6f\n' % (category_id, *box))
        else:
            missing_images.append(x['asset']['name'])

    print('Attempted %g json imports, found %g images, imported %g annotations successfully' % (i, n1, n2))
    if len(missing_images):
        print('WARNING, missing images:', missing_images)

    # Split data into train, test, and validate files
    split_files(name, file_name)
    print(f'Done. Output saved to {os.getcwd() + os.sep + path}')


# Convert ath JSON file into YOLO-format labels --------------------------------
def convert_ath_json(json_dir):  # dir contains json annotations and images
    # Create folders
    dir = make_dirs()  # output directory

    jsons = []
    for dirpath, dirnames, filenames in os.walk(json_dir):
        jsons.extend(
            os.path.join(dirpath, filename)
            for filename in [
                f for f in filenames if f.lower().endswith('.json')
            ]
        )

    # Import json
    n1, n2, n3 = 0, 0, 0
    missing_images, file_name = [], []
    for json_file in sorted(jsons):
        with open(json_file) as f:
            data = json.load(f)

        # # Get classes
        # try:
        #     classes = list(data['_via_attributes']['region']['class']['options'].values())  # classes
        # except:
        #     classes = list(data['_via_attributes']['region']['Class']['options'].values())  # classes

        # # Write *.names file
        # names = pd.unique(classes)  # preserves sort order
        # with open(dir + 'data.names', 'w') as f:
        #     [f.write('%s\n' % a) for a in names]

        # Write labels file
        for x in tqdm(data['_via_img_metadata'].values(), desc=f'Processing {json_file}'):
            image_file = str(Path(json_file).parent / x['filename'])
            f = glob.glob(image_file)  # image file
            if len(f):
                f = f[0]
                file_name.append(f)
                wh = exif_size(Image.open(f))  # (width, height)

                n1 += 1  # all images
                if len(f) > 0 and wh[0] > 0 and wh[1] > 0:
                    label_file = dir + 'labels/' + Path(f).stem + '.txt'

                    nlabels = 0
                    try:
                        with open(label_file, 'a') as file:  # write labelsfile
                            # try:
                            #     category_id = int(a['region_attributes']['class'])
                            # except:
                            #     category_id = int(a['region_attributes']['Class'])
                            category_id = 0  # single-class

                            for a in x['regions']:
                                # bounding box format is [x-min, y-min, x-max, y-max]
                                box = a['shape_attributes']
                                box = np.array([box['x'], box['y'], box['width'], box['height']],
                                               dtype=np.float32).ravel()
                                box[[0, 2]] /= wh[0]  # normalize x by width
                                box[[1, 3]] /= wh[1]  # normalize y by height
                                box = [box[0] + box[2] / 2, box[1] + box[3] / 2, box[2],
                                       box[3]]  # xywh (left-top to center x-y)

                                if box[2] > 0. and box[3] > 0.:  # if w > 0 and h > 0
                                    file.write('%g %.6f %.6f %.6f %.6f\n' % (category_id, *box))
                                    n3 += 1
                                    nlabels += 1

                        if nlabels == 0:  # remove non-labelled images from dataset
                            os.system(f'rm {label_file}')
                            # print('no labels for %s' % f)
                            continue  # next file

                        # write image
                        img_size = 4096  # resize to maximum
                        img = cv2.imread(f)  # BGR
                        assert img is not None, 'Image Not Found ' + f
                        r = img_size / max(img.shape)  # size ratio
                        if r < 1:  # downsize if necessary
                            h, w, _ = img.shape
                            img = cv2.resize(img, (int(w * r), int(h * r)), interpolation=cv2.INTER_AREA)

                        ifile = dir + 'images/' + Path(f).name
                        if cv2.imwrite(ifile, img):  # if success append image to list
                            with open(dir + 'data.txt', 'a') as file:
                                file.write('%s\n' % ifile)
                            n2 += 1  # correct images

                    except Exception:
                        os.system(f'rm {label_file}')
                        print(f'problem with {f}')

            else:
                missing_images.append(image_file)

    nm = len(missing_images)  # number missing
    print('\nFound %g JSONs with %g labels over %g images. Found %g images, labelled %g images successfully' %
          (len(jsons), n3, n1, n1 - nm, n2))
    if len(missing_images):
        print('WARNING, missing images:', missing_images)

    # Write *.names file
    names = ['knife']  # preserves sort order
    with open(dir + 'data.names', 'w') as f:
        [f.write('%s\n' % a) for a in names]

    # Split data into train, test, and validate files
    split_rows_simple(dir + 'data.txt')
    write_data_data(dir + 'data.data', nc=1)
    print(f'Done. Output saved to {Path(dir).absolute()}')


def convert_coco_json(json_dir='../coco/annotations/', use_segments=False, cls91to80=False):
    save_dir = make_dirs()  # output directory
    coco80 = coco91_to_coco80_class()

