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MONAI 0.7 : tutorials : モジュール – GAN ワークフロー・エンジン (辞書版)

投稿者: sales-info in MONAI 投稿日: 10/14/2021

MONAI 0.7 : tutorials : モジュール – GAN ワークフロー・エンジン (辞書版) (翻訳/解説)

翻訳 : (株)クラスキャットセールスインフォメーション
作成日時 : 10/14/2021 (0.7.0)

* 本ページは、MONAI の以下のドキュメントを翻訳した上で適宜、補足説明したものです：

GAN Workflow Engine with the MedNIST Dataset

* サンプルコードの動作確認はしておりますが、必要な場合には適宜、追加改変しています。
* ご自由にリンクを張って頂いてかまいませんが、sales-info@classcat.com までご一報いただけると嬉しいです。

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MONAI 0.7 : tutorials : モジュール – GAN ワークフロー・エンジン (辞書版)

このノートブックは GanTrainer、モジュール化された敵対的学習のための MONAI ワークフロー・エンジンを示します。MedNIST ハンド CT スキャン・データセットを使用して医療画像再構築ネットワークを訓練します。辞書バージョン。

MONAI フレームワークは敵対的生成ネットワークを簡単に設計し、訓練して評価するために使用できます。このノートブックは、ハンド CT スキャンの画像を再構築するために単純な GAN モデルを設計して訓練する MONAI コンポーネントを使用する実例を示します。

ネットワーク・アーキテクチャと損失関数についての詳細は MONAI Mednist GAN チュートリアルを読んでください。

Step 1: セットアップ

環境のセットアップ

!python -c "import monai" || pip install -q "monai-weekly[ignite, tqdm]"
!python -c "import matplotlib" || pip install -q matplotlib
%matplotlib inline

from monai.utils import set_determinism
from monai.transforms import (
    AddChannelD,
    Compose,
    LoadImageD,
    RandFlipD,
    RandRotateD,
    RandZoomD,
    ScaleIntensityD,
    EnsureTypeD,
)
from monai.networks.nets import Discriminator, Generator
from monai.networks import normal_init
from monai.handlers import CheckpointSaver, MetricLogger, StatsHandler
from monai.engines.utils import GanKeys, default_make_latent
from monai.engines import GanTrainer
from monai.data import CacheDataset, DataLoader
from monai.config import print_config
from monai.apps import download_and_extract
import numpy as np
import torch
import matplotlib.pyplot as plt
import tempfile
import sys
import shutil
import os
import logging

インポートのセットアップ

print_config()

MONAI version: 0.6.0rc1+23.gc6793fd0
Numpy version: 1.20.3
Pytorch version: 1.9.0a0+c3d40fd
MONAI flags: HAS_EXT = True, USE_COMPILED = False
MONAI rev id: c6793fd0f316a448778d0047664aaf8c1895fe1c

Optional dependencies:
Pytorch Ignite version: 0.4.5
Nibabel version: 3.2.1
scikit-image version: 0.15.0
Pillow version: 7.0.0
Tensorboard version: 2.5.0
gdown version: 3.13.0
TorchVision version: 0.10.0a0
ITK version: 5.1.2
tqdm version: 4.53.0
lmdb version: 1.2.1
psutil version: 5.8.0
pandas version: 1.1.4
einops version: 0.3.0

For details about installing the optional dependencies, please visit:
    https://docs.monai.io/en/latest/installation.html#installing-the-recommended-dependencies

データディレクトリのセットアップ

MONAI_DATA_DIRECTORY 環境変数でディレクトリを指定できます。これは結果をセーブしてダウンロードを再利用することを可能にします。指定されない場合、一時ディレクトリが使用されます。

directory = os.environ.get("MONAI_DATA_DIRECTORY")
root_dir = tempfile.mkdtemp() if directory is None else directory
print(root_dir)

/workspace/data/medical

データセットをダウンロードする

データセットをダウンロードして展開します。

MedMNIST データセットは TCIA, RSNA Bone Age チャレンジと NIH Chest X-ray データセットからの様々なセットから集められました。

データセットは Dr. Bradley J. Erickson M.D., Ph.D. (Department of Radiology, Mayo Clinic) のお陰により Creative Commons CC BY-SA 4.0 ライセンスのもとで利用可能になっています。

