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# Semantic segmentation

[[open-in-colab]]

<Youtube id="dKE8SIt9C-w"/>

セマンティック セグメンテーションでは、画像の個々のピクセルにラベルまたはクラスを割り当てます。セグメンテーションにはいくつかのタイプがありますが、セマンティック セグメンテーションの場合、同じオブジェクトの一意のインスタンス間の区別は行われません。両方のオブジェクトに同じラベルが付けられます (たとえば、`car-1`と`car-2`の代わりに`car`)。セマンティック セグメンテーションの一般的な現実世界のアプリケーションには、歩行者や重要な交通情報を識別するための自動運転車のトレーニング、医療画像内の細胞と異常の識別、衛星画像からの環境変化の監視などが含まれます。

このガイドでは、次の方法を説明します。

1. [SceneParse150](https://huggingface.co/datasets/scene_parse_150) データセットの [SegFormer](https://huggingface.co/docs/transformers/main/en/model_doc/segformer#segformer) を微調整します。
2. 微調整したモデルを推論に使用します。

<Tip>

このタスクと互換性のあるすべてのアーキテクチャとチェックポイントを確認するには、[タスクページ](https://huggingface.co/tasks/image-segmentation) を確認することをお勧めします。

</Tip>

始める前に、必要なライブラリがすべてインストールされていることを確認してください。

```bash
pip install -q datasets transformers evaluate
```

モデルをアップロードしてコミュニティと共有できるように、Hugging Face アカウントにログインすることをお勧めします。プロンプトが表示されたら、トークンを入力してログインします。

```py
>>> from huggingface_hub import notebook_login

>>> notebook_login()
```

## Load SceneParse150 dataset

まず、SceneParse150 データセットの小さいサブセットを 🤗 データセット ライブラリから読み込みます。これにより、完全なデータセットのトレーニングにさらに時間を費やす前に、実験してすべてが機能することを確認する機会が得られます。

```py
>>> from datasets import load_dataset

>>> ds = load_dataset("scene_parse_150", split="train[:50]")
```

[`~datasets.Dataset.train_test_split`] メソッドを使用して、データセットの `train` 分割をトレイン セットとテスト セットに分割します。


```py
>>> ds = ds.train_test_split(test_size=0.2)
>>> train_ds = ds["train"]
>>> test_ds = ds["test"]
```

次に、例を見てみましょう。

```py
>>> train_ds[0]
{'image': <PIL.JpegImagePlugin.JpegImageFile image mode=RGB size=512x683 at 0x7F9B0C201F90>,
 'annotation': <PIL.PngImagePlugin.PngImageFile image mode=L size=512x683 at 0x7F9B0C201DD0>,
 'scene_category': 368}
```

- `image`: シーンの PIL イメージ。
- `annotation`: セグメンテーション マップの PIL イメージ。モデルのターゲットでもあります。
- `scene_category`: "kitchen"や"office"などの画像シーンを説明するカテゴリ ID。このガイドでは、`image`と`annotation`のみが必要になります。どちらも PIL イメージです。

また、ラベル ID をラベル クラスにマップする辞書を作成することもできます。これは、後でモデルを設定するときに役立ちます。ハブからマッピングをダウンロードし、`id2label` および `label2id` ディクショナリを作成します。

```py
>>> import json
>>> from huggingface_hub import cached_download, hf_hub_url

>>> repo_id = "huggingface/label-files"
>>> filename = "ade20k-id2label.json"
>>> id2label = json.load(open(cached_download(hf_hub_url(repo_id, filename, repo_type="dataset")), "r"))
>>> id2label = {int(k): v for k, v in id2label.items()}
>>> label2id = {v: k for k, v in id2label.items()}
>>> num_labels = len(id2label)
```

## Preprocess

次のステップでは、SegFormer 画像プロセッサをロードして、モデルの画像と注釈を準備します。このデータセットのような一部のデータセットは、バックグラウンド クラスとしてゼロインデックスを使用します。ただし、実際には背景クラスは 150 個のクラスに含まれていないため、`reduce_labels=True`を設定してすべてのラベルから 1 つを引く必要があります。ゼロインデックスは `255` に置き換えられるため、SegFormer の損失関数によって無視されます。

```py
>>> from transformers import AutoImageProcessor

>>> checkpoint = "nvidia/mit-b0"
>>> image_processor = AutoImageProcessor.from_pretrained(checkpoint, reduce_labels=True)
```

