深度学习CNN图像分割小结

• FCN(Fully Convolutional Networks),
  U-Net(Biomedical Image Segmentation),
  Mask RCNN(Instan Segmentation by FCN Mask Layer)
  分析总结

1. 相关工作
    我们知道，CNN有很出色的特征提取能力，避免了人工提取特征的局限性，这也意味着CNN有很好的分类性能，它解决了图像识别的一大难题。那这么强大的CNN它的功能只局限于此吗？当然不，事实上，CNN现在被研究者扩展到更多的任务中了，比如目标检测RCNN、YOLO等，图像分割FCN、U-Net等，更甚有集结目标检测识别和实例分割任务于一体的Mask RCNN网络架构。当然，每天都有研究者不断在研究和开发CNN的新功能。
    在2012年，Ciresan用CNN来挑战语义分割任务。Ciresan采取滑窗的方式，取以每个像素点为中心的小图像块（patch）输入CNN来预测该像素点的语义标签。这是个很有意义的尝试，打破CNN只用于目标分类的先河，作者也取得了当年state-of-art的成就。不过，这个方法的缺点也很明显，需要遍历每个像素点提取patch进行训练、预测，速度慢、很耗时；取多大的patch才合适，太小了缺少上下文信息，太大了会增加很多计算量；无疑很多patches之间存在着大量冗余计算。
    到了2015年(实际2014年就发到arXiv上了)，伯克利大学的Jonathan Long等人提出了FCN（Fully Convolutional Networks）网络架构，也就是将传统的CNN中的全连接层也替换成了卷积层，实现端到端的语义分割目标。一来，用卷积操作替换掉传统的全连接操作，可以使得网络模型在一次前向计算中得出多个输入区域的得分（相比滑窗方式遍历计算输入区域得分自然要高效很多）；二来，全卷积网络避免了全连接层中输入图像尺寸必须固定的弊端，也就是可以处理任意尺寸的输入；最后，在替换掉全连接的全卷积层之后，采用反卷积的方式对输出的heat map进行上采样，使得输出的预测图和输入图的尺寸一致，这样反向传播时直接计算对应像素间的分类损失即可。
    还是2015年， 德国弗莱堡大学的Olaf Ronneberger等人提出了基于CNN的U-Net模型，并在ISBI 挑战赛的电子显微镜神经元结构分割任务中取得很好的成绩。作者也做了一些相关的实验，发现这个精致的、不算大的网络模型对生物图像边缘分割任务具有不错的性能，尤其是不需要很多的训练数据，实际上作者的训练集原本只有30张图像，经过扭曲形变进行图像增强之后也才将训练集扩展了数倍。其实作者也是借鉴了FCN模型，U-Net和FCN的网络架构有些类似，同样是在第5阶段的卷积层之后开始反卷积上采样，将高层特征与低层特征进行融合，最终输出的预测图直接和输入图计算像素语义分类的损失。但是U-Net很明显是一个对称的模型，前左半部分作者称之为收缩路径（contracting path），也就是一个完全下采样的过程，后右半部分称之为扩展路径（expanding path），主要是反卷积上采样以扩大feature map的过程，最后将各对称路径之间的feature map进行融合。此外，在U-Net中，作者完全取消了FCN中的“全连接”操作，还额外将前两个阶段的卷积结果与输出的maps进行融合，得到最终预测结果。
    2017年，Facebook人工智能研究院(FAIR)的何凯明等人提出了Mask RCNN模型，这算是RCNN系列的终极版本了（当然，这不算是RCNN结束了，作者在Mask RCNN中提出了很多可以改进的地方）。总的来说，相比Faster RCNN，Mask RCNN的改进之处就是将ROI Pooling操作换成了ROI Align，还有就是加入Mask Layer用以对前面检测到的ROI进行实例分割。
    在ROI Pooling中，由于预选框的坐标通常是由模型回归得到的，一般是浮点数，所以它映射到feature map上提取ROI区域时也通常会是浮点数，作者在这里进行了量化取整操作；另外，将ROI划分成固定大小的k*k个小单元格时，通常也不一定得完整划分（整除），作者在这里又进行了简化操作，即再次量化取整。而这两次量化过程则会造成区域的不匹配(misalignment)问题，会对结果造成影响。所以何凯明等人将ROI Pooling改进成ROI Align操作，也就是取消掉两次量化过程，采用双线性插值的方法对坐标为浮点数的位置进行赋值。当然，ROI Align的目的和ROI Pooling是一样的，都是为了将ROI内的特征映射到固定的大小。实验表明，ROI Align的效果要比简单的ROI Pooling好，虽然Misalignment在分类问题上影响并不大，但在 Pixel 级别的 Mask 上会存在较大误差。
    而Mask RCNN的另一个出色的地方就是在每个ROI上加入了用FCN实现的Mask Layer分支，这个分支最终输出的是相应ROI区域的$K{m}^2$个masks，$K$表示类别数，$m$表示尺寸大小。也就是每个ROI输出K个$m\ast m$大小的预测masks，当然，在计算损失$L_{mask}$时，只需计算当前ROI所对应类别（这个是由分类分支得知的）的mask与gt之间的二值交叉熵损失即可，其他输出的masks不予考虑。每个ROI都是单独地用sigmoid来做二值分类的（而FCN、U-Net之类的，则是对全图像进行softmax分类，也就是预测像素的多个可能的类别，这训练起来麻烦多了），所以避免了类间分类的竞争，有利于训练过程。

