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ディープ ネットワーク デザイナーでの image-to-image 回帰

この例では、ディープ ネットワーク デザイナーを使用して、超解像用の image-to-image 回帰ネットワークの構築と学習を行う方法を示します。

空間解像度は、デジタル イメージを構築するのに使用されるピクセル数です。空間解像度が高いイメージは、それを構成するピクセルの数も多いため、より詳細な情報が含まれることになります。超解像は、低解像度イメージを入力として受け取り、高解像度イメージにアップスケーリングするプロセスです。イメージ データを使用する際、データのサイズを抑えるために、情報の損失と引き換えに空間解像度を下げる場合があります。この損失情報を復元するために、深層学習ネットワークの学習を行い、イメージで損失した詳細情報を予測することができます。この例では、7 x 7 ピクセルに圧縮されたイメージから 28 x 28 ピクセルのイメージを復元します。

データの読み込み

この例では、手書き数字の合成グレースケール イメージ 10,000 枚で構成された数字データ セットを使用します。イメージはそれぞれ 28 x 28 x 1 ピクセルです。

データを読み込み、イメージ データストアを作成します。

dataFolder = fullfile(toolboxdir('nnet'),'nndemos','nndatasets','DigitDataset');

imds = imageDatastore(dataFolder, ...
    'IncludeSubfolders',true, ....
    'LabelSource','foldernames');

学習前に関数shuffleを使用してデータをシャッフルします。

imds = shuffle(imds);

関数splitEachLabelを使用して、このイメージ データストアを学習用、検証用、テスト用のイメージを含む 3 つのイメージ データストアに分割します。

[imdsTrain,imdsVal,imdsTest] = splitEachLabel(imds,0.7,0.15,0.15,'randomized');

各イメージ内のデータを [0,1] の範囲に正規化します。正規化は、勾配降下を使用したネットワークの学習の安定化と高速化に有効です。データが適切にスケーリングされていない場合、学習中に損失が NaN になり、ネットワーク パラメーターが発散する可能性があります。

imdsTrain = transform(imdsTrain,@(x) rescale(x));
imdsVal = transform(imdsVal,@(x) rescale(x));
imdsTest = transform(imdsTest,@(x) rescale(x));

学習データの生成

アップサンプリングされた低解像度イメージと、それに対応する高解像度イメージで構成されるイメージのペアを生成することにより、学習データ セットを作成します。

image-to-image 回帰を実行するようにネットワークの学習を行うには、イメージは、入力と応答で構成される、サイズが同じイメージのイメージのペアとなる必要があります。各イメージを 7 x 7 ピクセルにダウンサンプリングしてから 28 x 28 ピクセルにアップサンプリングすることにより、学習データを生成します。変換されたイメージと元のイメージのペアを使用することで、ネットワークは 2 つの異なる解像度間でマッピングする方法を学習できます。

補助関数 upsampLowRes を使用して入力データを生成します。この補助関数は imresize を使用して低解像度イメージを生成します。

imdsInputTrain = transform(imdsTrain,@upsampLowRes);
imdsInputVal= transform(imdsVal,@upsampLowRes);
imdsInputTest = transform(imdsTest,@upsampLowRes);

関数combineを使用し、低解像度と高解像度のイメージを組み合わせて単一のデータストアにします。関数 combine の出力はCombinedDatastoreオブジェクトです。

dsTrain = combine(imdsInputTrain,imdsTrain);
dsVal = combine(imdsInputVal,imdsVal);
dsTest = combine(imdsInputTest,imdsTest);

ネットワーク アーキテクチャの作成

Computer Vision Toolbox™ から関数 unetLayers を使用して、ネットワーク アーキテクチャを作成します。この関数は、image-to-image 回帰に簡単に適応可能な、セマンティック セグメンテーションに適したネットワークを提供します。

入力サイズが 28 x 28 x 1 ピクセルのネットワークを作成します。

layers = unetLayers([28,28,1],2,'encoderDepth',2);

ディープ ネットワーク デザイナーを使用して、image-to-image 回帰用にネットワークを編集します。

deepNetworkDesigner(layers);

[デザイナー] ペインから、ソフトマックス層とピクセル分類層を [層のライブラリ] にある回帰層に置き換えます。

最終畳み込み層を選択し、NumFilters プロパティを 1 に設定します。

これでネットワークの学習準備が整いました。

データのインポート

ディープ ネットワーク デザイナーに学習データと検証データをインポートします。

[データ] タブで [データのインポート][データストアのインポート] とクリックし、dsTrain を学習データとして、dsVal を検証データとして選択します。[インポート] をクリックして両方のデータストアをインポートします。

ディープ ネットワーク デザイナーは、結合されたデータストア内にあるイメージのペアを表示します。アップスケーリングされた低解像度の入力イメージは左側に、元の高解像度の応答イメージは右側に表示されます。ネットワークは、入力イメージと応答イメージの間でマッピングする方法を学習します。

ネットワークの学習

学習オプションを選択し、ネットワークに学習させます。

[学習] タブで [学習オプション] を選択します。[ソルバー] リストから adam を選択します。[MaxEpochs]10 に設定します。[閉じる] をクリックして学習オプションを確定します。

[学習] をクリックして、結合されたデータストアでネットワークに学習させます。

ネットワークが 2 つのイメージ間のマッピング方法を学習するため、検証の平方根平均二乗誤差 (RMSE) は減少します。

学習が完了したら、[エクスポート] をクリックして、学習済みネットワークをワークスペースにエクスポートします。学習済みネットワークは、変数 trainedNetwork_1 に保存されます。

ネットワークのテスト

テスト データを使用して、ネットワーク性能を評価します。

predict を使用すれば、学習セットに含まれていなかった低解像度の入力イメージから高解像度イメージをネットワークが生成できるかどうかをテストできます。

ypred = predict(trainedNetwork_1,dsTest);

for i = 1:8
    I(1:2,i) = read(dsTest);
    I(3,i) = {ypred(:,:,:,i)};
end

入力イメージ、予測されたイメージ、応答イメージを比較します。

subplot(1,3,1)
imshow(imtile(I(1,:),'GridSize',[8,1]))
title('Input')
subplot(1,3,2)
imshow(imtile(I(3,:),'GridSize',[8,1]))
title('Predict')
subplot(1,3,3)
imshow(imtile(I(2,:),'GridSize',[8,1]))
title('Response')

ネットワークは、低解像度の入力から高解像度イメージを正常に生成しています。

この例のネットワークは非常に単純で、数字データ セットに合せて高度に調整されています。日常的なイメージを対象とした、より複雑な image-to-image 回帰ネットワークの作成方法を示す例については、深層学習を使用した単一イメージ超解像処理を参照してください。

サポート関数

function dataOut = upsampLowRes(dataIn)
        temp = dataIn;
        temp = imresize(temp,[7,7],'method','bilinear');
        dataOut = {imresize(temp,[28,28],'method','bilinear')};
end

参考

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