《ICNet for Real-Time Semantic Segmentation on High-Resolution Images》论文阅读及代码实现

论文原文

https://arxiv.org/pdf/1704.08545.pdf
香港中文大学，腾讯优图，商汤科技联合发表的一篇用于语义分割的论文。

摘要

ICNet是一个基于PSPNet的实时语义分割网络，设计目的是减少PSPNet推断时期的耗时，论文对PSPNet做了深入分析，在PSPNet的基础上引入级联特征融合模块，实现快速且高质量的分割模型。论文报告了在Cityscape上的表现。

摘要

主要通过下面的图来表现：
可以看到之前的许多分割的经典方法速度不快，而速度快的ENet的精度又不高，PSPNet在速度和精度找到了一个平衡点。论文的主要贡献在于：

• 综合低分辨率的处理速度和高分辨率图像的推断质量，提出图像级联框架逐步细化分割预测
• ICNet可以在1024$\times$ 2048分辨率下保持30fps运行

相关工作

高质量的语义分割模型

先驱工作FCN将全连接层换成卷积层；DeepLab等使用空洞卷积(dilated convolution)；Encoder-Decoder结构融合高层的语义和底层的细节；也有使用CRG,MRF模拟空间关系；PSPNet采用空间上的金字塔池化结构。这些方法对于提升性能有效，但不能用于实时系统。

快速的语义分割模型

SegNet放弃层信息来提速；ENet是一个轻量级网络，这些方法虽然快，但是性能差。

视频分割模型

视频中包含大量冗余信息，可利用减少计算量。

PSPNet给出了一个快读的语义分割的层次结构，利用级联图像作为输入加速推理，构建一个实时分割系统。

时间分析

蓝色的分辨率为1024 $\times$ 2048，绿色的分辨率为512 $\times$ 512。上图显示了多个信息：

• 不同分辨率下的速度差异很大，呈平方趋势增加
• 网络的宽度越大速度越慢
• 核数量越多速度越慢

加速策略

输入降采样

根据上面的分析，半分辨率的推断时间为全分辨率的1/4。测试不同分辨率下输入下的预测情况。一个简单的测试方法使用1/2,1/4的输入，将输出上采样回原来的大小。实验如下：
对比在不同缩放比例下得到的结果可以发现，在缩放比例为0.25的情况下，虽然推断时间大大减短，但是预测结果非常粗糙，丢失了很多小但是重要的细节。缩放0.5相对来说好了很多，但丢失了很多细节，并且最麻烦的是推理速度达不到实时要求了。

特征降采样

输入能降采样，自然特征也可以降采样。这里以1:8,1:16,1:32的比例测试PSPNet50，结果如下：较小的特征图可以以牺牲准确度换取更快的推断，但考虑到使用1:32（132ms）依然达不到实时要求。

模型压缩

减少网络的复杂度，有一个直接的方法就是修正每层的核数量，论文测试了一些有效的模型压缩策略。即使只保留四分之一的核，推断时间还是很长。并且准确率大大降低了。

ICNet的结构

ICNet在总结了上面的加速策略后，提出了一个综合性的方法：使用低分辨率加速捕捉语义，使用高分辨率获取细节，使用级联网络结合，在限制的时间内获得有效的结果。模型结构如下：
图片分为1,1/2,1/4这3个尺度分三路送到模型中。3个分支介绍如下：

• 对于第一个1/4分支，可以看到经过3次卷积(下采样)后分辨率为原图的1/32，经过卷积后使用几个空洞卷积层扩展感受野但不缩小尺寸，最终以原图的1/32大小输出feture map。这一个分支虽然层数较多，但分辨率小，速度快，且与第二个分子共享一部分权重。
• 以原图的1/2分辨率作为输入，经过卷积后以1/8缩放，得到原图1/16大小的feature map，再将低分辨率分支的输出feature map通过CFF单元融合得到最终输出。这一和分子有17个卷积层，与第一个分支共享一部分权重，与分支1一共耗时6ms。
• 第3个分支以原图作为输入，经过卷积后以1/8缩放，得到原图大小1/8的特征图，再将中分辨率处理后的输出通过CFF单元融合，第3层有3个卷积层，虽然分辨率高，但层少，耗时9ms。
  \quad 对于每个分支的输出特征，首先会上采样二倍做输出，在训练的时候，会以ground truth的1/16,1/8,1/4来指导各个分支的训练，这样的辅助训练使得梯度优化更加平滑，便于训练收敛，随着每个分支学习能力的增强，预测没有被任何一个分支主导。利用这样渐变的特征融合和级联引导结构可以产生合理的预测结果。ICNet使用低分辨率完成语义分割，使用高分辨率帮助细化结果，在结构上，产生的feature大大减少，同时仍然保持必要的细节。

CFF单元

F1代表低分辨率输入，F2代表高分辨率输入。将低分辨率的图片上采样后使用空洞卷积(dilated conv)，扩大上采样结果的感受野范围。注意将辅助的标签引导设置为0.4（根据PSPNet的实验结果），即如果下分支的$loss{L}_3$的占比${\lambda }_3$为1的话，则中分支的$loss{L}_2$的占比${\lambda }_2$为0.4，上分支的$loss{L}_1$的占比${\lambda }_1$为0.16。

损失函数和模型压缩

损失函数

依据不同的分支定义如下：$L={\lambda }_1{L}_1+{\lambda }_2{L}_2+{\lambda }_3{L}_3$，根据CCF的设置，下分支的$loss{L}_3$的占比${\lambda }_3$为1的话，则中分支的$loss{L}_2$的占比${\lambda }_2$为0.4，上分支的$loss{L}_1$的占比${\lambda }_1$为0.16。

压缩模型

这里不是很懂，论文采用的一个简单而有效的办法：渐进式压缩。例如以压缩率1/2为例，我们可以先压缩到3/4，对压缩后的模型进行微调，完成后，再压缩到1/2，再微调。保证压缩稳定进行。这里采用Pruning filters for efficient convnets(可以查一下这篇论文)的方法，对于每个滤波器计算核权重的L1和，降序排序，删除权重值较小的。

模型压缩的结果

mIoU降低了，但推理时间170ms达不到实时要求。这表明只是模型压缩是达不到有良好分割结果的实时性能。对比ICNet，有类似的分割结果，但速度提升了5倍多。

级联结构的有效性

sub4代表只有低分辨率输入的结果，sub24代表前两个分支，sub124全部分支。注意到全部分支的速度很快，并且性能接近PSPNet了，且能保持30fps。而且内存消耗也明显减少了。

结论

论文在PSPNet的基础上改进出一个ICNet。 核心的思想是利用低分辨率的快速获取语义信息，高分辨率的细节信息。将两者相融合搞出一个折中的模型。

代码实现

https://github.com/BBuf/Keras-Semantic-Segmentation