MedNIST データセットを使用する場合、出典を明示してください、e.g. https://github.com/Project-MONAI/tutorials/blob/master/2d_classification/mednist_tutorial.ipynb。

resource = "https://drive.google.com/uc?id=1QsnnkvZyJPcbRoV_ArW8SnE1OTuoVbKE"
md5 = "0bc7306e7427e00ad1c5526a6677552d"

compressed_file = os.path.join(root_dir, "MedNIST.tar.gz")
data_dir = os.path.join(root_dir, "MedNIST")
if not os.path.exists(data_dir):
    download_and_extract(resource, compressed_file, root_dir, md5)

hand_dir = os.path.join(data_dir, "Hand")
training_datadict = [
    {"hand": os.path.join(hand_dir, filename)}
    for filename in os.listdir(hand_dir)
]

print(training_datadict[:5])

[{'hand': '/workspace/data/medical/MedNIST/Hand/000317.jpeg'}, {'hand': '/workspace/data/medical/MedNIST/Hand/002344.jpeg'}, {'hand': '/workspace/data/medical/MedNIST/Hand/000816.jpeg'}, {'hand': '/workspace/data/medical/MedNIST/Hand/004046.jpeg'}, {'hand': '/workspace/data/medical/MedNIST/Hand/003316.jpeg'}]

Step 2: MONAI コンポーネントを初期化する

logging.basicConfig(stream=sys.stdout, level=logging.INFO)
set_determinism(0)
device = torch.device("cuda:0")

画像変換チェインを作成する

セーブされたディスク画像を利用可能なテンソルに変換するために処理パイプラインを定義します。

train_transforms = Compose(
    [
        LoadImageD(keys=["hand"]),
        AddChannelD(keys=["hand"]),
        ScaleIntensityD(keys=["hand"]),
        RandRotateD(keys=["hand"], range_x=np.pi /
                    12, prob=0.5, keep_size=True),
        RandFlipD(keys=["hand"], spatial_axis=0, prob=0.5),
        RandZoomD(keys=["hand"], min_zoom=0.9, max_zoom=1.1, prob=0.5),
        EnsureTypeD(keys=["hand"]),
    ]
)

データセットとデーたローダを作成する

データを保持して訓練の間にバッチを提示します。

real_dataset = CacheDataset(training_datadict, train_transforms)

100%|██████████| 10000/10000 [00:09<00:00, 1000.72it/s]

batch_size = 300
real_dataloader = DataLoader(
    real_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=10)


def prepare_batch(batchdata, device=None, non_blocking=False):
    return batchdata["hand"].to(device=device, non_blocking=non_blocking)

generator と discriminator を定義する

基本的なコンピュータビジョン GAN ネットワークをライブラリからロードします。

# define networks
disc_net = Discriminator(
    in_shape=(1, 64, 64),
    channels=(8, 16, 32, 64, 1),
    strides=(2, 2, 2, 2, 1),
    num_res_units=1,
    kernel_size=5,
).to(device)

latent_size = 64
gen_net = Generator(
    latent_shape=latent_size,
    start_shape=(latent_size, 8, 8),
    channels=[32, 16, 8, 1],
    strides=[2, 2, 2, 1],
)
gen_net.conv.add_module("activation", torch.nn.Sigmoid())
gen_net = gen_net.to(device)

# initialize both networks
disc_net.apply(normal_init)
gen_net.apply(normal_init)

# define optimizors
learning_rate = 2e-4
betas = (0.5, 0.999)
disc_opt = torch.optim.Adam(disc_net.parameters(), learning_rate, betas=betas)
gen_opt = torch.optim.Adam(gen_net.parameters(), learning_rate, betas=betas)

# define loss functions
disc_loss_criterion = torch.nn.BCELoss()
gen_loss_criterion = torch.nn.BCELoss()
real_label = 1
fake_label = 0


def discriminator_loss(gen_images, real_images):
    real = real_images.new_full((real_images.shape[0], 1), real_label)
    gen = gen_images.new_full((gen_images.shape[0], 1), fake_label)

    realloss = disc_loss_criterion(disc_net(real_images), real)
    genloss = disc_loss_criterion(disc_net(gen_images.detach()), gen)

    return (genloss + realloss) / 2


def generator_loss(gen_images):
    output = disc_net(gen_images)
    cats = output.new_full(output.shape, real_label)
    return gen_loss_criterion(output, cats)

