【3D图像分割】基于Pytorch的VNet 3D图像分割5（改写数据流篇）

在这篇文章：【3D 图像分割】基于 Pytorch 的 VNet 3D 图像分割2（基础数据流篇）的最后，我们提到了：

在采用vent模型进行3d数据的分割训练任务中，输入大小是16*96*96，这个的裁剪是放到Dataset类里面裁剪下来的image和mask。但是在训练时候发现几个问题：

加载数据耗费了很长时间，从启动训练，到正式打印开始按batch循环，这段时间就有30分钟
batch=64, torch.utils.data.DataLoader里面的num_workers=8，训练总是到8的倍数时候，要停顿较长时间等待
4个GPU并行训练的，GPU的利用率长时间为0，偶尔会升上去，一瞬间又为0
free -m查看的内存占用，发现buff和cache会逐步飙升，慢慢接近占满。

请问出现这种情况，会是哪里存在问题啊？模型是正常训练和收敛拟合的也比较好，就是太慢了。分析myDataset数据读取的代码，有几个地方可能是较为耗时，和占用内存的地方：

getAnnotations 函数，需要从csv文件中获取文件名和结节对应坐标，最后存储为一个字典，这个是始终要占着内存空间的；
getNpyFile_Path 函数，dataFile_paths和labelFile_paths都需要调用，有些重复了，这部分的占用是可以降低一倍的；
get_annos_label 函数，也是一样的问题，有些重复了，这部分的占用是可以降低一倍的。

上面这几个函数，都是在类的__init__阶段就完成的，这种多次的循环，可能是在开始batch循环前这部分时间，耗费时间的主要原因；其次，由于重复占用内存，进一步加剧了性能降低，使得后续的训练变的比较慢。

为了解决上面的这些问题，产生了本文2.0 的Dataset数据加载的版本，其最大的改动就是将原本从csv文件获取结节坐标的形式，改为从npy文件中获取。这样，image、mask、Bbox都是一一对应的单个文件了。从后续的实际训练发现，也确实是如此，解决了这个耗时的问题，让训练变的很快。

所以，只要我们将牟定的值进行精简，减少__init__阶段的内存占用，这个问题就应该可以完美解决了。所以，本篇就是遵照这个原则，尽量的在数据预处理阶段，就把能不要的就丢弃，只留下最简单的一一结构。将预处理前置，避免在构建数据阶段调用。

LUNA16数据的预处理，可以参照这里，本篇就是通过这里方式，产生的数据，如下：

【3D 图像分割】基于 Pytorch 的 VNet 3D 图像分割6（数据预处理）
【3D 图像分割】基于 Pytorch 的 VNet 3D 图像分割7（数据预处理）
【3D 图像分割】基于 Pytorch 的 VNet 3D 图像分割8（CT肺实质分割）
【3D 图像分割】基于 Pytorch 的 VNet 3D 图像分割9（patch 的 crop 和 merge 操作）

一、搭设数据流框架

在pytorch中，构建训练用的数据流，都遵循下面这样一个结构。其中主要的思路是这样的：

在__init__中，是类初始化阶段，就执行的。在这里需要牟定某个值，将训练需要的内容，都获取到，但尽量少的占用内容和花费时间；
在__getitem__中，会根据__init__牟定的那个值，获取到一个图像和标签信息，读取和增强等等操作，最后返回Tensor值；
__len__返回的是一个epoch训练牟定值的长度。

下面就是一个简易的框架结构，留作参考，后续的构建数据流，都可以对这里补充。

class myDataset_v3(Dataset):def __init__(self, data_dir, isTrain=True):self.data = []if isTrain:self.data  ···else：self.data  ···def __len__(self):return len(self.data)def __getitem__(self, index):# ********** get file dir **********image, label = self.data[index]  # get whole data for one subject# ********** change data type from numpy to torch.Tensor **********image = torch.from_numpy(image).float()  label = torch.from_numpy(label).float()  return image, label

