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时间: 2024-12-11 17:25:54 浏览: 8
该文档 `correction-gan.txt` 提供了一个基于PyTorch实现的颜色校正模型(Color Correction GAN)的完整代码。以下是关键部分的详细说明: ### 模型结构 #### U-Net 架构 - **UNet** 类定义了基本的U-Net架构,用于图像分割任务。 ```python class UNet(nn.Module): def __init__(self): super(UNet, self).__init__() self.encoder = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.ReLU(), nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2), nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, padding=1), nn.ReLU(), nn.MaxPool2d(2), ) self.decoder = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=2, stride=2), nn.ReLU(), nn.ConvTranspose2d(64, 3, kernel_size=2, stride=2), nn.Sigmoid(), ) def forward(self, x): x = self.encoder(x) x = self.decoder(x) return x ``` #### 带注意力机制的U-Net - **AttentionBlock** 类定义了注意力机制模块。 ```python class AttentionBlock(nn.Module): def __init__(self, F_g, F_l, F_int): super(AttentionBlock, self).__init__() self.W_g = nn.Sequential( nn.Conv2d(F_g, F_int, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=True), nn.BatchNorm2d(F_int) ) self.W_x = nn.Sequential( nn.Conv2d(F_l, F_int, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=True), nn.BatchNorm2d(F_int) ) self.psi = nn.Sequential( nn.Conv2d(F_int, 1, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=True), nn.BatchNorm2d(1), nn.Sigmoid() ) self.relu = nn.ReLU(inplace=True) def forward(self, g, x): g1 = self.W_g(g) x1 = self.W_x(x) psi = self.relu(g1 + x1) psi = self.psi(psi) return x * psi ``` - **AttentionUNet** 类定义了带注意力机制的U-Net架构。 ```python class AttentionUNet(nn.Module): def __init__(self): super(AttentionUNet, self).__init__() # 编码器和瓶颈层 self.encoder1 = self.conv_block(3, 64) self.encoder2 = self.conv_block(64, 128) self.encoder3 = self.conv_block(128, 256) self.encoder4 = self.conv_block(256, 512) self.bottleneck = self.conv_block(512, 1024) # 解码器和上采样层 self.upconv4 = nn.ConvTranspose2d(1024, 512, kernel_size=2, stride=2) self.att4 = AttentionBlock(F_g=512, F_l=512, F_int=256) self.decoder4 = self.conv_block(1024, 512) self.upconv3 = nn.ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=2, stride=2) self.att3 = AttentionBlock(F_g=256, F_l=256, F_int=128) self.decoder3 = self.conv_block(512, 256) self.upconv2 = nn.ConvTranspose2d(256, 128, kernel_size=2, stride=2) self.att2 = AttentionBlock(F_g=128, F_l=128, F_int=64) self.decoder2 = self.conv_block(256, 128) self.upconv1 = nn.ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=2, stride=2) self.att1 = AttentionBlock(F_g=64, F_l=64, F_int=32) self.decoder1 = self.conv_block(128, 64) # 输出层 self.final_conv = nn.Conv2d(64, 3, kernel_size=1, stride=1, padding=0) self.sigmoid = nn.Sigmoid() def conv_block(self, in_channels, out_channels): return nn.Sequential( nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(out_channels), nn.ReLU(inplace=True), nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(out_channels), nn.ReLU(inplace=True) ) def forward(self, x): e1 = self.encoder1(x) e2 = self.encoder2(F.max_pool2d(e1, 2)) e3 = self.encoder3(F.max_pool2d(e2, 2)) e4 = self.encoder4(F.max_pool2d(e3, 2)) b = self.bottleneck(F.max_pool2d(e4, 2)) d4 = self.upconv4(b) e4 = self.att4(g=d4, x=e4) d4 = torch.cat((e4, d4), dim=1) d4 = self.decoder4(d4) d3 = self.upconv3(d4) e3 = self.att3(g=d3, x=e3) d3 = torch.cat((e3, d3), dim=1) d3 = self.decoder3(d3) d2 = self.upconv2(d3) e2 = self.att2(g=d2, x=e2) d2 = torch.cat((e2, d2), dim=1) d2 = self.decoder2(d2) d1 = self.upconv1(d2) e1 = self.att1(g=d1, x=e1) d1 = torch.cat((e1, d1), dim=1) d1 = self.decoder1(d1) out = self.final_conv(d1) out = self.sigmoid(out) return out ``` #### 生成器和判别器 - **Generator** 和 **Discriminator** 类分别定义了生成器和判别器。 ```python class Generator(nn.Module): def __init__(self): super(Generator, self).__init__() # 与 AttentionUNet 相同的结构 class Discriminator(nn.Module): def __init__(self): super(Discriminator, self).__init__() self.main = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(128), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(256), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(512), nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True), nn.Conv2d(512, 1, kernel_size=16), ) def forward(self, x): return self.main(x).view(-1) ``` ### 数据集 - **ColorblindDataset** 类定义了颜色校正数据集。 ```python class ColorblindDataset(Dataset): def __init__(self, image_dir, mode='train', transform=None): self.image_dir = image_dir self.mode = mode self.transform = transform self.normal_images = glob.glob(image_dir + '/' + mode + '/' + 'origin_image' + '/*') self.recolor_images = glob.glob(image_dir + '/' + mode + '/' + 'recolor_image' + '/' + '*Protanopia*') self.correct_images = glob.glob(image_dir + '/' + mode + '/' + 'correct_image' + '/*') self.normal_images.sort() self.recolor_images.sort() self.correct_images.sort() self.image_pair = [] for index, image in enumerate(self.normal_images): self.image_pair.append([self.recolor_images[index], self.normal_images[index]]) def __len__(self): return len(self.image_pair) def __getitem__(self, idx): recolor_path, normal_path = self.image_pair[idx] recolor_image = Image.open(recolor_path).convert('RGB') normal_image = Image.open(normal_path).convert('RGB') if self.transform: recolor_image = self.transform(recolor_image) normal_image = self.transform(normal_image) return recolor_image, normal_image ``` ### 训练和验证函数 - **train_correction_model** 和 **validate_correction_model** 函数分别用于训练和验证模型。 ```python def train_correction_model(generator, discriminator, dataloader, optimizer_G, optimizer_D, device, lambda_gp, lambda_pixel, n_critic): # 训练逻辑 pass def validate_correction_model(generator, discriminator, dataloader, device, lambda_gp): # 验证逻辑 pass ``` ### 主函数 - **main** 函数负责解析命令行参数并启动训练过程。 ```python def main(args): # 数据预处理和加载 transform = transforms.Compose([ transforms.Resize((256, 256)), transforms.ToTensor(), ]) train_dataset = ColorblindDataset(args.dataset_dir, mode='train', transform=transform) val_dataset = ColorblindDataset(args.dataset_dir, mode='val', transform=transform) train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=args.batch_size, num_workers=4, shuffle=True) val_loader = DataLoader(val_dataset, batch_size=args.batch_size, num_workers=4, shuffle=False) device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") generator = Generator().to(device) discriminator = Discriminator().to(device) # 加载预训练模型权重 if args.generator_model_weight_path: print(f"Loading generator weights from {args.generator_model_weight_path}") generator.load_state_dict(torch.load(args.generator_model_weight_path)) if args.discriminator_model_weight_path: print(f"Loading discriminator weights from {args.discriminator_model_weight_path}") discriminator.load_state_dict(torch.load(args.discriminator_model_weight_path)) optimizer_G = optim.Adam(generator.parameters(), lr=args.generator_learning_rate, betas=(0.5, 0.999)) optimizer_D = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=args.discriminator_learning_rate, betas=(0.5, 0.999)) lambda_gp = args.lambda_gp lambda_pixel = args.lambda_pixel n_critic = args.n_critic train_metrics = [] val_metrics = [] for epoch in range(1, args.num_epochs + 1): train_g_loss, train_d_loss, train_iou, train_psnr, train_ssim = train_correction_model( generator, discriminator, train_loader, optimizer_G, optimizer_D, device, lambda_gp, lambda_pixel, n_critic) val_g_loss, val_d_loss, val_iou, val_psnr, val_ssim = validate_correction_model( generator, discriminator, val_loader, device, lambda_gp) train_metrics.append((train_g_loss, train_d_loss, train_iou, train_psnr, train_ssim)) val_metrics.append((val_g_loss, val_d_loss, val_iou, val_psnr, val_ssim)) print(f'Epoch {epoch}, Generator Training Loss: {train_g_loss:.4f}, Discriminator Training Loss: {train_d_loss:.4f}, IoU: {train_iou:.4f}, PSNR: {train_psnr:.4f}, SSIM: {train_ssim:.4f}') print(f'Epoch {epoch}, Generator Validation Loss: {val_g_loss:.4f}, Discriminator Validation Loss: {val_d_loss:.4f}, IoU: {val_iou:.4f}, PSNR: {val_psnr:.4f}, SSIM: {val_ssim:.4f}') plot_and_save_metrics(train_metrics, val_metrics, epoch) torch.save(generator.state_dict(), args.generator_model_save_path) torch.save(discriminator.state_dict(), args.discriminator_model_save_path) visualize_results(generator, train_loader, device, save_path='./results/train') visualize_results(generator, val_loader, device, save_path='./results/val') if __name__ == "__main__": parser = argparse.ArgumentParser(description="Correction Model with WGAN-GP") parser.add_argument('--dataset_dir', type=str, default='./dataset', help='数据集目录路径') parser.add_argument('--batch_size', type=int, default=10, help='训练批次大小') parser.add_argument('--generator_learning_rate', type=float, default=0.001, help='优化器学习率') parser.add_argument('--discriminator_learning_rate', type=float, default=0.0001, help='优化器学习率') parser.add_argument('--lambda_pixel', type=float, default=10.0, help='像素级损失的权重') parser.add_argument('--lambda_gp', type=float, default=10.0, help='梯度惩罚系数') parser.add_argument('--n_critic', type=int, default=8, help='判别器更新次数') parser.add_argument('--num_epochs', type=int, default=100, help='训练的轮数') parser.add_argument('--generator_model_save_path', type=str, default='./model_weights/generator.pth', help='保存训练好的生成器模型的路径') parser.add_argument('--discriminator_model_save_path', type=str, default='./model_weights/discriminator.pth', help='保存训练好的判别器模型的路径') parser.add_argument('--generator_model_weight_path', type=str, default='', help='预训练的生成器模型的路径') parser.add_argument('--discriminator_model_weight_path', type=str, default='', help='预训练的判别器模型的路径') args = parser.parse_args() main(args) ``` ### 可视化和指标计算 - **visualize_results** 和 **plot_and_save_metrics** 函数用于可视化结果和绘制训练指标图。 ```python def visualize_results(generator, dataloader, device, num_images=10, save_path='./results'): # 可视化结果 pass def plot_and_save_metrics(train_metrics, val_metrics, epoch, path='./metrics_plots'): # 绘制和保存训练指标图 pass ``` ### 总结 这个文档提供了一个完整的颜色校正模型的实现,包括生成器、判别器、注意力机制、数据集加载、训练和验证流程以及结果可视化。通过使用WGAN-GP框架,该模型能够有效地进行颜色校正任务,并提供了多种评估指标来衡量模型性能。
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