訓練ハンドラを作成する

モデル訓練の間に操作を実行します。

metric_logger = MetricLogger(
    loss_transform=lambda x: {
        GanKeys.GLOSS: x[GanKeys.GLOSS], GanKeys.DLOSS: x[GanKeys.DLOSS]},
    metric_transform=lambda x: x,
)

handlers = [
    StatsHandler(
        name="batch_training_loss",
        output_transform=lambda x: {
            GanKeys.GLOSS: x[GanKeys.GLOSS],
            GanKeys.DLOSS: x[GanKeys.DLOSS],
        },
    ),
    CheckpointSaver(
        save_dir=os.path.join(root_dir, "hand-gan"),
        save_dict={"g_net": gen_net, "d_net": disc_net},
        save_interval=10,
        save_final=True,
        epoch_level=True,
    ),
    metric_logger,
]

GanTrainer を作成する

敵対的学習のための MONAI ワークフロー・エンジン。GanTrainer によってコンポーネントはここで集められます。

Goodfellow et al. 2014 https://arxiv.org/abs/1406.2661 に基づいた訓練ループを使用します。

訓練ループ : データサイズ m の各バッチについて

ランダムな潜在コードから m 個の fakes を生成します。
これらの fakes と現在のバッチ reals で D を更新します、d_train_steps 回反復されます。
新しいランダムな潜在コードから m fakes を生成します。
discriminator フィードバックを使用してこれらの fakes で generator を更新します。

disc_train_steps = 5
max_epochs = 50

trainer = GanTrainer(
    device,
    max_epochs,
    real_dataloader,
    gen_net,
    gen_opt,
    generator_loss,
    disc_net,
    disc_opt,
    discriminator_loss,
    d_prepare_batch=prepare_batch,
    d_train_steps=disc_train_steps,
    g_update_latents=True,
    latent_shape=latent_size,
    key_train_metric=None,
    train_handlers=handlers,
)

Step 3: 訓練の開始

trainer.run()

結果を評価する

G と D の損失カーブを崩れていないか調べます。

g_loss = [loss[1][GanKeys.GLOSS] for loss in metric_logger.loss]
d_loss = [loss[1][GanKeys.DLOSS] for loss in metric_logger.loss]

plt.figure(figsize=(12, 5))
plt.semilogy(g_loss, label="Generator Loss")
plt.semilogy(d_loss, label="Discriminator Loss")
plt.grid(True, "both", "both")
plt.legend()
plt.show()

画像再構築を見る

ランダムな潜在コードで訓練された generator の出力を見ます。

test_img_count = 10
test_latents = default_make_latent(test_img_count, latent_size).to(device)
fakes = gen_net(test_latents)

fig, axs = plt.subplots(2, (test_img_count // 2), figsize=(20, 8))
axs = axs.flatten()
for i, ax in enumerate(axs):
    ax.axis("off")
    ax.imshow(fakes[i, 0].cpu().data.numpy(), cmap="gray")

データディレクトリのクリーンアップ

一時ディレクトリが作成された場合にはディレクトリを削除します。

if directory is None:
    shutil.rmtree(root_dir)

以上

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医用画像処理

MONAI 0.7 : tutorials : モジュール – GAN ワークフロー・エンジン (辞書版)

MONAI 0.7 : tutorials : モジュール – GAN ワークフロー・エンジン (辞書版) (翻訳/解説)

MONAI 0.7 : tutorials : モジュール – GAN ワークフロー・エンジン (辞書版)

Step 1: セットアップ

環境のセットアップ

インポートのセットアップ

データディレクトリのセットアップ

データセットをダウンロードする

Step 2: MONAI コンポーネントを初期化する

画像変換チェインを作成する

データセットとデーたローダを作成する

generator と discriminator を定義する

訓練ハンドラを作成する

GanTrainer を作成する

Step 3: 訓練の開始

結果を評価する

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