在这篇文章中，对这个类里面的参数，进行了详细的介绍，感兴趣的可以直达去学习：【BraTS】Brain Tumor Segmentation 脑部肿瘤分割3（构建数据流）

二、完善框架内容

相信通过前面6、7、8、9四篇博客的介绍，你已经将Luna16的原始数据集，处理成了一一对应的，我们训练所需要的数据形式，包括：

_bboxes.npy：记录了结节中心点的坐标和半径；
_clean.nrrd：CT原始图像数组；
_mask.nrrd：标注文件mask数组，和_clean.nrrd的shape一样；

还包括一些其他的.npy，记录的都是整个变换阶段的一些量，在训练阶段是使用不到的，这里就不展开了。最最关注的就是上面三个文件，并且是根据seriesUID一一对应的。

如果是这样的数据情况下，我们构建myDataset_v3(Dataset)数据量，思考：在__init__阶段，可以以哪个为锚点，尽量少占用内存的情况下，将所需要的图像、标注信息都可以在__getitem__阶段，依次获取到呢？

那就是seriesUID的文件名。他是可以一拖三的，并且一个列表就可以了，这样是最节省内存的方式。于是我们在__init__阶段的定义如下：

class myDataset_v3(Dataset):def __init__(self, data_dir, crop_size=(16, 96, 96), isTrain=False):self.bboxesFile_path = []for file in os.listdir(data_dir):if '_bboxes.npy' in file:self.bboxesFile_path.append(os.path.join(data_dir, file))self.crop_size = crop_sizeself.crop_size_z, self.crop_size_h, self.crop_size_w = crop_sizeself.isTrain = isTrain

然后在__len__的定义，就自然而然的知道了，如下：

    def __len__(self):return len(self.bboxesFile_path)

最为重要，且最难的，也就是__getitem__的定义，在这里需要做一下几件事情：

获取各个文件的路径；
获取文件对应的数据；
裁剪出目标patch；
数组转成Tensor。

然后，在定义__getitem__中，就发现了问题，如下：

    def __getitem__(self, index):bbox_path = self.bboxesFile_path[index]img_path = bbox_path.replace('_bboxes.npy', '_clean.nrrd')label_path = bbox_path.replace('_bboxes.npy', '_mask.nrrd')img, img_shape = self.load_img(img_path)label 		   = self.load_mask(label_path)zyx_centerCoor = self.getBboxes(bbox_path)def getBboxes(self, bboxFile_path):bboxes_array = np.load(bboxFile_path, allow_pickle=True)bboxes_list = bboxes_array.tolist()xyz_list = [[zyx[0], zyx[2], zyx[1]] for zyx in bboxes_list]return random.choice(xyz_list)

主要是因为一个_bboxes.npy记录的结节坐标点，并不只有一个结节。如果将获取bbox的放到__getitem__，就会发现他一次只能裁剪出一个patch，就不可能对多个结节的情况都处理到。所以我这里采用了random.choice的方式，随机的选择一个结节。

但是，这种方式是不好的，因为他会降低结节在学习过程中出现的次数，尽管是随机的，但是相当于某些类型的数据量变少了。同样学习的epoch次数下，那些只有一个结节的，就被学习的次数相对变多了。