    # Import json
    for json_file in sorted(Path(json_dir).resolve().glob('*.json')):
        fn = Path(save_dir) / 'labels' / json_file.stem.replace('instances_', '')  # folder name
        fn.mkdir()
        with open(json_file) as f:
            data = json.load(f)

        # Create image dict
        images = {'%g' % x['id']: x for x in data['images']}
        # Create image-annotations dict
        imgToAnns = defaultdict(list)
        for ann in data['annotations']:
            imgToAnns[ann['image_id']].append(ann)

        # Write labels file
        for img_id, anns in tqdm(imgToAnns.items(), desc=f'Annotations {json_file}'):
            img = images['%g' % img_id]
            h, w, f = img['height'], img['width'], img['file_name']

            bboxes = []
            segments = []
            for ann in anns:
                if ann['iscrowd']:
                    continue
                # The COCO box format is [top left x, top left y, width, height]
                box = np.array(ann['bbox'], dtype=np.float64)
                box[:2] += box[2:] / 2  # xy top-left corner to center
                box[[0, 2]] /= w  # normalize x
                box[[1, 3]] /= h  # normalize y
                if box[2] <= 0 or box[3] <= 0:  # if w <= 0 and h <= 0
                    continue

                cls = coco80[ann['category_id'] - 1] if cls91to80 else ann['category_id'] - 1  # class
                box = [cls] + box.tolist()
                if box not in bboxes:
                    bboxes.append(box)
                # Segments
                if use_segments:
                    if len(ann['segmentation']) > 1:
                        s = merge_multi_segment(ann['segmentation'])
                        s = (np.concatenate(s, axis=0) / np.array([w, h])).reshape(-1).tolist()
                    else:
                        s = [j for i in ann['segmentation'] for j in i]  # all segments concatenated
                        s = (np.array(s).reshape(-1, 2) / np.array([w, h])).reshape(-1).tolist()
                    s = [cls] + s
                    if s not in segments:
                        segments.append(s)

            # Write
            with open((fn / f).with_suffix('.txt'), 'a') as file:
                for i in range(len(bboxes)):
                    line = *(segments[i] if use_segments else bboxes[i]),  # cls, box or segments
                    file.write(('%g ' * len(line)).rstrip() % line + '\n')


def min_index(arr1, arr2):
    """Find a pair of indexes with the shortest distance. 
    Args:
        arr1: (N, 2).
        arr2: (M, 2).
    Return:
        a pair of indexes(tuple).
    """
    dis = ((arr1[:, None, :] - arr2[None, :, :]) ** 2).sum(-1)
    return np.unravel_index(np.argmin(dis, axis=None), dis.shape)


def merge_multi_segment(segments):
    """Merge multi segments to one list.
    Find the coordinates with min distance between each segment,
    then connect these coordinates with one thin line to merge all 
    segments into one.

    Args:
        segments(List(List)): original segmentations in coco's json file.
            like [segmentation1, segmentation2,...], 
            each segmentation is a list of coordinates.
    """
    s = []
    segments = [np.array(i).reshape(-1, 2) for i in segments]
    idx_list = [[] for _ in range(len(segments))]

    # record the indexes with min distance between each segment
    for i in range(1, len(segments)):
        idx1, idx2 = min_index(segments[i - 1], segments[i])
        idx_list[i - 1].append(idx1)
        idx_list[i].append(idx2)

    # use two round to connect all the segments
    for k in range(2):
        # forward connection
        if k == 0:
            for i, idx in enumerate(idx_list):
                # middle segments have two indexes
                # reverse the index of middle segments
                if len(idx) == 2 and idx[0] > idx[1]:
                    idx = idx[::-1]
                    segments[i] = segments[i][::-1, :]

                segments[i] = np.roll(segments[i], -idx[0], axis=0)
                segments[i] = np.concatenate([segments[i], segments[i][:1]])
                # deal with the first segment and the last one
                if i in [0, len(idx_list) - 1]:
                    s.append(segments[i])
                else:
                    idx = [0, idx[1] - idx[0]]
                    s.append(segments[i][idx[0]:idx[1] + 1])

        else:
            for i in range(len(idx_list) - 1, -1, -1):
                if i not in [0, len(idx_list) - 1]:
                    idx = idx_list[i]
                    nidx = abs(idx[1] - idx[0])
                    s.append(segments[i][nidx:])
    return s


def delete_dsstore(path='../datasets'):
    # Delete apple .DS_store files
    from pathlib import Path
    files = list(Path(path).rglob('.DS_store'))
    print(files)
    for f in files:
        f.unlink()


