【Semantic Segmentation】Segmentation综述

部分转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/37618829

一.语义分割基本介绍

1.1 概念

语义分割（semantic segmentation） : 就是按照“语义”给图像上目标类别中的每一点打一个标签，使得不同种类的东西在图像上被区分开来。可以理解成像素级别的分类任务。

输入：（HW3）就是正常的图片

输出： ( HWclass )可以看为图片上每个点的one-hot表示，每一个channel对应一个class,对每一个pixel位置，都有class数目个channel,每个channel的值对应那个像素属于该class的预测概率。

figure1

1.3评价准则

1.像素精度（pixel accuracy ）：每一类像素正确分类的个数/ 每一类像素的实际个数。

2.均像素精度（mean pixel accuracy ）：每一类像素的精度的平均值。

2.平均交并比（Mean Intersection over Union）：求出每一类的IOU取平均值。IOU指的是两块区域相交的部分/两个部分的并集，如figure2中绿色部分/总面积。

4.权频交并比（Frequency Weight Intersection over Union）：每一类出现的频率作为权重

figure2

二.从FCN 到Deeplab V3+ :语义分割的原理和常用技巧

2.1 FCN

论文详解

FCN是语义分割的开山之作，主要特色有两点：

1.全连接层换成卷积层

2.不同尺度的信息融合FCN-8S,16s,32s

2.1.1 全连接层换成卷积层

figure3

以Alexnet的拓扑结构为例

原本的结构：224大小的图片经过一系列卷积，得到大小为1/32 = 7的feature map，经过三层全连接层，得到基于FC的分布式表示。

我们把三层全连接层全都换成卷积层，卷积核的大小和个数如下图中间行所示，我们去掉了全连接层，但是得到了另外一种基于不同channel的分布式表示：Heatmap

举一个例子，我们有一个大小为384的图片，经过替换了FC的Alexnet,得到的是6*6*1000的Heatmap,相当于原来的Alexnet 以stride = 32在输入图片上滑动，经过上采样之后，就可以得到粗略的分割结果。

figure4

2.1.2 不同尺度的信息融合

就像刚刚举的Alexnet的例子，对于任何的分类神经网络我们都可以用卷积层替换FC层，只是换了一种信息的分布式表示。如果我们直接把Heatmap上采样，就得到FCN-32s。如下图

figure5

但是我们知道，随着一次次的池化，虽然感受野不断增大，语义信息不断增强。但是池化造成了像素位置信息的丢失：直观举例，1/32大小的Heatmap上采样到原图之后，在Heatmap上如果偏移一个像素，在原图就偏移32个像素，这是不能容忍的。

见figure6,前面的层虽然语义信息较少，但是位置信息较多，作者就把1/8 1/16 1/32的三个层的输出融合起来了。先把1/32的输出上采样到1/16,和Pool4的输出做elementwose addition , 结果再上采样到1/8,和Pool3的输出各个元素相加。得到1/8的结果，上采样8倍，求Loss。

figure6

2.2 U-net

论文详解

figure7

U-net用于解决小样本的简单问题分割，比如医疗影片的分割。它遵循的基本原理与FCN一样：

1.Encoder-Decoder结构：前半部分为多层卷积池化，不断扩大感受野，用于提取特征。后半部分上采样回复图片尺寸。

2.更丰富的信息融合：如灰色剪头，更多的前后层之间的信息融合。这里是把前面层的输出和后面层concat(串联)到一起，区别于FCN的逐元素加和。不同Feature map串联到一起后，后面接卷积层，可以让卷积核在channel上自己做出选择。注意的是，在串联之前，需要把前层的feature map crop到和后层一样的大小。

2.3 SegNet

论文详解

figure 8

在结构上看，SegNet和U-net其实大同小异，都是编码-解码结果。区别在意，SegNet没有直接融合不同尺度的层的信息，为了解决为止信息丢失的问题，SegNet使用了带有坐标（index）的池化。如下图所示，在Max pooling时，选择最大像素的同时，记录下该像素在Feature map的位置（左图）。在反池化的时候，根据记录的坐标，把最大值复原到原来对应的位置，其他的位置补零（右图）。后面的卷积可以把0的元素给填上。这样一来，就解决了由于多次池化造成的位置信息的丢失。

同时采用了大量的激活层，实验得出激活层越多效果越好

2.4 Deeplab V1

figure10

这篇论文不同于之前的思路，他的特色有两点：

1.由于Pooling-Upsample会丢失位置信息而且多层上下采样开销较大，把控制感受野大小的方法化成：带孔卷积（Atrous conv）

2.加入CRF(条件随机场)，利用像素之间的关连信息：相邻的像素，或者颜色相近的像素有更大的可能属于同一个class。

2.4.1 Atrous Conv

如右下图片所示，一个扩张率为2的带孔卷积接在一个扩张率为1的正常卷积后面，可以达到大小为7的感受野，但是输出的大小并没有减小，参数量也没有增大。

figure 11

2.4.2 条件随机场CRF

2.5 PSPnet

figure12

原理都大同小异，前面的不同level的信息融合都是融合浅层和后层的Feature Map,因为后层的感受野大，语义特征强，浅层的感受野小，局部特征明显且位置信息丰富。