<frameworkcontent>
<pt>

モデルを過学習に対してより堅牢にするために、画像データセットにいくつかのデータ拡張を適用するのが一般的です。このガイドでは、[torchvision](https://pytorch.org/vision/stable/index.html) の [`ColorJitter`](https://pytorch.org/vision/stable/generated/torchvision.transforms.ColorJitter.html) 関数を使用します。 ) を使用して画像の色のプロパティをランダムに変更しますが、任意の画像ライブラリを使用することもできます。

```py
>>> from torchvision.transforms import ColorJitter

>>> jitter = ColorJitter(brightness=0.25, contrast=0.25, saturation=0.25, hue=0.1)
```

次に、モデルの画像と注釈を準備するための 2 つの前処理関数を作成します。これらの関数は、画像を`pixel_values`に変換し、注釈を`labels`に変換します。トレーニング セットの場合、画像を画像プロセッサに提供する前に `jitter` が適用されます。テスト セットの場合、テスト中にデータ拡張が適用されないため、画像プロセッサは`images`を切り取って正規化し、`ラベル`のみを切り取ります。

```py
>>> def train_transforms(example_batch):
...     images = [jitter(x) for x in example_batch["image"]]
...     labels = [x for x in example_batch["annotation"]]
...     inputs = image_processor(images, labels)
...     return inputs


>>> def val_transforms(example_batch):
...     images = [x for x in example_batch["image"]]
...     labels = [x for x in example_batch["annotation"]]
...     inputs = image_processor(images, labels)
...     return inputs
```

データセット全体に`jitter`を適用するには、🤗 Datasets [`~datasets.Dataset.set_transform`] 関数を使用します。変換はオンザフライで適用されるため、高速で消費するディスク容量が少なくなります。

```py
>>> train_ds.set_transform(train_transforms)
>>> test_ds.set_transform(val_transforms)
```

</pt>
</frameworkcontent>

<frameworkcontent>
<tf>

モデルを過学習に対してより堅牢にするために、画像データセットにいくつかのデータ拡張を適用するのが一般的です。
このガイドでは、[`tf.image`](https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/image) を使用して画像の色のプロパティをランダムに変更しますが、任意のプロパティを使用することもできます。画像
好きな図書館。
2 つの別々の変換関数を定義します。
- 画像拡張を含むトレーニング データ変換
- 🤗 Transformers のコンピューター ビジョン モデルはチャネル優先のレイアウトを想定しているため、画像を転置するだけの検証データ変換

```py
>>> import tensorflow as tf


>>> def aug_transforms(image):
...     image = tf.keras.utils.img_to_array(image)
...     image = tf.image.random_brightness(image, 0.25)
...     image = tf.image.random_contrast(image, 0.5, 2.0)
...     image = tf.image.random_saturation(image, 0.75, 1.25)
...     image = tf.image.random_hue(image, 0.1)
...     image = tf.transpose(image, (2, 0, 1))
...     return image


>>> def transforms(image):
...     image = tf.keras.utils.img_to_array(image)
...     image = tf.transpose(image, (2, 0, 1))
...     return image
```

次に、モデルの画像と注釈のバッチを準備する 2 つの前処理関数を作成します。これらの機能が適用されます
画像変換を行い、以前にロードされた `image_processor` を使用して画像を `pixel_values` に変換し、
`labels`への注釈。 `ImageProcessor` は、画像のサイズ変更と正規化も処理します。

```py
>>> def train_transforms(example_batch):
...     images = [aug_transforms(x.convert("RGB")) for x in example_batch["image"]]
...     labels = [x for x in example_batch["annotation"]]
...     inputs = image_processor(images, labels)
...     return inputs


>>> def val_transforms(example_batch):
...     images = [transforms(x.convert("RGB")) for x in example_batch["image"]]
...     labels = [x for x in example_batch["annotation"]]
...     inputs = image_processor(images, labels)
...     return inputs
```

データセット全体に前処理変換を適用するには、🤗 Datasets [`~datasets.Dataset.set_transform`] 関数を使用します。
変換はオンザフライで適用されるため、高速で消費するディスク容量が少なくなります。

```py
>>> train_ds.set_transform(train_transforms)
>>> test_ds.set_transform(val_transforms)
```
</tf>
</frameworkcontent>

## Evaluate

トレーニング中にメトリクスを含めると、多くの場合、モデルのパフォーマンスを評価するのに役立ちます。 🤗 [Evaluate](https://huggingface.co/docs/evaluate/index) ライブラリを使用して、評価メソッドをすばやくロードできます。このタスクでは、[Mean Intersection over Union](https://huggingface.co/spaces/evaluate-metric/accuracy) (IoU) メトリックをロードします (🤗 Evaluate [クイック ツアー](https://huggingface.co/docs/evaluate/a_quick_tour) を参照して、メトリクスをロードして計算する方法の詳細を確認してください)。

```py
>>> import evaluate

>>> metric = evaluate.load("mean_iou")
```