if __name__ == '__main__':
    source = 'COCO'

    if source == 'COCO':
        convert_coco_json('./annotations',  # directory with *.json
                          use_segments=True,
                          cls91to80=True)

    elif source == 'infolks':  # Infolks https://infolks.info/
        convert_infolks_json(name='out',
                             files='../data/sm4/json/*.json',
                             img_path='../data/sm4/images/')

    elif source == 'vott':  # VoTT https://github.com/microsoft/VoTT
        convert_vott_json(name='data',
                          files='../../Downloads/athena_day/20190715/*.json',
                          img_path='../../Downloads/athena_day/20190715/')  # images folder

    elif source == 'ath':  # ath format
        convert_ath_json(json_dir='../../Downloads/athena/')  # images folder

    # zip results
    # os.system('zip -r ../coco.zip ../coco')


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整理数据文件夹结构

我们需要将数据集整理为以下结构：

-----data
   |-----train
   |   |-----images
   |   |-----labels
   |
   |-----valid
   |   |-----images
   |   |-----labels
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   |-----test
       |-----images
       |-----labels

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确保以下几点：

所有的训练图片都位于data/train/images目录下，相应的标注文件位于data/train/labels目录下。
所有的验证图片都位于data/valid/images目录下，相应的标注文件位于data/valid/labels目录下。
所有的测试图片都位于data/test/images目录下，相应的标注文件位于data/test/labels目录下。
这样的结构使得数据的管理和模型的训练、验证和测试变得非常方便。

模型训练

 Epoch   gpu_mem       box       obj       cls    labels  img_size
 1/200     20.8G   0.01576   0.01955  0.007536        22      1280: 100%|██████████| 849/849 [14:42<00:00,  1.04s/it]
           Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 100%|██████████| 213/213 [01:14<00:00,  2.87it/s]
             all       3395      17314      0.994      0.957      0.0957      0.0843

 Epoch   gpu_mem       box       obj       cls    labels  img_size
 2/200     20.8G   0.01578   0.01923  0.007006        22      1280: 100%|██████████| 849/849 [14:44<00:00,  1.04s/it]
           Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 100%|██████████| 213/213 [01:12<00:00,  2.95it/s]
             all       3395      17314      0.996      0.956      0.0957      0.0845

 Epoch   gpu_mem       box       obj       cls    labels  img_size
 3/200     20.8G   0.01561    0.0191  0.006895        27      1280: 100%|██████████| 849/849 [10:56<00:00,  1.29it/s]
           Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 100%|███████   | 187/213 [00:52<00:00,  4.04it/s]
             all       3395      17314      0.996      0.957      0.0957      0.0845
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5.核心代码讲解

5.1 C3RFEM.py

根据给定的代码，我们可以将其封装为以下两个类：

class TridentBlock(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, stride=1, c=False, e=0.5, padding=[1, 2, 3], dilate=[1, 2, 3], bias=False):
        super(TridentBlock, self).__init__()
        self.stride = stride
        self.c = c
        c_ = int(c2 * e)
        self.padding = padding
        self.dilate = dilate
        self.share_weightconv1 = nn.Parameter(torch.Tensor(c_, c1, 1, 1))
        self.share_weightconv2 = nn.Parameter(torch.Tensor(c2, c_, 3, 3))

        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(c_)
        self.bn2 = nn.BatchNorm2d(c2)

        self.act = nn.SiLU()

        nn.init.kaiming_uniform_(self.share_weightconv1, nonlinearity="relu")
        nn.init.kaiming_uniform_(self.share_weightconv2, nonlinearity="relu")

        if bias:
            self.bias = nn.Parameter(torch.Tensor(c2))
        else:
            self.bias = None

        if self.bias is not None:
            nn.init.constant_(self.bias, 0)

    def forward_for_small(self, x):
        residual = x
        out = nn.functional.conv2d(x, self.share_weightconv1, bias=self.bias)
        out = self.bn1(out)
        out = self.act(out)

        out = nn.functional.conv2d(out, self.share_weightconv2, bias=self.bias, stride=self.stride, padding=self.padding[0],
                                   dilation=self.dilate[0])
        out = self.bn2(out)
        out += residual
        out = self.act(out)

        return out

    def forward_for_middle(self, x):
        residual = x
        out = nn.functional.conv2d(x, self.share_weightconv1, bias=self.bias)
        out = self.bn1(out)
        out = self.act(out)

        out = nn.functional.conv2d(out, self.share_weightconv2, bias=self.bias, stride=self.stride, padding=self.padding[1],
                                   dilation=self.dilate[1])
        out = self.bn2(out)
        out += residual
        out = self.act(out)

