PSP-Net的理解（多尺度特征融合分割）

Pyramid Scene Parsing Network

收录：CVPR 2017 (IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition)

原文地址： PSPNet

代码:

    pspnet-github
    Keras
    tensorflow

效果图：

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Abstract

本文提出的金字塔池化模块( pyramid pooling module)能够聚合不同区域的上下文信息,从而提高获取全局信息的能力。实验表明这样的先验表示(即指代PSP这个结构)是有效的，在多个数据集上展现了优良的效果。
Introduction

场景解析(Scene Parsing)的难度与场景的标签密切相关。先大多数先进的场景解析框架大多数基于FCN，但FCN存在的几个问题：

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    Mismatched Relationship：上下文关系匹配对理解复杂场景很重要，例如在上图第一行，在水面上的大很可能是“boat”，而不是“car”。虽然“boat和“car”很像。FCN缺乏依据上下文推断的能力。
    Confusion Categories： 许多标签之间存在关联，可以通过标签之间的关系弥补。上图第二行，把摩天大厦的一部分识别为建筑物，这应该只是其中一个，而不是二者。这可以通过类别之间的关系弥补。
    Inconspicuous Classes：模型可能会忽略小的东西，而大的东西可能会超过FCN接收范围，从而导致不连续的预测。如上图第三行，枕头与被子材质一致，被识别成到一起了。为了提高不显眼东西的分割效果，应该注重小面积物体。

总结这些情况，许多问题出在FCN不能有效的处理场景之间的关系和全局信息。本论文提出了能够获取全局场景的深度网络PSPNet，能够融合合适的全局特征，将局部和全局信息融合到一起。并提出了一个适度监督损失的优化策略，在多个数据集上表现优异。

本文的主要贡献如下：

    提出了一个金字塔场景解析网络，能够将难解析的场景信息特征嵌入基于FCN预测框架中
    在基于深度监督损失ResNet上制定有效的优化策略
    构建了一个实用的系统，用于场景解析和语义分割，并包含了实施细节

Related Work

受到深度神经网络的驱动，场景解析和语义分割获得了极大的进展。例如FCN、ENet等工作。许多深度卷积神经网络为了扩大高层feature的感受野，常用dilated convolution(空洞卷积)、coarse-to-fine structure等方法。本文基于先前的工作，选择的baseline是带dilated network的FCN。

大多数语义分割模型的工作基于两个方面：

    一方面：具有多尺度的特征融合，高层特征具有强的语义信息，底层特征包含更多的细节。
    另一方面：基于结构预测。例如使用CRF(条件随机场)做后端细化分割结果。

为了充分的利用全局特征层次先验知识来进行不同场景理解，本文提出的PSP模块能够聚合不同区域的上下文从而达到获取全局上下文的目的。
Architecture
Pyramid Pooling Module

前面也说到了，本文的一大贡献就是PSP模块。

在一般CNN中感受野可以粗略的认为是使用上下文信息的大小，论文指出在许多网络中没有充分的获取全局信息，所以效果不好。要解决这一问题，常用的方法是：

    用全局平均池化处理。但这在某些数据集上，可能会失去空间关系并导致模糊。
    由金字塔池化产生不同层次的特征最后被平滑的连接成一个FC层做分类。这样可以去除CNN固定大小的图像分类约束，减少不同区域之间的信息损失。

论文提出了一个具有层次全局优先级，包含不同子区域之间的不同尺度的信息，称之为pyramid pooling module。

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该模块融合了4种不同金字塔尺度的特征，第一行红色是最粗糙的特征–全局池化生成单个bin输出，后面三行是不同尺度的池化特征。为了保证全局特征的权重，如果金字塔共有N个级别，则在每个级别后使用的卷积将对于级别通道降为原本的1/N。再通过双线性插值获得未池化前的大小，最终concat到一起。

金字塔等级的池化核大小是可以设定的，这与送到金字塔的输入有关。论文中使用的4个等级，核大小分别为。
整体架构

在PSP模块的基础上，PSPNet的整体架构如下：

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    基础层经过预训练的模型(ResNet101)和空洞卷积策略提取feature map,提取后的feature map是输入的1/8大小
    feature map经过Pyramid Pooling Module得到融合的带有整体信息的feature，在上采样与池化前的feature map相concat
    最后过一个卷积层得到最终输出

PSPNet本身提供了一个全局上下文的先验(即指代Pyramid Pooling Module这个结构)，后面的实验会验证这一结构的有效性。
基于ResNet的深度监督网络

论文用了一个很“玄学”的方法搞了一个基础网络层，如下图：

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在ResNet101的基础上做了改进，除了使用后面的softmax分类做loss，额外的在第四阶段添加了一个辅助的loss，两个loss一起传播，使用不同的权重，共同优化参数。后续的实验证明这样做有利于快速收敛。
Experiment

论文在ImageNet scene parsing challenge 2016, PASCAL VOC 2012,Cityscapes 三个数据集上做了实验。

训练细节：
项目     设置
学习率     采用“poly”策略，即，衰减动量设置为0.9 and 0.0001
迭代次数     ImageNet上设置150K,PASCAL VOC设置30K，Cityscapes设置90K
数据增强     随机翻转、尺寸在0.5到2之间缩放、角度在-10到10之间旋转、随机的高斯滤波
batchsize     batch很重要，设置batch=16(这很吃显存啊~)
训练分支网络     设置辅助loss的权重为0.4
平台     Caffe
ImageNet scene parsing challenge 2016

    测试不同配置下的ResNet的性能,找到比较好的预训练模型：
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    ResNet50-Baseline: 基于FCN的ResNet50结构，带空洞卷积的baseline
    ResNet50+B1+MAX：只带的平均池化，池化后做通道降维

可以看到做平均池化的都比最大池化效果要好，最后将多个操作结合得到最终最好的效果。

测试辅助loss的影响：
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实验都是以ResNet50-Baseline为基准，最后以为最佳。

测试预训练模型的深度：
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可以看到在测试的{50,101,152,269}这四个层次的网络中，网络越深，效果越好。

多种技巧融合
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带有DA即数据增强，AL即带辅助loss，PSP带金字塔池化模块，MS多尺度。

在IamgeNet上的表现：
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PASCAL VOC 2012

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可以看到在MS-COCO上预训练过的效果最好。
Cityscapes

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在Cityscapes上表现也是很不错的。
Conclusion

论文在结构上提供了一个pyramid pooling module，在不同层次上融合feature,达到语义和细节的融合。 模型的性能表现很大，但感觉主要归功于一个良好的特征提取层。在实验部分讲了很多训练细节，但还是很难复现，这里值得好好推敲一下。
https://blog.csdn.net/u011974639/article/details/78985130