2019天池县域农业大脑AI挑战赛冠军方案分享
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2020-12-13 09:44
【GiantPandaCV导语】本科毕业暑假到研究生开学的空档期，心血来潮地想找个比赛试水。本文是笔者在比赛过程中关于赛题的一些记录和思考，赛后整理总结，希望对有也有兴趣参加数据竞赛的学弟学妹能有所帮助。由于笔者第一次接触图像分割任务，知识水平有限，如有理解错误的地方欢迎指正，感激不尽。
比赛主页：
2019 年县域农业大脑AI挑战赛-天池大赛-阿里云天池: https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/231717/introduction
相关代码：
github: https://github.com/lin-honghui/tianchi_CountyAgriculturalBrain_top1
线上demo：
天池7号馆: https://tianchi.aliyun.com/museum7/?spm=5176.14046517.J_9711814210.24.330d3178iIJT5o#/newprodetail?productId=4
0. 团队信息
团队名称：冲鸭！大黄 团队成员：施江玮、黄钦建、林宏辉(now_more: https://tianchi.aliyun.com/home/science/scienceDetail?userId=1095279428856)
1. 赛题分析
赛题任务： 通过无人机航拍的地面影像，探索农作物分割的算法，降低对人工实地勘察的依赖，提升农业资产盘点效率。具体分割类别为薏仁米、玉米、烤烟、人造建筑（复赛新增），其余所有目标归为背景类；
赛题数据： 初赛与复赛提供的是同一片区域不同时期的无人机航拍影像，初赛数据大多为农作物生长的早期，特征不明显，分割难度较大；复赛数据农作物长势良好，并在初赛赛题基础上增加了“建筑”类别；
评估指标： mIoU
难点分析： 类别不平衡、类间相似性、农作物新地形场景泛化、标注噪声
2. 整体方案
2.1 数据预处理
2.1.1 滑窗裁剪
比赛提供的原始数据为分辨率几万的PNG大图，需对原始数据预处理，本次比赛中我们采取的是滑窗切割的策略，主要从以下三个方面考量：
类别平衡： 过滤掉mask无效占比大于7/8的区域，在背景类别比例小于1/3时减小滑窗步长，增大采样率； patch： 实验中没有观察到patch对模型性能有显著影响，最后采取策略同时保留1024和512两种滑窗大小，分别用来训练不同的模型，提高模型的差异度，有利于后期模型集成； 速度： 决赛时算法复现时间也是一定的成绩考量，建议使用gdal库，很适合处理遥感大图的场景。本地比赛中我们直接多进程加速opencv，patch为1024时，单张图5~6min可以切完；
最终采取的切割策略如下：
策略一： 以1024x1024的窗口大小，步长900滑窗，当窗口中mask无效区域比例大于7/8则跳过，当滑动窗口中背景类比例小于1/3时，增加采样率，减小步长为512； 策略二： 以1024x1024的窗口大小，步长512滑窗，当滑动窗口中无效mask比例大于1/3则跳过。
2.2.2 数据增强
数据增强只做了常规的数据增强，如：RandomHorizontalFlip、RandomVerticalFlip、ColorJitter等。由于数据采集场景是无人机在固定高度采集，所以目标尺度较为统一，没有尝试scale的数据增强。
2.2 模型选择
模型上我们队伍没有做很多的尝试，下表整理了天池、Kaggle一些分割任务中大家常用的方案。初赛尝试过PSPNet、U-Net等方案，但没有调出比较好的分数，复赛都是基于DeeplabV3+（决赛5个队伍里有4个用了DeeplabV3plus）backbone为Xception-65、ResNet-101、DenseNet-121。从复赛A榜分数提交情况，DenseNet-121 backbone 分数略高于另外两个，但显存占用太大以及训练时间太长，在后来的方案里就舍弃了。本次赛题数据场景为大面积农田预测，直接用deeplabV3plus高层特征上采样就有不错的效果，结合了底层特征预测反而变得零散。决赛算法复现时，使用了两个Xception-65和一个ResNet-101投票，投票的每个模型用不同的数据训练，增加模型差异。
3. 涨分点
3.1 膨胀预测
方格效应：比赛测试集提供图像分辨率较大，无法整图输入网络。如果直接无交叠滑窗预测拼接，得到的预测结果拼接痕迹明显。
原因分析：网络卷积计算时，为了维持分辨率进行了大量zero-padding，导致网络对图像边界预测不准。
膨胀预测：采用交叠滑窗策略(滑窗步长<滑窗窗口大小)，预测时，只保留预测结果的中心区域，舍弃预测不准的图像边缘。
具体实现：
填充1 (黄色部分) : 填充右下边界至滑窗预测窗口大小的整数倍，方便整除切割； 填充2(蓝色部分) : 填充1/2滑窗步长大小的外边框（考虑边缘数据的膨胀预测）； 以1024x1024为滑窗，512为步长，每次预测只保留滑窗中心512x512的预测结果（可以调整更大的步长，或保留更大的中心区域，提高效率）。
3.2 测试增强
测试时，通过对图像水平翻转，垂直翻转，水平垂直翻转等多次预测，再对预测结果取平均可以提高精度，但相对的，推理时间也会大幅度升高。
with torch.no_grad():
for (image,pos_list) in tqdm(dataloader):
# forward --> predict
image = image.cuda(device) # 复制image到model所在device上