2. 网络架构对比分析
    FCN的特征提取骨干网络分别采用了ZF.和VGGNet，两者结构相差不多，都是5层卷积层来提取特征。作者改动的是在feature map之后用卷积层替换掉全连接层，这样使得CNN可以接受任意尺寸的输入。然后再全连接操作之后对heat map进行转置卷积上采样，使得输出分割图的大小和输入一致。这样的网络架构使得像素级别的分割十分高效。
   
    实际上，只是以卷积的形式来实现全连接，并不是不存在全连接层了。这样做的好处是，不需要在全连接层之前将feature map映射到固定大小的特征向量，也就是可以处理任意尺寸的输入。此外，在某些情况下，这样的全卷积网络更加高效（比如，要预测一张输入图像上多个区域的分类时，这时候一次前向传播即可）。经过全连接层之后，会得到$h\times w\times k(kmeanskclasses)$的heat map，然后对进行反卷积，将它上采样到输入图像的尺寸，每个像素的分类得分是根据该像素的softmax最高得分类作为预测结果，最后计算ground truth和分割map之间的损失以反向传播优化网络模型。
   
    FCN中，经过前5层卷积网络之后，图像其实缩小了32倍，作者的第一种方案是直接对第5层池化结果进行32倍的上采样。但是仅仅这么做并不能取得好的分割结果，因为我们知道，CNN越高层的特征越抽象，其语义信息更丰富，而低层特征则包含更多的局部信息（比如边缘、位置等），如果只采用最后一个卷积层池化得到的特征来分割，目标的边缘细节会比较模糊（见下图x）。而FCN的另一个亮点是采用了跳跃连接来融合低、高层特征以提高分割性能。作者还尝试了将输出的heat map进行4倍和2倍上采样，并分别与第3层和第4层的池化结果进行融合，最终再分别以8倍和16倍将heat map上采样，得到最终分割map。实验结果证明，融合了前两层特征的FCN（也就是FCN-8s）效果更佳。
   
    U-Net模型是基于FCN进行修改与扩展而来的，可以看到U-Net是左右对称的网络架构，左半部分称为收缩路径，右半部分称之为扩展路径。作者改动FCN的动机是想要网络在更小的数据集上训练并得到更好的分割结果。FCN的主要思想是对常规的收缩网络（卷积池化提取图像特征的过程可以视为一个不断收缩的过程）进行补充，补充的方法是使用反卷积上采样，可这还不够，还需要与低层特征融合。作者对FCN的改动主要有两个，一是对上采样过程的改进，使用$(2\times 2)up-conv$对feature map进行上采样，并且使用大量的feature channels，使得网络可以将大量的低分辨率层信息上传到高分辨率层，这样一来，扩展层与收缩层基本对称。在将低分辨率层的特征传入高分辨率层时，由于作者采用的是无填充的卷积，所以图像的边界信息是会受损的，因而需要将低分辨率层的feature map进行裁剪之后再复制到高分辨率层进行融合。改动二是取消掉了全连接操作，即直接在第5个卷积层的输出上进行$(2\times 2)up-conv$上采样，FCN在这里是先进行全连接操作。这样做的好处是，一方面取消掉全连接层，意味着网络的参数量会大大地减少（全连接层产生的参数量远比多个卷积层的参数量还大），另一方面是便于采用结构对称的$(3\times 3)conv$来融合低、高层特征。最终，就形成了如下图的U状的CNN结构。在网络的输出端，作者采用$(1\times 1)conv$来将获得最终的2类分割map，即在这个任务中，是要对图像进行二值边缘分割的。
   
