圖像語義分割入門：FCN/U-Net網(wǎng)絡(luò)解析

圖像語義分割(Semantic Segmentation)是圖像處理和是機器視覺技術(shù)中關(guān)于圖像理解的重要一環(huán)，也是 AI 領(lǐng)域中一個重要的分支。語義分割即是對圖像中每一個像素點進行分類，確定每個點的類別（如屬于背景、人或車等），從而進行區(qū)域劃分。目前，語義分割已經(jīng)被廣泛應用于自動駕駛、無人機落點判定等場景中。

圖1 自動駕駛中的圖像語義分割

而截止目前，CNN已經(jīng)在圖像分類分方面取得了巨大的成就，涌現(xiàn)出如VGG和Resnet等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在ImageNet中取得了好成績。CNN的強大之處在于它的多層結(jié)構(gòu)能自動學習特征，并且可以學習到多個層次的特征：

1. 1.較淺的卷積層感知域較小，學習到一些局部區(qū)域的特征；

2. 2.較深的卷積層具有較大的感知域，能夠?qū)W習到更加抽象一些的特征。

這些抽象特征對物體的大小、位置和方向等敏感性更低，從而有助于分類性能的提高。這些抽象的特征對分類很有幫助，可以很好地判斷出一幅圖像中包含什么類別的物體。圖像分類是圖像級別的！

圖2 圖像分類

與分類不同的是，語義分割需要判斷圖像每個像素點的類別，進行精確分割。圖像語義分割是像素級別的！但是由于CNN在進行convolution和pooling過程中丟失了圖像細節(jié)，即feature map size逐漸變小，所以不能很好地指出物體的具體輪廓、指出每個像素具體屬于哪個物體，無法做到精確的分割。

針對這個問題，Jonathan Long等人提出了Fully Convolutional Networks（FCN）用于圖像語義分割。自從提出后，F(xiàn)CN已經(jīng)成為語義分割的基本框架，后續(xù)算法其實都是在這個框架中改進而來。

FCN論文地址：FCN paper

https://arxiv.org/abs/1411.4038

FCN原作代碼：FCN github

https://github.com/shelhamer/fcn.berkeleyvision.org

1 FCN改變了什么？

對于一般的分類CNN網(wǎng)絡(luò)，如VGG和Resnet，都會在網(wǎng)絡(luò)的最后加入一些全連接層，經(jīng)過softmax后就可以獲得類別概率信息。但是這個概率信息是1維的，即只能標識整個圖片的類別，不能標識每個像素點的類別，所以這種全連接方法不適用于圖像分割。

圖3 全連接層

而FCN提出可以把后面幾個全連接都換成卷積，這樣就可以獲得一張2維的feature map，后接softmax獲得每個像素點的分類信息，從而解決了分割問題，如圖4。

圖4

2 FCN結(jié)構(gòu)

整個FCN網(wǎng)絡(luò)基本原理如圖5（只是原理示意圖）：

1. 1.image經(jīng)過多個conv和+一個max pooling變?yōu)閜ool1 feature，寬高變?yōu)?/2

2. 2.pool1 feature再經(jīng)過多個conv+一個max pooling變?yōu)閜ool2 feature，寬高變?yōu)?/4

3. 3.pool2 feature再經(jīng)過多個conv+一個max pooling變?yōu)閜ool3 feature，寬高變?yōu)?/8

4. 4.?......

5. 5.直到pool5 feature，寬高變?yōu)?/32。

圖5 FCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

那么：

1. 1. 對于FCN-32s，直接對pool5 feature進行32倍上采樣獲得32x upsampled feature，再對32x upsampled feature每個點做softmax prediction獲得32x upsampled feature prediction（即分割圖）。

2. 2. 對于FCN-16s，首先對pool5 feature進行2倍上采樣獲得2x upsampled feature，再把pool4 feature和2x upsampled feature逐點相加，然后對相加的feature進行16倍上采樣，并softmax prediction，獲得16x upsampled feature prediction。

3. 3. 對于FCN-8s，首先進行pool4+2x upsampled feature逐點相加，然后又進行pool3+2x upsampled逐點相加，即進行更多次特征融合。具體過程與16s類似，不再贅述。

作者在原文種給出3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)果對比，明顯可以看出效果：FCN-32s < FCN-16s < FCN-8s，即使用多層feature融合有利于提高分割準確性。

圖6

3 什么是上采樣？

說了半天，到底什么是上采樣？

實際上，上采樣（upsampling）一般包括2種方式：

1. 1. Resize，如雙線性插值直接縮放，類似于圖像縮放（這種方法在原文中提到）

2. 2. Deconvolution，也叫Transposed Convolution

什么是Resize就不多說了，這里解釋一下Deconvolution。

對于一般卷積，輸入藍色4x4矩陣，卷積核大小3x3。當設(shè)置卷積參數(shù)pad=0，stride=1時，卷積輸出綠色2x2矩陣，如圖6。

圖6 Convolution forward示意圖

而對于反卷積，相當于把普通卷積反過來，輸入藍色2x2矩陣，卷積核大小還是3x3。當設(shè)置反卷積參數(shù)pad=0，stride=1時輸出綠色4x4矩陣，如圖7，這相當于完全將圖4倒過來（其他更多卷積示意圖點這里）。

https://github.com/vdumoulin/conv_arithmetic

圖7 Deconvolution forward示意圖

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是subsampling的，對應的輸出尺寸會降低；upsampling的意義在于將小尺寸的高維度feature map恢復回去，以便做pixelwise prediction，獲得每個點的分類信息。

