【自用】SAM模型论文笔记与复现代码（segment-anything-model）_分割一切代码复现

总模型结构

一个prompt encoder，对提示进行编码，image encoder对图像编码，生成embedding, 最后融合2个encoder，再接一个轻量的mask decoder，输出最后的mask。

模型结构示意图：

流程图：

模型的结构如上图所示. prompt会经过prompt encoder, 图像会经过image encoder。然后将两部分embedding经过一个轻量化的mask decoder得到融合后的特征。encoder部分使用的都是已有模型，decoder使用transformer。

image encoder

利用MAE(Masked AutoEncoder)预训练的ViT模型,对每张图片只处理一次，且在prompt encoder之前进行。输入(c,h,w)的图像，对图像进行缩放，按照长边缩放成1024，短边不够就填充,得到(c,1024,1024)的图像，经过image encoder，得到对图像16倍下采样的feature，大小为(256,64,64)。

prompt encoder

prompt encoder结构图：

分为两类：稀疏与密集

稀疏：

• point：使用position encodings
• box：使用position encodings
• text：使用CLIP作为encoder

密集：

• mask：使用卷积作为encoder

mask decoder

• prompt self-attention
• cross-attention（从prompt到image和从image到prompt）

valid mask（模型输出）

• 解决混淆的输入: 对于一个prompt，模型会输出3个mask，实际上也可以输出更多的分割结果，3个可以看作一个物体的整体、部分、子部分，基本能满足大多数情况。使用IOU的方式，排序mask。在反向传播时，参与计算的只有loss最小的mask相关的参数.
• 高效: 这里主要指的是prompt encoder和mask decoder。在web浏览器上，CPU计算只用约50ms

SAM模型复现

环境：

python 3.8.10
pytorch 1.11.0
cuda 11.3

环境安装

git clone https://github.com/facebookresearch/segment-anything
pip install opencv-python matplotlib
pip install -e .
wget https://dl.fbaipublicfiles.com/segment_anything/sam_vit_h_4b8939.pth #下载SAM_VIT-H模型
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定义用于可视化的工具函数

import numpy as np
import torch
import matplotlib.pyplot as plt
import cv2

def show_mask(mask, ax, random_color=False):
    if random_color:
        color = np.concatenate([np.random.random(3), np.array([0.6])], axis=0)
    else:
        color = np.array([30/255, 144/255, 255/255, 0.6])
    h, w = mask.shape[-2:]
    mask_image = mask.reshape(h, w, 1) * color.reshape(1, 1, -1)
    ax.imshow(mask_image)
    
def show_points(coords, labels, ax, marker_size=375):
    pos_points = coords[labels==1]
    neg_points = coords[labels==0]
    ax.scatter(pos_points[:, 0], pos_points[:, 1], color='green', marker='*', s=marker_size, edgecolor='white', linewidth=1.25)
    ax.scatter(neg_points[:, 0], neg_points[:, 1], color='red', marker='*', s=marker_size, edgecolor='white', linewidth=1.25)   
    
def show_box(box, ax):
    x0, y0 = box[0], box[1]
    w, h = box[2] - box[0], box[3] - box[1]
    ax.add_patch(plt.Rectangle((x0, y0), w, h, edgecolor='green', facecolor=(0,0,0,0), lw=2))    
    
def show_anns(anns):
    if len(anns) == 0:
        return
    sorted_anns = sorted(anns, key=(lambda x: x['area']), reverse=True)
    ax = plt.gca()
    ax.set_autoscale_on(False)

    img = np.ones((sorted_anns[0]['segmentation'].shape[0], sorted_anns[0]['segmentation'].shape[1], 4))
    img[:,:,3] = 0
    for ann in sorted_anns:
        m = ann['segmentation']
        color_mask = np.concatenate([np.random.random(3), [0.35]])
        img[m] = color_mask
    ax.imshow(img)

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可视化原图片

image = cv2.imread('R.jpg')
image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)

plt.figure(figsize=(14,14))
plt.imshow(image)
plt.axis('on')
plt.show()
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原图片：

加载SAM模型

import sys
sys.path.append("..")
from segment_anything import sam_model_registry, SamPredictor

sam_checkpoint = "sam_vit_h_4b8939.pth"
model_type = "vit_h"

device = "cuda"

sam = sam_model_registry[model_type](checkpoint=sam_checkpoint)
sam.to(device=device)

predictor = SamPredictor(sam)

predictor.set_image(image)
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点作为prompt