为了解决这个问题，直接将结节数与文件名一一对应起来，这样对于每一个结节来说，机会都是均等的了。代码如下所示：

import os
import random
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from tqdm import tqdm
import torch
from torch.utils.data import Dataset
import nrrd
import cv2class myDataset_v3(Dataset):def __init__(self, data_dir, crop_size=(16, 96, 96), isTrain=False):self.dataFile_path_bboxes = []for file in os.listdir(data_dir):if '_bboxes.npy' in file:one_path_bbox_list = self.getBboxes(os.path.join(data_dir, file))self.dataFile_path_bboxes.extend(one_path_bbox_list)self.crop_size = crop_sizeself.crop_size_z, self.crop_size_h, self.crop_size_w = crop_sizeself.isTrain = isTraindef __getitem__(self, index):bbox_path, zyx_centerCoor = self.dataFile_path_bboxes[index]img_path = bbox_path.replace('_bboxes.npy', '_clean.nrrd')label_path = bbox_path.replace('_bboxes.npy', '_mask.nrrd')img, img_shape = self.load_img(img_path)# print('img_shape:', img_shape)label = self.load_mask(label_path)# print('zyx_centerCoor:', zyx_centerCoor)cutMin_list = self.getCenterScope(img_shape, zyx_centerCoor)if self.isTrain:rd = random.random()if rd > 0.5:cut_list = [cutMin_list[0], cutMin_list[0]+self.crop_size_z, cutMin_list[1], cutMin_list[1]+self.crop_size_h, cutMin_list[2], cutMin_list[2]+self.crop_size_w]  ###  z,y,xstart1, start2, start3 = self.random_crop_around_nodule(img_shape, cut_list, crop_size=self.crop_size, leftTop_ratio=0.3)elif rd > 0.1:start1, start2, start3 = self.random_crop_negative_nodule(img_shape, crop_size=self.crop_size)else:start1, start2, start3 = cutMin_listelse:start1, start2, start3 = cutMin_listimg_crop = img[start1:start1 + self.crop_size_z, start2:start2 + self.crop_size_h,start3:start3 + self.crop_size_w]label_crop = label[start1:start1 + self.crop_size_z, start2:start2 + self.crop_size_h,start3:start3 + self.crop_size_w]# print('before:', img_crop.shape, label_crop.shape)# 计算需要pad的大小if img_crop.shape != self.crop_size:pad_width = [(0, self.crop_size_z-img_crop.shape[0]), (0, self.crop_size_h-img_crop.shape[1]), (0, self.crop_size_w-img_crop.shape[2])]img_crop = np.pad(img_crop, pad_width, mode='constant', constant_values=0)if label_crop.shape != self.crop_size:pad_width = [(0, self.crop_size_z-label_crop.shape[0]), (0, self.crop_size_h-label_crop.shape[1]), (0, self.crop_size_w-label_crop.shape[2])]label_crop = np.pad(label_crop, pad_width, mode='constant', constant_values=0)# print('after:', img_crop.shape, label_crop.shape)img_crop = np.expand_dims(img_crop, 0)  # (1, 16, 96, 96)img_crop = torch.from_numpy(img_crop).float()label_crop = torch.from_numpy(label_crop).long()  # (16, 96, 96) label不用升通道维度return img_crop, label_cropdef __len__(self):return len(self.dataFile_path_bboxes)def load_img(self, path_to_img):if path_to_img.startswith('LKDS'):img = np.load(path_to_img)else:img, _ = nrrd.read(path_to_img)img = img.transpose((0, 