次に、メトリクスを [`~evaluate.EvaluationModule.compute`] する関数を作成します。予測を次のように変換する必要があります
最初にロジットを作成し、次に [`~evaluate.EvaluationModule.compute`] を呼び出す前にラベルのサイズに一致するように再形成します。

<frameworkcontent>
<pt>

```py
>>> import numpy as np
>>> import torch
>>> from torch import nn

>>> def compute_metrics(eval_pred):
...     with torch.no_grad():
...         logits, labels = eval_pred
...         logits_tensor = torch.from_numpy(logits)
...         logits_tensor = nn.functional.interpolate(
...             logits_tensor,
...             size=labels.shape[-2:],
...             mode="bilinear",
...             align_corners=False,
...         ).argmax(dim=1)

...         pred_labels = logits_tensor.detach().cpu().numpy()
...         metrics = metric.compute(
...             predictions=pred_labels,
...             references=labels,
...             num_labels=num_labels,
...             ignore_index=255,
...             reduce_labels=False,
...         )
...         for key, value in metrics.items():
...             if type(value) is np.ndarray:
...                 metrics[key] = value.tolist()
...         return metrics
```

</pt>
</frameworkcontent>


<frameworkcontent>
<tf>

```py
>>> def compute_metrics(eval_pred):
...     logits, labels = eval_pred
...     logits = tf.transpose(logits, perm=[0, 2, 3, 1])
...     logits_resized = tf.image.resize(
...         logits,
...         size=tf.shape(labels)[1:],
...         method="bilinear",
...     )

...     pred_labels = tf.argmax(logits_resized, axis=-1)
...     metrics = metric.compute(
...         predictions=pred_labels,
...         references=labels,
...         num_labels=num_labels,
...         ignore_index=-1,
...         reduce_labels=image_processor.do_reduce_labels,
...     )

...     per_category_accuracy = metrics.pop("per_category_accuracy").tolist()
...     per_category_iou = metrics.pop("per_category_iou").tolist()

...     metrics.update({f"accuracy_{id2label[i]}": v for i, v in enumerate(per_category_accuracy)})
...     metrics.update({f"iou_{id2label[i]}": v for i, v in enumerate(per_category_iou)})
...     return {"val_" + k: v for k, v in metrics.items()}
```

</tf>
</frameworkcontent>

これで`compute_metrics`関数の準備が整いました。トレーニングをセットアップするときにこの関数に戻ります。

## Train
<frameworkcontent>
<pt>
<Tip>

[`Trainer`] を使用したモデルの微調整に慣れていない場合は、[ここ](../training#finetune-with-trainer) の基本的なチュートリアルをご覧ください。

</Tip>

これでモデルのトレーニングを開始する準備が整いました。 [`AutoModelForSemanticSegmentation`] を使用して SegFormer をロードし、ラベル ID とラベル クラス間のマッピングをモデルに渡します。

```py
>>> from transformers import AutoModelForSemanticSegmentation, TrainingArguments, Trainer

>>> model = AutoModelForSemanticSegmentation.from_pretrained(checkpoint, id2label=id2label, label2id=label2id)
```

この時点で残っている手順は次の 3 つだけです。

1. [`TrainingArguments`] でトレーニング ハイパーパラメータを定義します。 `image` 列が削除されるため、未使用の列を削除しないことが重要です。 `image` 列がないと、`pixel_values` を作成できません。この動作を防ぐには、`remove_unused_columns=False`を設定してください。他に必要なパラメータは、モデルの保存場所を指定する `output_dir` だけです。 `push_to_hub=True`を設定して、このモデルをハブにプッシュします (モデルをアップロードするには、Hugging Face にサインインする必要があります)。各エポックの終了時に、[`Trainer`] は IoU メトリックを評価し、トレーニング チェックポイントを保存します。
2. トレーニング引数を、モデル、データセット、トークナイザー、データ照合器、および `compute_metrics` 関数とともに [`Trainer`] に渡します。
3. [`~Trainer.train`] を呼び出してモデルを微調整します。

```py
>>> training_args = TrainingArguments(
...     output_dir="segformer-b0-scene-parse-150",
...     learning_rate=6e-5,
...     num_train_epochs=50,
...     per_device_train_batch_size=2,
...     per_device_eval_batch_size=2,
...     save_total_limit=3,
...     eval_strategy="steps",
...     save_strategy="steps",
...     save_steps=20,
...     eval_steps=20,
...     logging_steps=1,
...     eval_accumulation_steps=5,
...     remove_unused_columns=False,
...     push_to_hub=True,
... )

>>> trainer = Trainer(
...     model=model,
...     args=training_args,
...     train_dataset=train_ds,
...     eval_dataset=test_ds,
...     compute_metrics=compute_metrics,
... )

>>> trainer.train()
```