    Mask RCNN是经过Faster RCNN改进过来的，主要有两个改动，一是将ROI Pooling改成ROI Align，另一个是在ROI Align之后，添加一个FCN分支，用以对ROI进行分割。值得注意的是，这样的机制很容易实现实例分割。
    首先，由于ROI Pooling过程中存在两次量化操作，一是有模型回归得到的预选框位置一般是浮点数，预选框映射到ROI中时，量化为整数坐标；还有就是ROI Pooling的输出需要固定尺寸，也就是需要将ROI平均划分成$k\times k$个小单元，而这ROI往往也不能恰好被k整除，ROI Pooling在这里又进行了一次量化。这两次量化会造成区域的不匹配，对于分类任务而言，影响不大，但对于像素级的语义分割却关系紧乎。ROI Align中，取消掉这两次量化的过程，将预选框映射为ROI时采用双线性插值的方法来给坐标在浮点数上的位置赋值，将ROI划分成$k\times k$小单元格时，在每一个小单元格中取四个固定点，用双线性插值法给这些固定点赋值，最后取这四个固定点中的max值作为该单元格的输出值。
    其次，对于每一个ROI，级联的FCN分支会输出$K{m}^2$个masks，$K,m$分别表示类别数和mask的size。也就是说每个ROI的可能类别有K种，所以前向传播的时候，需要计算K个类别的mask。每一个ROI经过另外两个分支之后，会输出它的分类得分和边框微调坐标，也就是说每个ROI的类别已经被预测出来了，所以在对该ROI进行分割的时候不需要关注它的类别了，只需要将ROI中的背景和目标分割出来。因此，在计算像素预测时直接采用sigmoid来获得二分类概率，而FCN中则是每个像素对应多个类别的标签，所以它采用的是softmax函数来获得多分类概率。那这样每个ROI输出K个masks的话，怎么计算损失呢？前面知道，每个ROI的类别可以由分类网络分支得到，也就是说ROI是哪一类就采用那一类对应的mask来和该instance ground truth计算损失，其他masks则不管，然后反向传播优化权重的时候只更新该部分连接的权重。这样的方式，使得网络只需关注背景与目标的分割，而不需关注多类别的分割，避免了类间分类的竞争，对于网络的训练十分有帮助。
   
   
   实际上并不是直接对ROI特征上采样，而是经过多层卷积之后才反卷积的

3. 实验对比分析
    在FCN中，作者采用的训练数据集除了PASCAL VOC 2011的分割训练数据集（含有1112张带标注的训练图像）外，还收集到了额外的8498张带标签PASCAL训练图像。PASCAL VOC数据集是自然场景下的图像集，可用于分类、检测和分割的目标任务。而它的语义分割数据集如下，目的是将图像中的各类别目标从背景中分割出来，图像中的每一个像素都对应着一个类别标签。
    在这个数据集的基础上，进一步做数据增强处理，得到最终训练集。作者采用的深度学习框架是Caffe，训练和测试均是在单个NVIDIA Tesla K40c上进行的。模型的初始化策略是，采用VGGnet模型来初始化“全连接层”之前的骨干网络，后面的分类得分层初始化为0，然后对网络进行微调（fine-tune）。在训练时，作者并没有采取patch-wise训练方式，而是将所有训练集图像缩放到固定大小(如224*224)，然后整张图像输入网络训练。经过“全连接”层之后，开始对heat map进行反卷积，并与前3层pooling结果进行融合，最终输出预测的mask。值得注意的是，尽管只是fine-tune，但依然花费好几天的时间来训练才收敛。
   
   依次是，FCN-8s，SDS，Ground Truth和原始图像
   
   
   3种跳跃连接的结果对比
   
   
   性能测试对比
    U-Net在生物医学图像分割、识别方面有较好的表现。作者则是用U-Net对电子显微镜下的细胞膜神经元结构和细胞边缘等进行边缘分割。训练集的原始图像集只有30张，作者设计U-Net模型也是出于考虑到医学领域的图像数据集的特殊性、标注良好的训练数据稀缺等因素，所以U-Net是一个结构比较紧致的模型，实际上它在很多生物医学图像分割任务中效果不错。
   
   
   依次是，U-Net Prediction，Ground Truth和原始图片
    在U-Net模型中，作者采用的全部是无填充的卷积，每一层卷积输出都会变小，最终输出的分割map也不会是和输入一样的大小。那么怎么和金标准计算损失呢？作者采用了overlap-tile技术，也就是要预测一个patch的标签，就要输入比它更大的图像patch，那么对于超出原始图像边界的patches，就用镜像法扩展图像。这样一来，就可以实现边界处和重叠部分tiles的无缝分割了。
   实际上，30张原始训练图像大小为512*512，数据集很少，但由于这个数据集对应的任务比较特殊，作者对这个数据采用形变增强处理，得到大量最终的训练数据集。而每一张训练图像，作者在其四个边界处进行了镜像处理，将训练图像扩展到572*572，而最终的输出分割map为2*388*388，这是和金标准大小一样的。
   
   作者采用overlap-tile策略来对任意大尺寸图像实现无缝分割
    作者基于Caffe深度学习框架，在一个NVidia Titan GPU (6 GB)上训练了10个小时，得到最终模型。U-Net模型分割一张512*512大小的图像平均用时不到1s。
   
   
   在数据集PhC-U373和DIC-HeLa上的分割结果(IOU)
    Microsoft COCO: Common Objects in Context 原文 | 翻译
    Mask RCNN是在MS COCO数据集上进行训练和测试的。该数据集有328k张图片，包含有250万个标注实例。其中，实例分割的训练集有118287张图像，验证集有5000张图像，测试集有40670张图像。作者是在Caffe框架下搭建模型，在8块Nvidia Tesla M40 GPU上训练Mask RCNN模型，训练时间在一到两天。在单个GPU上测试时，平均每帧大概需要200ms（也就是5fps）。
   
   Mask RCNN在COCO上的测试结果