深度学习笔记（基础篇）——（六）全卷积神经网络（FCN）

    通常CNN在卷积层之后会接上若干个全连接层，将卷积层产生的特征图（Feature Map）映射成一个固定长度的特征向量进行分类。以AlexNet为代表的经典CNN结构适合于图像级的分类和回归任务，因为它们最后都期望得到整个输入图像的一个数值描述，如AlexNet的ImageNet模型输出一个1000维的向量，表示输入图像属于每一类的概率。例如，图4.15中的猫，输入AlexNet，得到一个长为1000的输出向量，表示输入图像属于每一类的概率，其中在“tabby cat”这一类上响应最高。

    与物体分类要建立图像级理解任务不同的是，有些应用场景下要得到图像像素级别的分类结果，如语义级别图像分割（Semantic Image Segmentation），最终要得到对应位置每个像素的分类结果；又如边缘检测，相当于对每个像素做一次二分类（是边缘或不是边缘）。以语义图像分割为例，其目的是将图像分割为若干个区域，使得语义相同的像素被分割在同一区域内。图4.16是一个语义图像分割的例子，输入图像，输出不同颜色的分割区域表示不同的语义：背景、人和马。

    Lonjong等发表在CVPR2015的论文提出了，全卷积网络（FCN）进行像素级的分类从而高效地解决了语义级别的图像分割问题。与经典的CNN在卷积层之后使用全连接层得到固定长度的特征向量进行分类不同，FCN可以接受任意尺寸的输入图像，采用反卷积层对最后一个卷积层的Feature Map进行采样，使它恢复到与输入图像相同的尺寸，从而可以对每个像素都产生了一个预测，同时也保留了原始输入图像中的空间信息，最后在上采样的特征图上进行逐像素分类。逐像素计算Softmax分类的损失，相当于每一个像素对应一个训练样本。

Lonjong的论文包含了当下CNN的三个思潮，具体如下：

• 不含全连接层（FC）的全卷积（Fully Conv）网络，可适应任意尺寸输入
• 增大数据尺寸的反卷积（Deconv）层，能够输出精细的结果
• 结合不同深度层结果的跳级（Skip）结构，同时确保鲁棒性和精确性。

全卷积网络的原理：

    FCN将传统CNN中的全连接层转化成一个个的卷积层。如图4.15所示，在传统的CNN结构中，前5层是卷积层，第6层和第7层分别是一个长度为4096的一维向量，第8层是长度为1000的一维向量，分别对应1000个类别的概率。FCN将这3层也表示为卷积层，卷积核的大小（通道数，宽，高）分别为（4096,1,1）、（4096,1,1）、（1000,1,1）。这样所有的层都是卷积层，故称为全卷积网络。

    可以发现，经过多次卷积（还有Pooling）以后，得到的图像越来越小，分辨率越来越低（粗略的图像），那么FCN是如何得到图像中每一个像素的类别的呢？为了从这个分辨率低的粗略图像恢复到原图的分辨率，FCN使用了上采样。例如经过5次卷积（和Pooling）以后，图像的分辨率依次缩小了2、4、8、16、32倍。对于最后一层的输出图像，需要进行32倍的上采样，以得到与原图一样的大小。

    这个上采样是通过反卷积（Deconvolution）实现的。对第5层的输出（32倍放大）反卷积得到原图大小，得到的结果还是不够精确，一些细节无法恢复。于是，Jonathan将第4层的输出和第3层的输出也依次反卷积，分别需要16倍和8倍上采样，结果就精细一些了。图4.17所示的对比，可以看到他们得到的结果越来越精确。

    与传统用CNN进行图像分割的方法相比，FCN有两大明显的优点：一是可以接受任意大小的输入图像，而不用要求所有的训练图像和测试图像具有同样的尺寸；二是更加高效，因为避免了由于使用像素块带来的重复存储和计算卷积的问题。

    同样FCN的缺点也比较明显：一是得到的结果还是不够精细，进行8倍上采样虽然比32倍的效果好了很多，但是上采样的结果还是比较模糊和平滑，对图像中的细节不敏感；二是对各个像素进行分类，没有充分考虑像素与像素之间的关系，忽略了在通常的基于像素分类的分割方法中使用的空间规整（Spatial Regularization）步骤，缺乏空间一致性。