        return out

    def forward_for_big(self, x):
        residual = x
        out = nn.functional.conv2d(x, self.share_weightconv1, bias=self.bias)
        out = self.bn1(out)
        out = self.act(out)

        out = nn.functional.conv2d(out, self.share_weightconv2, bias=self.bias, stride=self.stride, padding=self.padding[2],
                                   dilation=self.dilate[2])
        out = self.bn2(out)
        out += residual
        out = self.act(out)

        return out

    def forward(self, x):
        xm = x
        base_feat = []
        if self.c is not False:
            x1 = self.forward_for_small(x)
            x2 = self.forward_for_middle(x)
            x3 = self.forward_for_big(x)
        else:
            x1 = self.forward_for_small(xm[0])
            x2 = self.forward_for_middle(xm[1])
            x3 = self.forward_for_big(xm[2])

        base_feat.append(x1)
        base_feat.append(x2)
        base_feat.append(x3)

        return base_feat


class RFEM(nn.Module):
    def __init__(self, c1, c2, n=1, e=0.5, stride=1):
        super(RFEM, self).__init__()
        c = True
        layers = []
        layers.append(TridentBlock(c1, c2, stride=stride, c=c, e=e))
        c1 = c2
        for i in range(1, n):
            layers.append(TridentBlock(c1, c2))
        self.layer = nn.Sequential(*layers)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = nn.SiLU()

    def forward(self, x):
        out = self.layer(x)
        out = out[0] + out[1] + out[2] + x
        out = self.act(self.bn(out))
        return out
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这两个类分别是TridentBlock和RFEM。TridentBlock类实现了forward_for_small、forward_for_middle和forward_for_big方法，用于处理不同尺度的输入。RFEM类是TridentBlock的封装，用于构建多个TridentBlock层的序列，并添加了一些额外的操作。

该程序文件是一个Python脚本，文件名为C3RFEM.py。该脚本定义了三个类：TridentBlock、RFEM和C3RFEM。

TridentBlock类是一个继承自nn.Module的模块，用于实现TridentBlock结构。它包含了三个方法：forward_for_small、forward_for_middle和forward_for_big，分别用于处理输入的小、中、大尺寸的特征图。在forward方法中，根据输入的尺寸选择对应的方法进行处理，并将处理结果存入一个列表中返回。

RFEM类是一个继承自nn.Module的模块，用于实现RFEM结构。它包含了一个Sequential容器，其中包含了多个TridentBlock模块。在forward方法中，将输入通过Sequential容器进行处理，并将处理结果与输入进行相加，最后经过BatchNorm2d和SiLU激活函数处理后返回。

C3RFEM类是一个继承自C3的模块，用于实现C3RFEM结构。它在初始化方法中调用了父类C3的初始化方法，并定义了一个Sequential容器，其中包含了多个RFEM模块。在forward方法中，将输入通过Sequential容器进行处理，并返回处理结果。

除了这三个类外，该脚本还包含了一些注释，描述了YOLOv5模型的参数和结构。

5.2 cam_vis.py

class GradCAM:
    def __init__(self, model_path, img_path, output_dir, img_size, target_layer, method, device, visual_path, names):
        self.model_path = model_path
        self.img_path = img_path
        self.output_dir = output_dir
        self.img_size = img_size
        self.target_layer = target_layer
        self.method = method
        self.device = device
        self.visual_path = visual_path
        self.names = names

    def get_res_img(self, bbox, mask, res_img):
        mask = mask.squeeze(0).mul(255).add_(0.5).clamp_(0, 255).permute(1, 2, 0).detach().cpu().numpy().astype(np.uint8)
        heatmap = cv2.applyColorMap(mask, cv2.COLORMAP_JET).astype(np.float32)
        
        bbox = [int(b) for b in bbox]
        tmp = np.ones_like(res_img,dtype=np.float32) * 0
        tmp[bbox[1]:bbox[3],bbox[0]:bbox[2]] = 1

        res_img = cv2.add(res_img, heatmap)
        res_img = (res_img / res_img.max())
        return res_img, heatmap

    def put_text_box(self, bbox, cls_name, res_img, thickness=2):
        x1, y1, x2, y2 = [int(b) for b in bbox]
        res_img = cv2.rectangle(res_img, (x1, y1), (x2, y2), (0,0,255), thickness=2)
        w, h = cv2.getTextSize(cls_name, 0, fontScale=thickness, thickness=2)[0]  # text width, height
        outside = y1 - h - 3 >= 0  # label fits outside box
        t0, t1 = x1, y1 - 2 if outside else y1 + h + 2
        res_img = cv2.putText(res_img, cls_name, (t0, t1), color=(0,0,225), fontFace=cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, fontScale=1, thickness=2, lineType=cv2.LINE_AA)
        return res_img