トレーニングが完了したら、 [`~transformers.Trainer.push_to_hub`] メソッドを使用してモデルをハブに共有し、誰もがモデルを使用できるようにします。

```py
>>> trainer.push_to_hub()
```
</pt>
</frameworkcontent>

<frameworkcontent>
<tf>
<Tip>

Keras を使用したモデルの微調整に慣れていない場合は、まず [基本チュートリアル](./training#train-a-tensorflow-model-with-keras) を確認してください。

</Tip>

TensorFlow でモデルを微調整するには、次の手順に従います。
1. トレーニングのハイパーパラメータを定義し、オプティマイザーと学習率スケジュールを設定します。
2. 事前トレーニングされたモデルをインスタンス化します。
3. 🤗 データセットを `tf.data.Dataset` に変換します。
4. モデルをコンパイルします。
5. コールバックを追加してメトリクスを計算し、モデルを 🤗 Hub にアップロードします
6. `fit()` メソッドを使用してトレーニングを実行します。

まず、ハイパーパラメーター、オプティマイザー、学習率スケジュールを定義します。

```py
>>> from transformers import create_optimizer

>>> batch_size = 2
>>> num_epochs = 50
>>> num_train_steps = len(train_ds) * num_epochs
>>> learning_rate = 6e-5
>>> weight_decay_rate = 0.01

>>> optimizer, lr_schedule = create_optimizer(
...     init_lr=learning_rate,
...     num_train_steps=num_train_steps,
...     weight_decay_rate=weight_decay_rate,
...     num_warmup_steps=0,
... )
```

次に、ラベル マッピングとともに [`TFAutoModelForSemanticSegmentation`] を使用して SegFormer をロードし、それをコンパイルします。
オプティマイザ。 Transformers モデルにはすべてデフォルトのタスク関連の損失関数があるため、次の場合を除き、損失関数を指定する必要はないことに注意してください。

```py
>>> from transformers import TFAutoModelForSemanticSegmentation

>>> model = TFAutoModelForSemanticSegmentation.from_pretrained(
...     checkpoint,
...     id2label=id2label,
...     label2id=label2id,
... )
>>> model.compile(optimizer=optimizer)  # No loss argument!
```

[`~datasets.Dataset.to_tf_dataset`] と [`DefaultDataCollat​​or`] を使用して、データセットを `tf.data.Dataset` 形式に変換します。

```py
>>> from transformers import DefaultDataCollator

>>> data_collator = DefaultDataCollator(return_tensors="tf")

>>> tf_train_dataset = train_ds.to_tf_dataset(
...     columns=["pixel_values", "label"],
...     shuffle=True,
...     batch_size=batch_size,
...     collate_fn=data_collator,
... )

>>> tf_eval_dataset = test_ds.to_tf_dataset(
...     columns=["pixel_values", "label"],
...     shuffle=True,
...     batch_size=batch_size,
...     collate_fn=data_collator,
... )
```

予測から精度を計算し、モデルを 🤗 ハブにプッシュするには、[Keras callbacks](../main_classes/keras_callbacks) を使用します。
`compute_metrics` 関数を [`KerasMetricCallback`] に渡します。
そして [`PushToHubCallback`] を使用してモデルをアップロードします。

```py
>>> from transformers.keras_callbacks import KerasMetricCallback, PushToHubCallback

>>> metric_callback = KerasMetricCallback(
...     metric_fn=compute_metrics, eval_dataset=tf_eval_dataset, batch_size=batch_size, label_cols=["labels"]
... )

>>> push_to_hub_callback = PushToHubCallback(output_dir="scene_segmentation", tokenizer=image_processor)

>>> callbacks = [metric_callback, push_to_hub_callback]
```

ついに、モデルをトレーニングする準備が整いました。トレーニングおよび検証データセット、エポック数、
モデルを微調整するためのコールバック:


```py
>>> model.fit(
...     tf_train_dataset,
...     validation_data=tf_eval_dataset,
...     callbacks=callbacks,
...     epochs=num_epochs,
... )
```