单点

input_point = np.array([[430, 605]])
input_label = np.array([1])
plt.figure(figsize=(14,14))
plt.imshow(image)
show_points(input_point, input_label, plt.gca())
plt.axis('on')
plt.show()  
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使用SAM模型进行分割，并输出模型分割出的3个mask

masks, scores, logits = predictor.predict(
    point_coords=input_point,
    point_labels=input_label,
    multimask_output=True, #`multimask_output=True`表示是否输出三个mask结果
)

for i, (mask, score) in enumerate(zip(masks, scores)):
    plt.figure(figsize=(14,14))
    plt.imshow(image)
    show_mask(mask, plt.gca())
    show_points(input_point, input_label, plt.gca())
    plt.title(f"Mask {i+1}, Score: {score:.3f}", fontsize=18)
    plt.axis('off')
    plt.show()  
  
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多点（使用先前单点输出的mask作为mask prompt）

仅前景点

input_point = np.array([[430, 605],[520, 650]])
input_label = np.array([1, 1]) #1代表前景点(绿色)，0代表后景点(红色)

mask_input = logits[np.argmax(scores), :, :]  #选择先前分数最高的mask

masks, _, _ = predictor.predict(
    point_coords=input_point,
    point_labels=input_label,
    mask_input=mask_input[None, :, :],
    multimask_output=False,
)
plt.figure(figsize=(14,14))
plt.imshow(image)
show_mask(masks, plt.gca())
show_points(input_point, input_label, plt.gca())
plt.axis('on')
plt.show() 
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前景点+后景点

input_point = np.array([[430, 605],[520, 650], [520,500]])
input_label = np.array([1, 1, 0])  #1代表前景点(绿色)，0代表后景点(红色)

mask_input = logits[np.argmax(scores), :, :]  
masks, _, _ = predictor.predict(
    point_coords=input_point,
    point_labels=input_label,
    mask_input=mask_input[None, :, :],
    multimask_output=False,
)
plt.figure(figsize=(14,14))
plt.imshow(image)
show_mask(masks, plt.gca())
show_points(input_point, input_label, plt.gca())
plt.axis('on')
plt.show() 
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矩形框作为prompt

单个矩形框

input_box = np.array([730, 105, 1030, 315])

masks, _, _ = predictor.predict(
    point_coords=None,
    point_labels=None,
    box=input_box[None, :],
    multimask_output=False,
)

plt.figure(figsize=(17, 17))
plt.imshow(image)
show_mask(masks[0], plt.gca())
show_box(input_box, plt.gca())
plt.axis('on')
plt.show()
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多个矩形框（需要使用transform.apply_boxes_torch方法进行转换）

input_boxes = torch.tensor([
    [730, 105, 1030, 315],
    [970, 155, 1025, 250]
], device=predictor.device)

transformed_boxes = predictor.transform.apply_boxes_torch(input_boxes, image.shape[:2])
masks, _, _ = predictor.predict_torch(
    point_coords=None,
    point_labels=None,
    boxes=transformed_boxes,
    multimask_output=False,
)

plt.figure(figsize=(17, 17))
plt.imshow(image)
for mask in masks:
    show_mask(mask.cpu().numpy(), plt.gca(), random_color=True)
for box in input_boxes:
    show_box(box.cpu().numpy(), plt.gca())
plt.axis('on')
plt.show()
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自动分割

from segment_anything import SamAutomaticMaskGenerator
mask_generator = SamAutomaticMaskGenerator(sam)
masks = mask_generator.generate(image)
print(len(masks))
plt.figure(figsize=(20,20))
plt.imshow(image)
show_anns(masks)
plt.axis('on')
plt.show() 
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输出mask数量
178

开始调参

mask_generator_2 = SamAutomaticMaskGenerator(
    model=sam,
    points_per_side=32,
    pred_iou_thresh=0.86,
    stability_score_thresh=0.92,
    crop_n_layers=1,
    crop_n_points_downscale_factor=2,
    min_mask_region_area=100, 
)
masks_2 = mask_generator_2.generate(image)
print(len(masks_2))
plt.figure(figsize=(20,20))
plt.imshow(image)
show_anns(masks_2)
plt.axis('on')
plt.show() 
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输出mask数量
335