ESPNet: Efficient Spatial Pyramid of Dilated Convolutions for Semantic Segmentation（自动驾驶领域轻量级模型）

主要思想

基于传统卷积模块设计，提出一种高效空间金字塔卷积模块（ESP Module），有助于减小模型运算量和内存、功率消耗，以提高在终端设备上的适用性。这款模型和MobileNet系列、ShuffNet系列相似，都是轻量级模型，可以部署到移动端。

模型具体结构

如下图所示，模型主要有两个模块构成，一个是Efficient spatial pyramid模块，一个是HFF模块。

Efficient spatial pyramid

这个部分由两个子部分构成，前面部分是逐点卷积，就是采用K个1x1xM的小卷积核对原图进行卷积操作，1x1卷积的作用其实就是为了降低维度，这样就可以减少参数，这也是轻量级模型的思路。后面的部分是空洞卷积，即在没有进行下采样（pooling）的操作下，扩大感受野。使用不同膨胀率的卷积核，可以得到不同感受野下的feature，这一点有点类似金字塔池化，所以这个模块也叫ESP。

参数计算

下面来计算下一共包含的参数，其实在效果上，以这种轻量级的网络作为backbone效果肯定不如那些重量级的，比如Resnet，但是在运行速度上有很大优势。

如上图所示，对Efficient spatial pyramid第一部分来说，d个1x1xM的卷积核，将M维的输入feature map降至d维。此时参数为： $M\ast N/K$,第二部分参数量为$K\ast n^2\ast {(N/K)}^2$,和标准卷积结构相比，参数数量降低很多。

HFF模块

如上图所示，因为使用了大感受野的膨胀卷积，导致了gridding artifacts现象，如下图所示。本文提出了使用HFF方法来解决该问题，具体做法就是从最小的膨胀卷积核输出的那张feature map开始，逐级叠加。这样的做法并没有引入任何新的参数，同时计算量上也没有增加太多，但却有效地改善了网格效应。

这里其实就是对空洞卷积的结果进行逐层点加向下传递，然后在通道方向上进行concat，concat之后，再对之前的特征做一个点加，这一点采用了残差的思想。

和其它模型的对比

这里，文章对其它模型和该模型做了一个对比，包括参数的数量以及核心网络结构，如下图所示。在这里，不再一一阐述。

ESPNet模型

作者提出了四种模型，分别如下图所示。

下面是以不同网络模型作为backbone的语义分割网络再VOC数据上的表现效果。

发现，ESPNet在较少的参数下，取得了很好的效果。

源代码

作者开源了基于ESPNet的语义分割网络源代码，ESPNet,支持测试和训练。下面展示几幅在kitti数据集上的测试效果。

原图像：


结果图像：