PSPnet则使用了空间金字塔池化，得到一组感受野大小不同的feature map,将这些感受野不同的map concat到一起，完成多层次的语义特征融合。

2.6 Deeplab V2

figure 13

Deeplab v2在v1的基础上做出了改进，引入了ASPP(Atrous Spatial Pyramid Pooling)的结构，如上图所示。我们注意到，Deeplab v1使用带孔卷积扩大感受野之后，没有融合不同层之间的信息。

ASPP层就是为了融合不同级别的语义信息：选择不同扩张率的带孔卷积去处理Feature Map，由于感受野不同，得到的信息的Level也就不同，ASPP层把这些不同层级的feature map concat到一起，进行信息融合。

方法

i.稠密特征提取的空洞卷积和感受野的扩充

问题：传统DCNN但对于连续的最大池化和降采样导致最后的特征图分辨率严重下降，一般使用FCN，但会带来增加内存和计算时间的问题
解决方法：提出Atrous convolution
Atrous Convolution解释：

来源于信号处理，对于输入信号，使用长度为K的滤波器加入r采样率进行采样：
对于CNN中如果进行降采样后会出现特征图分辨率降低，而如果改用Atrous，可有效增加特征图分辨率。在最后的特征聚合层，用Atrous代替全连接层。
起初尝试在所有池化层均加入Atrous，增加效果，但计算量太大；改为factor 4和8，保证计算量和准确度。
方法：a.插入空值，保证计算参数不变；b.提取不同尺度的像素信息，插入对应空值，提高感受野的同时能捕捉不同尺度信息。
问题：（rate如何计算？为何Atrous有效？具体如何实现？）

ii.多尺度空间金字塔池化

ASPP从何而来？为何有效？
借鉴SPP网络，多尺度重采样可有效增强特征图效果。

2.7 Deeplab v3

论文详解

Deeplab v3在原有基础上的改动是：

1.改进了ASPP模块

2.引入Resnet Block

3.丢弃CRF

figure14

本文重新讨论了空洞卷积的使用，这让我们在级联模块和空间金字塔池化的框架下，能够获取更大的感受野从而获取多尺度信息。
改进了ASPP模块：由不同采样率的空洞卷积和BN层组成，我们尝试以级联或并行的方式布局模块。
讨论了一个重要问题：使用大采样率的的空洞卷积，因为图像边界响应无法捕捉远距离信息，会退化为1×1的卷积, 我们建议将图像级特征融合到ASPP模块中。
阐述了训练细节并分享了训练经验，论文提出的”DeepLabv3”改进了以前的工作，获得了很好的结果

新的ASPP模块：

1.加入了Batch Norm

2.加入特征的全局平均池化（在扩张率很大的情况下，有效权重会变小）。如图14中的（b）Image Pooling就是全局平均池化，它的加入是对全局特征的强调、加强。

在旧的ASPP模块中：我们以为在扩张率足够大的时候，感受野足够大，所以获得的特征倾向于全局特征。但实际上，扩张率过大的情况下，Atrous conv出现了“权值退化”的问题，感受野过大，都已近扩展到了图像外面，大多数的权重都和图像外围的zero padding进行了点乘，这样并没有获取图像中的信息。有效的权值个数很少，往往就是1。于是我们加了全局平均池化，强行利用全局信息。

2.8 Deeplab v3+

可以看成是把Deeplab v3作为编码器（上半部分）。后面再进行解码，并且在解码的过程中在此运用了不同层级特征的融合。

此外，在encoder部分加入了Xception的结构减少了参数量，提高运行速递。关于Xception如何减少参数量，提高速度。建议阅读论文 : Mobilenet

https://arxiv.org/pdf/1704.04861.pdfarxiv.org

2.9 套路总结

看完这么多论文，会发现他们的方法都差不多，总结为一下几点。在自己设计语义分割模型的时候，遵循一下规则，都是可以涨点的。但是要结合自己的项目要求，选择合适的方法。

1.全卷积网络，滑窗的形式

2.感受野的控制： Pooling+Upsample => Atrous convolution

3.不同Level的特征融合：统一尺寸之后Add / Concat+Conv, SPP, ASPP…

4.考虑相邻像素之间的关系：CRF

6.在条件允许的情况下，图像越大越好。

5.分割某一个特定的类别，可以考虑使用先验知识+ 对结果进行图像形态学处理

6.此外还有一些其他的研究思路：实时语义分割，视频语义分割