おめでとう！モデルを微調整し、🤗 Hub で共有しました。これで推論に使用できるようになりました。
</tf>
</frameworkcontent>

## Inference

モデルを微調整したので、それを推論に使用できるようになりました。

推論のために画像をロードします。

```py
>>> image = ds[0]["image"]
>>> image
```

<div class="flex justify-center">
    <img src="https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/semantic-seg-image.png" alt="Image of bedroom"/>
</div>

<frameworkcontent>
<pt>

推論用に微調整されたモデルを試す最も簡単な方法は、それを [`pipeline`] で使用することです。モデルを使用して画像セグメンテーション用の `pipeline`をインスタンス化し、それに画像を渡します。

```py
>>> from transformers import pipeline

>>> segmenter = pipeline("image-segmentation", model="my_awesome_seg_model")
>>> segmenter(image)
[{'score': None,
  'label': 'wall',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062690>},
 {'score': None,
  'label': 'sky',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062A50>},
 {'score': None,
  'label': 'floor',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062B50>},
 {'score': None,
  'label': 'ceiling',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062A10>},
 {'score': None,
  'label': 'bed ',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062E90>},
 {'score': None,
  'label': 'windowpane',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062390>},
 {'score': None,
  'label': 'cabinet',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062550>},
 {'score': None,
  'label': 'chair',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062D90>},
 {'score': None,
  'label': 'armchair',
  'mask': <PIL.Image.Image image mode=L size=640x427 at 0x7FD5B2062E10>}]
```

必要に応じて、`pipeline`の結果を手動で複製することもできます。画像を画像プロセッサで処理し、`pixel_values` を GPU に配置します。

```py
>>> device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")  # use GPU if available, otherwise use a CPU
>>> encoding = image_processor(image, return_tensors="pt")
>>> pixel_values = encoding.pixel_values.to(device)
```

入力をモデルに渡し、`logits`を返します。


```py
>>> outputs = model(pixel_values=pixel_values)
>>> logits = outputs.logits.cpu()
```

次に、ロジットを元の画像サイズに再スケールします。

```py
>>> upsampled_logits = nn.functional.interpolate(
...     logits,
...     size=image.size[::-1],
...     mode="bilinear",
...     align_corners=False,
... )

>>> pred_seg = upsampled_logits.argmax(dim=1)[0]
```

</pt>
</frameworkcontent>

<frameworkcontent>
<tf>

画像プロセッサをロードして画像を前処理し、入力を TensorFlow テンソルとして返します。

```py
>>> from transformers import AutoImageProcessor

>>> image_processor = AutoImageProcessor.from_pretrained("MariaK/scene_segmentation")
>>> inputs = image_processor(image, return_tensors="tf")
```

入力をモデルに渡し、`logits`を返します。

```py
>>> from transformers import TFAutoModelForSemanticSegmentation

>>> model = TFAutoModelForSemanticSegmentation.from_pretrained("MariaK/scene_segmentation")
>>> logits = model(**inputs).logits
```

次に、ロジットを元の画像サイズに再スケールし、クラス次元に argmax を適用します。

```py
>>> logits = tf.transpose(logits, [0, 2, 3, 1])

>>> upsampled_logits = tf.image.resize(
...     logits,
...     # We reverse the shape of `image` because `image.size` returns width and height.
...     image.size[::-1],
... )

>>> pred_seg = tf.math.argmax(upsampled_logits, axis=-1)[0]
```

</tf>
</frameworkcontent>

結果を視覚化するには、[データセット カラー パレット](https://github.com/tensorflow/models/blob/3f1ca33afe3c1631b733ea7e40c294273b9e406d/research/deeplab/utils/get_dataset_colormap.py#L51) を、それぞれをマップする `ade_palette()` としてロードします。クラスを RGB 値に変換します。次に、画像と予測されたセグメンテーション マップを組み合わせてプロットできます。

```py
>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> import numpy as np

>>> color_seg = np.zeros((pred_seg.shape[0], pred_seg.shape[1], 3), dtype=np.uint8)
>>> palette = np.array(ade_palette())
>>> for label, color in enumerate(palette):
...     color_seg[pred_seg == label, :] = color
>>> color_seg = color_seg[..., ::-1]  # convert to BGR

>>> img = np.array(image) * 0.5 + color_seg * 0.5  # plot the image with the segmentation map
>>> img = img.astype(np.uint8)

>>> plt.figure(figsize=(15, 10))
>>> plt.imshow(img)
>>> plt.show()
```

<div class="flex justify-center">
    <img src="https://huggingface.co/datasets/huggingface/documentation-images/resolve/main/semantic-seg-preds.png" alt="Image of bedroom overlaid with segmentation map"/>
</div>