    def run(self):
        device = self.device
        input_size = (self.img_size, self.img_size)
        
        print('[INFO] Loading the model')
        model = YOLOV5TorchObjectDetector(self.model_path, device, img_size=input_size,
                                          names=None if self.names is None else self.names.strip().split(","))
        
        if self.method == 'gradcam':
            saliency_method = YOLOV5GradCAM(model=model, layer_name=self.target_layer, img_size=input_size)
        
        img_path = Path.cwd() / self.img_path
        img = cv2.imread(str(img_path))
        torch_img = model.preprocessing(img[..., ::-1])
        
        tic = time.time()
        masks, logits, [boxes, _, class_names, _] = saliency_method(torch_img)
        print('bbbooooox', type(class_names[0]))
        print("total time:", round(time.time() - tic, 4))
        result = torch_img.squeeze(0).mul(255).add_(0.5).clamp_(0, 255).permute(1, 2, 0).detach().cpu().numpy()
        result = result[..., ::-1]  # convert to bgr
        save_path = Path.cwd() / self.output_dir / '{}'.format(img_path.stem)
        if not save_path.exists():
            save_path.mkdir()
        
        for i, mask in enumerate(masks):
            res_img = result.copy()
            bbox, cls_name = boxes[0][i], class_names[0][i]
            print(mask.shape)
            res_img, heatmat = self.get_res_img(bbox, mask, res_img)
            color_img = (res_img * 255).astype(np.uint8)
            color_img = self.put_text_box(bbox, cls_name, color_img)
            cv2.imwrite(str(save_path / '{0}_{1}.jpg'.format(img_path.stem, i)), color_img)


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这个程序文件名为cam_vis.py，主要功能是使用YOLOV5模型进行目标检测，并使用GradCAM方法生成热力图来可视化模型的注意力区域。

程序首先导入所需的库，包括cv2、time、argparse、numpy等。然后定义了一个函数get_res_img，用于将生成的热力图叠加到原始图像上。接着定义了一个函数put_text_box，用于在图像上绘制目标框和类别名称。然后定义了一个主函数main，用于读取命令行参数，加载模型，读取输入图像，调用GradCAM方法生成热力图，并将结果保存到指定的输出目录中。

在主函数中，首先解析命令行参数，包括模型路径、输入图像路径、输出目录、图像大小等。然后加载模型，并根据指定的目标层级地址和方法创建GradCAM对象。接着读取输入图像，并对图像进行预处理。然后调用GradCAM方法生成热力图、目标框和类别名称。最后将结果保存到指定的输出目录中。

程序的入口是if name == ‘main’，表示只有当直接运行该文件时才会执行main函数。

5.3 detect.py

class ObjectDetector:
    def __init__(self, weights, source, img_size=640, conf_thres=0.25, iou_thres=0.45, device='', view_img=False,
                 plot_label=False, save_txt=False, save_conf=False, nosave=False, classes=None, agnostic_nms=False,
                 augment=False, update=False, project='runs/detect', name='exp', exist_ok=False):
        self.weights = weights
        self.source = source
        self.img_size = img_size
        self.conf_thres = conf_thres
        self.iou_thres = iou_thres
        self.device = device
        self.view_img = view_img
        self.plot_label = plot_label
        self.save_txt = save_txt
        self.save_conf = save_conf
        self.nosave = nosave
        self.classes = classes
        self.agnostic_nms = agnostic_nms
        self.augment = augment
        self.update = update
        self.project = project
        self.name = name
        self.exist_ok = exist_ok

    def detect(self):
        source, weights, view_img, plot_label, save_txt, imgsz = self.source, self.weights, self.view_img, \
                                                                 self.plot_label, self.save_txt, self.img_size
        save_img = not self.nosave and not source.endswith('.txt')  # save inference images
        webcam = source.isnumeric() or source.endswith('.txt') or source.lower().startswith(
            ('rtsp://', 'rtmp://', 'http://', 'https://'))

        # Directories
        save_dir = Path(increment_path(Path(self.project) / self.name, exist_ok=self.exist_ok))  # increment run
        (save_dir / 'labels' if save_txt else save_dir).mkdir(parents=True, exist_ok=True)  # make dir

        # Initialize
        set_logging()
        device = select_device(self.device)
        half = device.type != 'cpu'  # half precision only supported on CUDA

        # Load model
        model = attempt_load(weights, map_location=device)  # load FP32 model
        stride = int(model.stride.max()) * 2  # model stride
        imgsz = check_img_size(imgsz, s=stride)  # check img_size
        if half:
            model.half()  # to FP16