圖8 Subsampling vs Upsampling

上采樣在FCN網(wǎng)絡(luò)中的作用如圖8，明顯可以看到經(jīng)過上采樣后恢復了較大的pixelwise feature map（其中最后一個層21-dim是因為PACSAL數(shù)據(jù)集有20個類別+Background）。這其實相當于一個Encode-Decode的過程。

具體的FCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以在fcn caffe prototext （https://github.com/shelhamer/fcn.berkeleyvision.org/blob/master/pascalcontext-fcn8s/train.prototxt ）中查到，建議使用Netscope查看網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這里解釋里面的難點：

• 為了解決圖像過小后 1/32 下采樣后輸出feature map太小情況，F(xiàn)CN原作者在第一個卷積層conv1_1加入pad=100。

layer {
  name: "conv1_1"
  type: "Convolution"
  bottom: "data"
  top: "conv1_1"
  param {
    lr_mult: 1
    decay_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
    decay_mult: 0
  }
  convolution_param {
    num_output: 64
    pad: 100             # pad=100
    kernel_size: 3
    stride: 1
  }
}

考慮如果不在conv1_1加入pad=100，會發(fā)生什么？

假設(shè)輸入圖像高度為h。由于VGG中縮小輸出feature map只在pooling層，經(jīng)過每個pooling后輸出高度變?yōu)椋?/p>

很明顯，feature map的尺寸縮小了32倍，接下來是fc6卷積層:

layer {
  name: "fc6"
  type: "Convolution"
  bottom: "pool5"
  top: "fc6"
  param {
    lr_mult: 1
    decay_mult: 1
  }
  param {
    lr_mult: 2
    decay_mult: 0
  }
  convolution_param {
    num_output: 4096
    pad: 0
    kernel_size: 7
    stride: 1
  }
}

如果不在conv1_1加入pad=100，那么對于小于192x192的輸入圖像，在反卷積恢復尺寸前已經(jīng)feature map size = 0！所以在conv1_1添加pad=100的方法，解決輸入圖像大小的問題（但是實際也引入很大的噪聲）。

• ●由于FCN在conv1_1加入pad=100，同時fc6卷積層也會改變feature map尺寸，那么真實的網(wǎng)絡(luò)就不可能像原理圖3那樣“完美1/2”。

那么在特征融合的時候，如何保證逐點相加的feature map是一樣大的呢？這就要引入crop層了。以fcn-8s score_pool4c為例：

layer {
  name: "score_pool4c"
  type: "Crop"
  bottom: "score_pool4"  # 需要裁切的blob
  bottom: "upscore2"     # 用于指示裁切尺寸的blob，和輸出blob一樣大
  top: "score_pool4c"    # 輸出blob
  crop_param {
    axis: 2
    offset: 5
  }
}

在caffe中，存儲數(shù)據(jù)的方式為?blob = [num, channel, height, width]，與pytorch一樣

1. 1. 而score_pool4c設(shè)置了axis=2，相當于從第2維(index start from 0!)往后開始裁剪，即裁剪height和width兩個維度，同時不改變num和channel緯度

2. 2. 同時設(shè)置crop在height和width緯度的開始點為offset=5

不妨定義：

crop_w = upscore2 blob width
crop_h = upscore2 blob height

用Python語法表示，相當于score_pool4c層的輸出為：

score_pool4c = score_pool4[:, :, 5:5+crop_h, 5:5+crop_w]

剛好相當于從score_pool4中切出upscore2大小！這樣就可以進行逐點相加的特征融合了。

4 U-Net

U-Net原作者官網(wǎng)

https://link.zhihu.com/?target=https%3A//lmb.informatik.uni-freiburg.de/Publications/2015/RFB15a/

U-Net是原作者參加ISBI Challenge提出的一種分割網(wǎng)絡(luò)，能夠適應很小的訓練集（大約30張圖）。U-Net與FCN都是很小的分割網(wǎng)絡(luò)，既沒有使用空洞卷積，也沒有后接CRF，結(jié)構(gòu)簡單。

圖9 U-Net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

整個U-Net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9，類似于一個大大的U字母：首先進行Conv+Pooling下采樣；然后Deconv反卷積進行上采樣，crop之前的低層feature map，進行融合；然后再次上采樣。重復這個過程，直到獲得輸出388x388x2的feature map，最后經(jīng)過softmax獲得output segment map。總體來說與FCN思路非常類似。

為何要提起U-Net？是因為U-Net采用了與FCN完全不同的特征融合方式：拼接！

圖10 U-Net concat特征融合方式

與FCN逐點相加不同，U-Net采用將特征在channel維度拼接在一起，形成更“厚”的特征。所以：

語義分割網(wǎng)絡(luò)在特征融合時也有2種辦法：

1. FCN式的逐點相加，對應caffe的EltwiseLayer層，對應tensorflow的tf.add()

2. U-Net式的channel維度拼接融合，對應caffe的ConcatLayer層，對應tensorflow的tf.concat()

記得劃重點哦。

相比其他大型網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)CN/U-Net還是蠻簡單的，就不多廢話了。

總結(jié)一下，CNN圖像語義分割也就基本上是這個套路：

1. 下采樣+上采樣：Convlution + Deconvlution／Resize

2. 多尺度特征融合：特征逐點相加／特征channel維度拼接

3. 獲得像素級別的segement map：對每一個像素點進行判斷類別

看，即使是更復雜的DeepLab v3+依然也是這個基本套路（至于DeepLab以后再說）。

圖13 DeepLab v3+

所以作為一篇入門文章，讀完后如果可以理解這3個方面，也就可以了；當然CNN圖像語義分割也算入門了。

參考鏈接?https://zhuanlan.zhihu.com/p/22976342

來源：機器學習AI算法工程