predict_1 = model(image)
# 水平翻转
predict_2 = model(torch.flip(image,[-1]))
predict_2 = torch.flip(predict_2,[-1])
# 垂直翻转
predict_3 = model(torch.flip(image,[-2]))
predict_3 = torch.flip(predict_3,[-2])
# 水平垂直翻转
predict_4 = model(torch.flip(image,[-1,-2]))
predict_4 = torch.flip(predict_4,[-1,-2])
predict_list = predict_1 + predict_2 + predict_3 + predict_4
predict_list = torch.argmax(predict_list.cpu(),1).byte().numpy() # n x h x w
3.3 snapshot ensemble
snapshot ensemble 是一个简单通用的提分trick，通过余弦周期退火的学习率调整策略，保存多个收敛到局部最小值的模型，通过模型自融合提升模型效果。详细的实验和实现可以看黄高老师ICLR 2017的这篇论文。
snapshot ensemble 另一个作用是作新方案的验证。深度学习训练的结果具有一定的随机性，但比赛中提交次数有限，无法通过多次提交来验证实验结果。在做新方案改进验证时，有时难以确定线上分数的小幅度提升是来自于随机性，还是改进方案really work。在比赛提交次数有限的情况下，snapshot ensemble不失为一个更加稳定新方案验证的方法
3.4 后处理
本次赛题数据场景为大面积农田，通过简单的填充孔洞和去除小连通域，去除一些不合理的预测结果。
3.5 边缘平滑
边缘平滑想法受Hinton大神关于的知识蒸馏和When does label smoothing help?的工作启发，从实验看标签平滑训练的模型更加稳定和泛化能力更强。
在知识蒸馏中，用teacher模型输出的soft target训练的student模型，比直接用硬标签（onehot）训练的模型具有更强的泛化能力。我对这部分提升理解是：软标签更加合理反映样本的真实分布情况，硬标签只有全概率和0概率，太过绝对。知识蒸馏时teacher模型实现了easy sample 和 hard sample 的“分拣”（soft-target），对hard sample输出较低的置信度，对easy sample 输出较高的置信度，使得student模型学到了更加丰富的信息。
图3-5截取自When does label smoothing help?，第一行至第四行分别为CIFAR10、CIFAR100、ImageNet(Course)、ImageNet(fine) 的数据集上训练的网络倒数第二层输出可视化，其中第一列为硬标签训练的训练集可视化，第二列为硬标签训练的测试集可视化，第三列为软标签训练的训练集可视化，第四列为软标签训练的测试集可视化，可以看出软标签训练的模型类内更加凝聚，更加可分。
我们重新思考3.1中方格效应，在图像分割任务中，每个像素的分类结果很大程度依赖于周围像素，图像中不同像素预测的难易程度是不同的。分割区别于分类，即使不通过teacher模型，我们也可以发掘部分样本中的hard sample。本次比赛中我们主要考虑了以下两类数据：
图像边缘： 卷积时零填充太多，信息缺少，难以正确分类（参考3.1的方格效应） 不同类间交界处： 标注错误，类间交界难以界定，训练时可能梯度不稳定 类间交界的点，往往只相差几个像素偏移，对网络来说输入信息高度相似，但训练时label 却不同，也是训练过程的不稳定因素。
为验证这一想法，我们分别对模型预测结果及置信度进行可视化。图3-7中，从上到下分别为测试集原图、模型预测结果可视化、模型预测置信度可视化（为更好可视化边类间缘置信度低，这里用了膨胀预测，将置信度p<0.8可视化为黑色，p>=0.8可视化为白色）。可以明显看出，对于图像边缘数据，信息缺失网络难以作出正确分类。对于不同类别交界，由于训练过程梯度不稳定，网络对这部分数据的分类置信度较低。
我们采取的方式是在图像边缘和类间交界设置过渡带，过渡带内的像素视为 hard sample作标签平滑处理，平滑的程度取决于训练时每个batch中 hard sample （下图黑色过渡带区域）像素占总输入像素的比例。而过渡带w的大小为一个超参数，在本次比赛中我们取w=11。
3.6 伪标签
地形泛化问题也是本次赛题数据一个难点，训练集中数据大多为平原，对测试集数据中山地、碎石带、森林等泛化效果较差。我们采用半监督的方式提高模型对新地形泛化能力。
在模型分数已经较高的情况下可以尝试伪标签进行半监督训练，我们在A榜mIoU-79.4时开始制作伪标签，具体实施是：
利用在测试集表现最好的融合模型结果作伪标签，用多组不同置信度阈值过滤数据，结合训练集训练模型； 选取多个snapshot的方法对模型进行自融合提高模型的泛化能力； 集成2中的预测结果，更新伪标签，重复步骤1~3。
伪标签方法提分显著，但对A榜数据过拟合的风险极大。即使不用伪标签，我们的方案在A榜也和第二名拉开了较大差距。在更换B榜前，我们同时准备了用伪标签和不用伪标签的两套模型。
4 总结
膨胀预测消除边缘预测不准问题； 使用测试增强、消除空洞和小连通域等后处理提高精度； 使用snapshot模型自融合、标签平滑、伪标签等方法提高模型稳定性和对新地形泛化能力；
比赛成绩：
颁奖仪式
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