实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)

实时语义分割网络 BiSeNet

  • BiSeNet
    • Contributions
    • BackGround
    • BiSeNet 结构
    • Loss function
    • Experimental Results
      • 采用数据集
      • 一些实验结果

BiSeNet

Contributions

  1. 提出了一种包含空间路径(SP)和上下文路径(CP)的双边分割网络(BiSeNet), 将空间信息保存和接受域提供的功能解耦成两条路径。
  2. 提出了特征融合模块(FFM)和注意细化模块(ARM),以在可接受的成本下进一步提高精度。
  3. 在cityscape、CamVid和COCO-Stuff的基准上取得了令人印象深刻的成绩。具体来说,在105fps的城市景观测试数据集上,我们得到了68.4%的结果

BackGround

实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第1张图片
作者对比了当前用于三种用于加速模型的实时语义分割算法:

  1. 图(a)左侧所示,通过裁剪图片降低尺寸和计算量,但是会丢失大量边界信息和可视化精度。
  2. 图(a)右侧所示,通过修建/减少卷积过程中的通道数目,提高推理速度。其中的红色方框部分,是作者提及的ENet建议放弃模型的最后阶段(downsample操作),模型的接受域不足以覆盖较大的对象导致的识别能力较差。
  3. 图形(b)所示为U型的编码,解码结构,通过融合骨干网的细节,u型结构提高了空间分辨率,填补了一些缺失的细节,但是作者认为在u型结构中,一些丢失的空间信息无法轻易回复,不是根本的解决方案。

BiSeNet 结构

实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第2张图片

Spatial Path

绿色部分表示空间路径,每一层包括一个stride = 2的卷积,接着是批处理归一化和ReLU激活函数,总共三层,故而提取的特征图尺寸是原始图像的1/8。

'''code'''
class SpatialPath(nn.Module):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super(SpatialPath, self).__init__()
        self.conv1 = ConvBNReLU(3, 64, ks=7, stride=2, padding=3)
        self.conv2 = ConvBNReLU(64, 64, ks=3, stride=2, padding=1)
        self.conv3 = ConvBNReLU(64, 64, ks=3, stride=2, padding=1)
        self.conv_out = ConvBNReLU(64, 128, ks=1, stride=1, padding=0)
        self.init_weight()

    def forward(self, x):
        feat = self.conv1(x)		# (N, 3, H, W)
        feat = self.conv2(feat)		# (N, 64, H/2, W/2)
        feat = self.conv3(feat)		# (N, 64, H/4, W/4)
        feat = self.conv_out(feat)	# (N, 128, H/8, W/8)
        return feat

Context Path

第二个虚线框部分是上下文路径,用于提取上下文信息,利用轻量级模型和全局平均池进行下采样。作者在轻量级模型的尾部添加一个全局平均池,提供具有全局上下文信息的最大接收字段, 并且使用U型结构来融合最后两个阶段的特征,这是一种不完整的U型结构。作者使用了Xception作为上下文路径的主干。

'''code'''
class ContextPath(nn.Module):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        super(ContextPath, self).__init__()
        self.resnet = Resnet18()
        self.arm16 = AttentionRefinementModule(256, 128)		# 先看下面的ARM的代码
        self.arm32 = AttentionRefinementModule(512, 128)
        self.conv_head32 = ConvBNReLU(128, 128, ks=3, stride=1, padding=1)
        self.conv_head16 = ConvBNReLU(128, 128, ks=3, stride=1, padding=1)
        self.conv_avg = ConvBNReLU(512, 128, ks=1, stride=1, padding=0)
        self.up32 = nn.Upsample(scale_factor=2.)				# 上采样 X2
        self.up16 = nn.Upsample(scale_factor=2.)

        self.init_weight()

    def forward(self, x):
        feat8, feat16, feat32 = self.resnet(x)		
        '''
        feat8 : (N, 128, H/8, W/8)
        feat16 : (N, 256, H/16, W/16)
        feat32 : (N, 512, H/32, W/32)
		'''
        
        avg = torch.mean(feat32, dim=(2, 3), keepdim=True)	# 全局平均池化
        avg = self.conv_avg(avg)							# (N, 128, 1, 1)

        feat32_arm = self.arm32(feat32)						# (N, 128, 1, 1)
        feat32_sum = feat32_arm + avg						# (N, 128, H/32, W/32)					
        feat32_up = self.up32(feat32_sum)					# (N, 128, H/16, W/16)
        feat32_up = self.conv_head32(feat32_up)

        feat16_arm = self.arm16(feat16)						# (N, 256, H/16, W/16)
        feat16_sum = feat16_arm + feat32_up					# (N, 256, H/16, W/16)
        feat16_up = self.up16(feat16_sum)					# (N, 256, H/8, W/8)
        feat16_up = self.conv_head16(feat16_up)

        return feat16_up, feat32_up # x8, x16

AttentionRefinementModule

看起来有点像通道注意力机制。
实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第3张图片

'''ARM Code'''
class AttentionRefinementModule(nn.Module):     # ARM 
    def __init__(self, in_chan, out_chan, *args, **kwargs):
        super(AttentionRefinementModule, self).__init__()
        self.conv = ConvBNReLU(in_chan, out_chan, ks=3, stride=1, padding=1)	# 一个拥有Conv,BN,RELU的block
        self.conv_atten = nn.Conv2d(out_chan, out_chan, kernel_size= 1, bias=False)
        self.bn_atten = BatchNorm2d(out_chan)
        self.sigmoid_atten = nn.Sigmoid()
        self.init_weight()

    def forward(self, x):		# 假设输入为(N, 3, 14, 14)
        feat = self.conv(x)		# (N, 64, 14, 14)
        atten = torch.mean(feat, dim=(2, 3), keepdim=True)	# (N, 64, 1, 1)
        
        atten = self.conv_atten(atten)		# (N, 64, 1, 1)
        atten = self.bn_atten(atten)		# (N, 64, 1, 1)
        atten = self.sigmoid_atten(atten)	# (N, 64, 1, 1)
        out = torch.mul(feat, atten)		# (N, 64, 14, 14)
        return out
 