        # Second-stage classifier
        classify = False
        if classify:
            modelc = load_classifier(name='resnet101', n=2)  # initialize
            modelc.load_state_dict(
                torch.load('weights/resnet101.pt', map_location=device)['model']).to(device).eval()

        # Set Dataloader
        vid_path, vid_writer = None, None
        if webcam:
            view_img = check_imshow()
            cudnn.benchmark = True  # set True to speed up constant image size inference
            dataset = LoadStreams(source, img_size=imgsz, stride=stride)
        else:
            dataset = LoadImages(source, img_size=imgsz, stride=stride)

        # Get names and colors
        names = model.module.names if hasattr(model, 'module') else model.names
        colors = [[random.randint(0, 255) for _ in range(3)] for _ in names]

        # Run inference
        if device.type != 'cpu':
            model(torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device).type_as(next(model.parameters())))  # run once
        t0 = time.time()
        for path, img, im0s, vid_cap in dataset:
            img = torch.from_numpy(img).to(device)
            img = img.half() if half else img.float()  # uint8 to fp16/32
            img /= 255.0  # 0 - 255 to 0.0 - 1.0
            if img.ndimension() == 3:
                img = img.unsqueeze(0)

            # Inference
            t1 = time_synchronized()
            pred = model(img, augment=self.augment)[0]

            # Apply NMS
            pred = non_max_suppression(pred, self.conf_thres, self.iou_thres, classes=self.classes,
                                       agnostic=self.agnostic_nms)
            t2 = time_synchronized()

            # Apply Classifier
            if classify:
                pred = apply_classifier(pred, modelc, img, im0s)

            # Process detections
            for i, det in enumerate(pred):  # detections per image
                if webcam:  # batch_size >= 1
                    p, s, im0, frame = path[i], '%g: ' % i, im0s[i].copy(), dataset.count
                else:
                    p, s, im0, frame = path, '', im0s, getattr(dataset, 'frame', 0)

                p = Path(p)  # to Path
                save_path = str(save_dir / p.name)  # img.jpg
                txt_path = str(save_dir / 'labels' / p.stem) + (
                    '' if dataset.mode == 'image' else f'_{frame}')  # img.txt
                s += '%gx%g ' % img.shape[2:]  # print string
                gn = torch.tensor(im0.shape)[[1, 0, 1, 0]]  # normalization gain whwh
                if len(det):
                    # Rescale boxes from img_size to im0 size
                    det[:, :4] = scale_coords(img.shape[2:], det[:, :4], im0.shape).round()

                    # Print results
                    for c in det[:, -1].unique():
                        n = (det[:, -1] == c).sum()  # detections per class
                        s += f"{n} {names[int(c)]}{'s' * (n > 1)}, "  # add to string

                    # Write results
                    for *xyxy, conf, cls in reversed(det):
                        if save_txt:  # Write to file
                            xywh = (xyxy2xywh(torch.tensor(xyxy).view(1, 4)) / gn).view(-1).tolist()  # normalized xywh
                            line = (cls, *xywh, conf) if self.save_conf else (cls, *xywh)  # label format
                            with open(txt_path + '.txt', 'a') as f:
                                f.write(('%g ' * len(line)).rstrip() % line + '\n')

                        if save_img or view_img:  # Add bbox to image
                            label = f'{names[int(cls)]} {conf:.2f}'
                            # plot_only_box(xyxy, im0, color=colors[int(cls)], line_thickness=3)
                            plot_one_box(xyxy, im0, label=label, color=colors[int(cls)], line_thickness=1)

                # Print time (inference + NMS)
                print(f'{s}Done. ({t2 - t1:.3f}s)')

                if plot_label:
                    label = f"the num of face is {len(det)}"
                    plot_text_label(im0, label=label, line_thickness=3)

                # Stream results
                if view_img:
                    cv2.imshow(str(p), im0)
                    cv2.waitKey(1)  # 1 millisecond

                # Save results (image with detections)
                if save_img:
                    if dataset.mode == 'image':
                        cv2.imwrite(save_path, im0)
                    else:  # 'video' or 'stream'
                        if vid_path != save_path:  # new video
                            vid_path = save_path
                            if isinstance(vid_writer, cv2.VideoWriter):
                                vid_writer.release()  # release previous video writer
                            if vid
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这个程序文件是一个用于目标检测的Python脚本。它使用了yolov5模型来进行目标检测，并提供了一些可选参数来控制检测的行为。

该脚本首先导入了一些必要的库，包括argparse、time、pathlib、cv2、torch等。然后定义了一个名为detect的函数，用于执行目标检测的主要逻辑。

在detect函数中，首先解析了命令行参数，包括模型权重路径、输入源、图像尺寸、置信度阈值、IOU阈值等。然后根据输入源的类型，选择合适的数据加载器。接着加载模型，并根据需要进行半精度处理和第二阶段分类器的加载。

