[小样本图像分割]One-Shot Learning for Semantic Segmentation（OSLSM）

用于图像分割的单样本学习（BMVC2017）

本文算是小样本学习的经典之作，虽然以现在的角度来看比较粗糙，但仍然值得学习！

本文的方法说白了就是利用高维参数来进行比较（而不是像现今的大多数方法是利用特征匹配的思想），因此依赖于权重哈希来防止过拟合。本文的方法现在基本淘汰，但它无疑开创了小样本分割的先河。

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概述

本文从few shot学习中得到启发，提出了一种新的双分支的一次性语义图像分割方法。第一个分支将标记的图像作为输入，并生成参数向量作为输出。第二个分支接受这些参数和一个新图像作为输入，并为新类生成图像的分割掩码作为输出。

本文贡献：
1）提出了一种新的单样本分割技术，该技术在快速分割的同时优于基线；2）该技术可以在不为新类添加弱标签的情况下做到这一点；3）即使只有少数类具有较强的标注，元学习也能有效地进行；4）在PASCAL上为具有挑战性的k-shot语义分割任务建立了基准。

问题设置

值得注意的是，本论文提出的OSLSM的问题设置在后面的很多小样本分割任务中都被沿用，所以这里给出完整设置。

支持集（support set）设为$S={\left\{\left(I_s^i,Y_s^i\left(l\right)\right)\right\}}_{i=1}^k$，指的是$k$个图像----掩码对（ image-binary mask pairs）的一个小集合（少量样本）。其中$Y_s^i\in L_{test}^{H\times W}$指的是图像$I_s^i$的分割注释，$Y_s^i\left(l\right)$指的是第$i$个图像对语义类$l\in L_{test}$的掩码。目的是学习一个模型$f(I_q,S)$，当给定一个支持集$S$和查询图像$I_q$时，预测一个对语义类$l$的掩码${\hat{M}}_q$.

在训练过程中，使用了大量的图像----掩码对$D={\left\{\left(I^j,Y^j\right)\right\}}_{j=1}^N$，其中$Y^j\in L_{train}^{H\times W}$是训练图像$I^j$的语义分割掩码。在测试过程中查询图像只针对新的语义类进行了注释，也就是$L_{train}\cap L_{test}=\oslash$。这是与典型图像分割的关键区别，在典型图像分割中，训练和测试类是相同的。

方法

第一个分支输入支持集中带标签的图像，准确地说是输入图像标签对$S=(I_s,Y_s(l))$来产生一组参数：
$$w,b=g_{\eta }\left(S\right)$$
在另一个分支上，使用参数嵌入函数$\varphi$（这里指的似乎就是FCN之类的backbone）来从查询图像$I_q$中提取特征。设$F_q={\varphi }_{\zeta }\left(I_q\right)$是从$I_q$中提取的feature volume，则$F_q^{mn}$指的是空间位置$(m,n)$上的特征向量。然后使用第一层的参数对特征进行像素级逻辑回归，得到最终的mask.

其中$\sigma \left(\cdot \right)$指的是sigmoid函数，${\hat{M}}_q^{mn}$表示在坐标$(m,n)$处的预测掩码值。最后将预测掩码通过双边线性插值的方式进行上采样，恢复到原图尺寸，然后以0.5为阈值对查询图片进行掩码操作得到分割图像。

损失函数

这一损失函数的目的是最大化预测对ground-truth mask的对数似然

其中$\eta$和$\zeta$指的是两个分支结构的网络参数。

实验结果

结论

本文提出了一种新的图像分割体系结构来解决这一问题。我们的架构学习学习一个集成分类器，并使用它对查询图像中的像素进行分类。综合实验表明，该算法具有明显的优越性。所提出的方法比其他基准要快得多，并且占用的内存也更少。