FeatureFusionModule

FFM:作者认为空间路径可以编码丰富的空间信息和细节信息,而上下文路径提供大的接受场,主要对上下文信息进行编码,也就是说空间路径的输出是低水平而上下文路径的输出是高水平的,2条路径的特征在特征表示的层次上是不同的。因此提出了一个特征融合模块用于融合这些特征。作者仿照SENet(通道注意力机制对特征进行重新加权),即特征的选择和组合。
实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第4张图片

'''code'''
class FeatureFusionModule(nn.Module):
    def __init__(self, in_chan, out_chan, *args, **kwargs):
        super(FeatureFusionModule, self).__init__()
        self.convblk = ConvBNReLU(in_chan, out_chan, ks=1, stride=1, padding=0)
        self.conv1 = nn.Conv2d( out_chan,				
				                out_chan//4,
				                kernel_size = 1,
				                stride = 1,
				                padding = 0,
				                bias = False)
        self.conv2 = nn.Conv2d( out_chan//4,
				                out_chan,
				                kernel_size = 1,
				                stride = 1,
				                padding = 0,
				                bias = False)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.sigmoid = nn.Sigmoid()
        self.init_weight()

    def forward(self, fsp, fcp):
        fcat = torch.cat([fsp, fcp], dim=1)	# concat the feature from  Spatial Path and Context Path
        feat = self.convblk(fcat)							# (N, C, H, W)
        atten = torch.mean(feat, dim=(2, 3), keepdim=True)	# (N, C, 1, 1)
        atten = self.conv1(atten)							# (N, C/4, 1, 1)
        atten = self.relu(atten)
        atten = self.conv2(atten)							# (N, C, 1, 1)
        atten = self.sigmoid(atten)
        feat_atten = torch.mul(feat, atten)					# (N, C, H, W)
        feat_out = feat_atten + feat
        return feat_out

BiSeNet V1

class BiSeNetV1(nn.Module):

    def __init__(self, n_classes, output_aux=True, *args, **kwargs):
        super(BiSeNetV1, self).__init__()
        self.cp = ContextPath()
        self.sp = SpatialPath()
        self.ffm = FeatureFusionModule(256, 256)
        self.conv_out = BiSeNetOutput(256, 256, n_classes, up_factor=8)
		''' BiSeNetOutput: input: (c, h, w)   output:(n_classes, 8h, 8w) '''
        self.output_aux = output_aux
        if self.output_aux:
            self.conv_out16 = BiSeNetOutput(128, 64, n_classes, up_factor=8)
            self.conv_out32 = BiSeNetOutput(128, 64, n_classes, up_factor=16)
        self.init_weight()

    def forward(self, x):
        H, W = x.size()[2:]
        feat_cp8, feat_cp16 = self.cp(x)            # (N, 256, H/8, W/8), (N, 256, H/16, W/16)
        feat_sp = self.sp(x)                        # (N, 256, H/8, W/8)
        feat_fuse = self.ffm(feat_sp, feat_cp8)     # (N, 256, H/8, W/8)

        feat_out = self.conv_out(feat_fuse)         # (N, 19, H, W)
        if self.output_aux:
            feat_out16 = self.conv_out16(feat_cp8)  # (N, 19, H, W)
            feat_out32 = self.conv_out32(feat_cp16) # (N, 19, H, W)
            return feat_out, feat_out16, feat_out32
            
        # feat_out = feat_out.argmax(dim=1)
        
        return feat_out

Loss function

  1. 利用主损失函数监督整个双组网的输出。
  2. 增加了两个具体的辅助损耗函数来监督上下文路径的输出。
  3. 所有的损失函数均为softmax损失。
  4. 通过参数α来平衡主损失函数和辅助损失函数的权重。(文中的α等于1。该接头损耗使得优化器在优化模型时更加舒适。)
    实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第5张图片
class OhemCELoss(nn.Module):

    def __init__(self, thresh, ignore_lb=255):
        super(OhemCELoss, self).__init__()
        self.thresh = -torch.log(torch.tensor(thresh, requires_grad=False, dtype=torch.float)) # .cuda()
        self.ignore_lb = ignore_lb
        self.criteria = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=ignore_lb, reduction='none')

    def forward(self, logits, labels):
        n_min = labels[labels != self.ignore_lb].numel() // 16      
        loss = self.criteria(logits, labels).view(-1)
        loss_hard = loss[loss > self.thresh]
        if loss_hard.numel() < n_min:
            loss_hard, _ = loss.topk(n_min)
        return torch.mean(loss_hard)

criteria_pre = OhemCELoss(0.7)
criteria_aux = [OhemCELoss(0.7) for _ in range(2)] # to cal the loss of feat_out16 and feature out 32

Experimental Results

采用数据集

  1. Cityscapes
  2. CamVid
  3. COCO-Stuff

一些实验结果

  1. U型结构的消融实验。
    实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第6张图片
  2. 空间路径的消融实验: 使用空间路径将性能从66.01%提高到67.42%,下图显示BiSeNet可以比只是用U-Shape获得更详细的空间信息,例如一些交通标志。
    实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第7张图片
  3. Else:
    实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第8张图片
    实时语义分割网络 BiSeNet(附代码解读)_第9张图片

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