之后，获取模型的类别名称和颜色信息。接下来，开始进行目标检测的循环。对于每个输入图像，首先将图像转换为张量，并进行预处理。然后，通过模型进行推理，得到预测结果。对预测结果进行非极大值抑制和分类器应用。最后，处理检测结果，包括绘制边界框、保存结果等。

在主函数中，解析命令行参数，并根据需要更新模型权重。然后调用detect函数进行目标检测。

总的来说，这个程序文件实现了一个使用yolov5模型进行目标检测的功能，并提供了一些可选参数来控制检测的行为。

6.系统整体结构

整体功能和构架概述：

该项目是一个基于改进分割头部网络YOLOv5的墙体裂缝分割系统。它使用YOLOv5模型进行目标检测，并使用改进的分割头部网络进行墙体裂缝的分割。该系统包含了多个程序文件，每个文件负责不同的功能，如模型定义、数据处理、训练、推理、可视化等。

下表整理了每个文件的功能：

7.增加分割头部网络

在开始分析分割头部网络之前，让我们先简要了解一下YOLOv5（You Only Look Once，YOLO）模型。YOLO是一种目标检测和分割模型，它在单一前向传递中同时执行目标检测和分割任务，具有高度的效率和准确性。
分割头部网络是YOLOv5模型的一部分，它负责生成墙体裂缝的分割结果。具体来说，它接受来自YOLOv5的特征图以及其他输入，并生成分割掩码，用于标识图像中的墙体裂缝区域。以下是分割头部网络的关键功能和工作原理。

掩码裁剪

分割头部网络使用crop_mask函数来裁剪生成的分割掩码，以保留与预测的边界框（bbox）对应的区域。这确保了生成的掩码与目标物体的位置相匹配。

掩码处理与上采样

分割头部网络使用process_mask_upsample函数来处理裁剪后的掩码。它通过与预定义的原型（protos）进行卷积操作，并对结果进行上采样，以获得最终的分割结果。这个过程可以将掩码与图像尺寸进行匹配，以便后续分析和可视化。

掩码处理与下采样

另一种处理方法是使用process_mask函数，在裁剪之前对掩码进行处理。这可以在下采样后进行，以减少计算成本。如果需要，还可以选择进行上采样，以获得更高分辨率的分割结果。

掩码的缩放

scale_image函数用于将生成的分割掩码的坐标从模型输入尺寸缩放到原始图像尺寸。这是为了确保掩码与原始图像相匹配，以便进行后续的分析和可视化。

掩码的IoU计算

在分割任务中，IoU（Intersection over Union）是一个重要的指标，用于衡量预测的掩码与真实掩码之间的重叠程度。mask_iou和masks_iou函数用于计算掩码之间的IoU，这有助于评估分割的准确性。

掩码转换为分割

最后，masks2segments函数将生成的分割掩码转换为分割线段，以便进行墙体裂缝的可视化和分析。它可以选择不同的策略来处理分割掩码，例如选择最大的分割线段或将所有分割线段合并。

8.RFE与C3结合而成的C3RFEM添加到YOLOv5

参考Ziping Yu提出的RFE模块，由于不同大小的接收场意味着捕获远程依赖的能力不同，因此我们设计了C3RFE模块，充分利用了特征图中接收场的优势，采用了扩展卷积的方法。在TriDetNet的启发下，我们使用四个分支，不同的扩张卷积率来捕获多尺度信息和不同的依赖范围。所有的枝条都有共同的权重，唯一的区别就是它们各自不同的领域。一方面，它减少了参数的数量，从而降低了潜在的过度拟合风险。另一方面，它可以充分利用每一个样本。所提出的RFE模块可分为两部分：基于扩张卷积的多分支和图2所示的聚集加权层。多分支部分分别以1，2和3作为不同扩张卷积的速率，它们都使用固定的卷积核大小3x3。此外，我们还增加了一个残余连接，以防止在训练中发生爆炸和消失的问题。采集和加权层用于从不同的分支收集信息，并对特征的每个分支进行加权。加权运算用于平衡不同分支的表示。
为了说明这一点，我们将YOLOv 5中C3模块的瓶颈替换为RFE模块，以增加特征映射的接受域，从而提高多尺度目标检测和识别的精度，如图所示。

9.训练结果分析

超参数的设定

学习率 (Learning Rate): 初始学习率为 0.01 0.01，并在训练过程中进行调整。
动量 (Momentum): 动量值为 0.937 0.937，用于加速模型的收敛。
权重衰减 (Weight Decay): 权重衰减系数为 0.0005 0.0005，用于防止过拟合。
损失函数权重: 包括框损失 (box loss)，分类损失 (classification loss)，目标损失 (object loss) 等。这些权重用于平衡不同部分的损失。
数据增强: 包括颜色抖动 (HSV)，平移、缩放、剪切、透视变换等，用于提升模型的泛化能力。