2, 1))      # 与xyz坐标变换对应return img/255.0, img.shapedef load_mask(self, path_to_mask):mask, _ = nrrd.read(path_to_mask)mask[mask>1] = 1mask = mask.transpose((0, 2, 1))    # 与xyz坐标变换对应return maskdef getBboxes(self, bboxFile_path):bboxes_array = np.load(bboxFile_path, allow_pickle=True)bboxes_list = bboxes_array.tolist()one_path_bbox_list = []for zyx in bboxes_list:xyz = [zyx[0], zyx[2], zyx[1]]one_path_bbox_list.append([bboxFile_path, xyz])return one_path_bbox_listdef getCenterScope0(self, img_shape, zyx_centerCoor):cut_list = []  # 切割需要用的数for i in range(len(img_shape)):  # 0, 1, 2   →  z,y,xif i == 0:  # za = zyx_centerCoor[-i - 1] - self.crop_size_z/2  # zb = zyx_centerCoor[-i - 1] + self.crop_size_z/2  # y,zelse:  # y, xa = zyx_centerCoor[-i - 1] - self.crop_size_w/2b = zyx_centerCoor[-i - 1] + self.crop_size_w/2# 超出图像边界 1if a < 0:a = self.crop_size_zb = self.crop_size_w# 超出边界 2elif b > img_shape[i]:if i == 0:a = img_shape[i] - self.crop_size_zb = img_shape[i]else:a = img_shape[i] - self.crop_size_wb = img_shape[i]else:passcut_list.append(int(a))cut_list.append(int(b))return cut_listdef getCenterScope(self, img_shape, zyx_centerCoor):img_z, img_y, img_x = img_shapezc, yc, xc = zyx_centerCoorzmin = max(0, zc - self.crop_size_z // 3)ymin = max(0, yc - self.crop_size_h // 2)xmin = max(0, xc - self.crop_size_w // 2)cutMin_list = [int(zmin), int(ymin), int(xmin)]return cutMin_listdef random_crop_around_nodule(self, img_shape, cut_list, crop_size=(16, 96, 96), leftTop_ratio=0.3):""":param img::param label::param center::param radius::param cut_list::param crop_size::param leftTop_ratio: 越大，阴性样本越多(需要考虑crop_size):return:"""img_z, img_y, img_x = img_shapecrop_z, crop_y, crop_x = crop_sizez_min, z_max, y_min, y_max, x_min, x_max = cut_list# print('z_min, z_max, y_min, y_max, x_min, x_max:', z_min, z_max, y_min, y_max, x_min, x_max)z_min = max(0, int(z_min-crop_z*leftTop_ratio))z_max = min(img_z, int(z_min + crop_z*leftTop_ratio))y_min = max(0, int(y_min-crop_y*leftTop_ratio))y_max = min(img_y, int(y_min+crop_y*leftTop_ratio))x_min = max(0, int(x_min-crop_x*leftTop_ratio))x_max = min(img_x, int(x_min+crop_x*leftTop_ratio))z_start = random.randint(z_min, z_max)y_start = random.randint(y_min, y_max)x_start = random.randint(x_min, x_max)return z_start, y_start, x_startdef random_crop_negative_nodule(self, img_shape, crop_size=(16, 96, 96), boundary_ratio=0.5):img_z, img_y, img_x = img_shapecrop_z, crop_y, crop_x = crop_sizez_min = 0#crop_z*boundary_ratioz_max = img_z-crop_z#img_z - crop_z*boundary_ratioy_min = 0#crop_y*boundary_ratioy_max = img_y-crop_y#img_y - crop_y*boundary_ratiox_min = 0#crop_x*boundary_ratiox_max = img_x-crop_x#img_x - crop_x*boundary_ratioz_start = random.randint(z_min, z_max)y_start = random.randint(y_min, y_max)x_start = random.randint(x_min, x_max)return z_start, y_start, x_start

上述就是本次改写后新的数据流完整代码，没有加入数据增强的操作。在训练时，引入了三种多样性：

确保mask有结节目标的情况下，随机的变换结节在patch中的位置；
全图随机的进行裁剪，主要是产生负样本；
直接使用结节为中心点的方式进行裁剪。

这样做的目的，其实是考虑到结节在patch中的位置，可能会影响到最终的预测。因为最后我们在使用的推理阶段，其实是不知道结节在图像中的哪个位置的，只能遍历所有的patch，然后再将预测的结果拼接成一个完整的mask，进而对mask的处理，知道了所有结节的位置。

这就要求结节无论是出现在图像中的任何位置，都需要找到他，并且尽量少的假阳性。

这块是很少看到论文涉及到的内容，我不清楚是不是论文只关于了指标，而忘记了假阳性这样一个附加产物。还有就是这些patch的获取方式，是预先裁剪下来，直接读取patch数组的形式，进行训练的。这种也不好，多样性不够，还比较的麻烦。

这一小节还要讲的，就是getCenterScope和random_crop_around_nodule两个函数。getCenterScope中为什么整除3，是因为多次查看，总结出来的。如果是整除2，就发现所有的结节，都偏下，这点的原因，还没有想明白。知道的求留言。

如果是一个二维的平面，已知中心点，那么找到左上角的最小值，那就应该是中心点坐标，减去二分之一的宽高。但是，在z轴也采用减去二分之一的，发现所有裁剪出来的结节就很靠下。

所以，这里采用了减去三分之一，让他在z轴上，往上移动了一点。这里的疑问还没有搞明白，知道的评论区求指教。

random_crop_around_nodule是控制了裁剪左上角最小值和最大值的坐标，在这个区间内随机的确定，进而使得结节的裁剪，更加的多样性。如下图所示：

我只要想让每一次的裁剪都有结节在，只需要结节左上角的坐标，落在一定的区间内即可。leftTop_ratio参数，就是用于控制左上角的点，远离左上角的距离。

这个值需要自己根据patch的大小自己决定，多次查看很重要。

三、验证数据流

构建好数据量的类函数，还不能算完。因为你不知道此时的数据流，是不是符合你要求的。所以如果能够模拟训练过程，提前看看每一个patch的结果，那就再好不过了。

本章节就是这个目的，我们把图像和mask通通打出来看看，这样就知道是否存在问题了。查看的方法也比较的简单，可以抄过去用到之后自己的项目里。

def getContours(output):img_seged = output.numpy().astype(np.uint8)img_seged = img_seged * 255# ---- Predict bounding box results with txt ----kernel = np.ones((5, 5), np.uint8)img_seged = cv2.dilate(img_seged, kernel=kernel)_, img_seged_p = cv2.threshold(img_seged, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)try:_, contours, _ = cv2.findContours(np.uint8(img_seged_p), cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)except:contours, _ = cv2.findContours(np.uint8(img_seged_p), cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)return contoursif __name__=='__main__':data_dir = r"./valid"dataset_valid = myDataset_v3(data_dir,  crop_size=(48, 96, 96), isTrain=False)  # 送入datasetvalid_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset_valid,  # 生成dataloaderbatch_size=1, shuffle=False,num_workers=0)  # 16)  # 警告页面文件太小时可改为0print("valid_dataloader_ok")print(len(valid_loader))for batch_index, (data, target) in tqdm(enumerate(valid_loader)):name = dataset_valid.dataFile_path_bboxes[batch_index]print('name:', name)print('image size ......')print(data.shape)  # torch.Size([batch, 1, 16, 96, 96])print('label size ......')print(target.shape)  # torch.Size([2])# 按着batch进行显示for i in range(data.shape[0]):onePatch = data[i, 0, :, :]onePatch_target = target[0, :, :, :]print('one_patch:', onePatch.shape, np.max(onePatch.numpy()), np.min(onePatch.numpy()))fig, ax = plt.subplots(6, 8, figsize=[14, 16])for i in range(6):for j in range(8):one_pic = onePatch[i * 4 + j]img = one_pic.numpy()*255.0# print('one_pic img:', one_pic.shape, np.max(one_pic.numpy()), np.min(one_pic.numpy()))one_mask = onePatch_target[i * 4 + j]contours = getContours(one_mask)for contour in contours:x, y, w, h = cv2.boundingRect(contour)xmin, ymin, xmax, ymax = x, y, x + w, y + h# print('contouts:', xmin, ymin, xmax, ymax)cv2.drawContours(img, contour, -1, (0, 0, 255), 2)# cv2.rectangle(img, (int(xmin), int(ymin)), (int(xmax), int(ymax)), (0, 0, 255),#               thickness=1)ax[i, j].imshow(img, cmap='gray')ax[i, j].axis('off')# print('one_target:', onePatch.shape, np.max(onePatch.numpy()), np.min(onePatch.numpy()))fig, ax = plt.subplots(6, 8, figsize=[14, 16])for i in range(6):for j in range(8):one_pic = onePatch_target[i * 4 + j]# print('one_pic mask:', one_pic.shape, np.max(one_pic.numpy()), np.min(one_pic.numpy()))ax[i, j].imshow(one_pic, cmap='gray')ax[i, j].axis('off')plt.show()