训练可视化

接下来，我们将查看训练批次的图片来理解训练数据的分布和特点。

# Display training batch images
display_images([files["train_batch0"], files["train_batch1"], files["train_batch2"]])

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训练数据分析:

从训练批次的图片中，我们可以观察到以下几点：

裂缝的多样性: 训练数据包括了不同程度、不同形态的裂缝。有的裂缝较为明显，有的则较为细微。这有助于模型学习到裂缝的多样性。
背景的多样性: 背景包括了不同的墙体材质和颜色，这有助于提高模型的泛化能力。
标注: 从图中可以看出，裂缝的位置已经被准确标注出来。

训练结果分析

实验结果包括了训练过程中的损失函数变化、验证集上的性能指标等信息。接下来我们可以通过绘图来更直观地分析这些结果。

我们将绘制以下图表：

损失函数的变化: 包括训练过程中的框损失 (box loss)，分割损失 (segmentation loss)，目标损失 (object loss) 和分类损失 (classification loss)。
性能指标的变化: 包括精确度 (Precision)，召回率 (Recall) 和 mAP (Mean Average Precision)。

# Clean the column names by removing leading and trailing spaces
results_df.columns = [col.strip() for col in results_df.columns]

# Plot loss functions over epochs
plt.figure(figsize=(12, 8))
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['train/box_loss'], label='Box Loss')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['train/seg_loss'], label='Segmentation Loss')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['train/obj_loss'], label='Object Loss')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['train/cls_loss'], label='Classification Loss')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.title('Loss Functions over Epochs')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()

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损失函数的变化分析:

框损失 (Box Loss): 随着训练周期的进行，框损失呈下降趋势。这意味着模型逐渐学习到了正确预测物体边界框的能力。
分割损失 (Segmentation Loss): 分割损失也呈下降趋势，说明模型在学习如何准确分割图像上取得了进步。
目标损失 (Object Loss) 和 分类损失 (Classification Loss): 两者同样呈下降趋势，说明模型在识别目标和分类上的表现也在逐渐提升。
接下来，我们将分析模型的性能指标，包括精确度、召回率和mAP。

# Plot performance metrics over epochs
plt.figure(figsize=(15, 10))

# Precision and Recall for B
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/precision(B)'], label='Precision (B)')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/recall(B)'], label='Recall (B)')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Score')
plt.title('Precision and Recall for B over Epochs')
plt.legend()
plt.grid(True)

# mAP for B
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/mAP_0.5(B)'], label='mAP@0.5 (B)')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/mAP_0.5:0.95(B)'], label='mAP@0.5:0.95 (B)')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Score')
plt.title('mAP for B over Epochs')
plt.legend()
plt.grid(True)

# Precision and Recall for M
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/precision(M)'], label='Precision (M)')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/recall(M)'], label='Recall (M)')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Score')
plt.title('Precision and Recall for M over Epochs')
plt.legend()
plt.grid(True)

# mAP for M
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/mAP_0.5(M)'], label='mAP@0.5 (M)')
plt.plot(results_df['epoch'], results_df['metrics/mAP_0.5:0.95(M)'], label='mAP@0.5:0.95 (M)')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Score')
plt.title('mAP for M over Epochs')
plt.legend()
plt.grid(True)

plt.tight_layout()
plt.show()

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性能指标的变化分析:

精确度和召回率 (Precision & Recall):

B 类别: 随着训练的进行，B 类别的精确度和召回率都呈上升趋势，这表明模型在检测 B 类别对象时的性能在逐步提升。
M 类别: 同样，M 类别的精确度和召回率也在逐渐提升，说明模型在检测 M 类别对象时也表现良好。
平均精确度 (mAP):

B 类别: mAP@0.5 和 mAP@0.5:0.95 都呈上升趋势，这意味着模型在不同的 IoU 阈值下都能取得较好的性能。
M 类别: M 类别的 mAP 同样呈上升趋势，显示出模型的检测能力在稳步提升。

总体评价

从上述分析中，我们可以得出以下结论：

模型学习能力: 模型在训练过程中的损失逐渐减小，性能指标逐渐提升，这表明模型具有良好的学习能力。
性能表现: 在验证集上的精确度、召回率和 mAP 的提升表明模型在实际任务上的性能表现优秀。

10.系统整合

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参考博客《基于改进分割头部网络YOLOv5的墙体裂缝分割系统》

11.参考文献

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