【论文阅读】BiSeNet V2用于实时语义分割的双边网络
前言
BiSeNet V2延续了v1版本的双边结构，分别处理空间细节信息、高层语义信息。同时设计更简洁高效的结构，进行特征提取，实现高精度和高速度。在训练模型时，使用了增强训练策略 ，添加多个辅助训练分支来促进不同浅层网络的特征提取能力。
还设计了一个高效的特征融合模块，对空间细节信息、高级语义信息进行融合。
这个模型代码开源，亲自测试过（PyTorch版本），精度和速度都挺不错的；也适合部署到开发板，进行落地应用。
性能方面，BiSeNet V2，对于2048x1024的输入，在Cityscapes测试集中的平均IoU达到72.6％，在一张NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti卡上的速度为156 FPS。
论文地址：https://arxiv.org/abs/2004.02147
代码地址（PyTorch）：https://github.com/CoinCheung/BiSeNet
代码地址（Tensorflow）：https://github.com/MaybeShewill-CV/bisenetv2-tensorflow
一、为什么要设计双边网络
在语义分割中，本质是对图像中每个像素进行分类，高层语义信息能让模型大概分清晰，这块区域像素是那个类别的，另一区域可能是其他类别的。毕竟高层语义信息，做了许多次下采样，输出的特征图相对于输入图片尺寸，可能相差（16、32、64...）倍数了；做上采样时让特征图恢复到原图大小，在不融入低层的空间细节信息，得到的分割效果会较差，很多边缘无法分割好。
丰富的空间细节信息，让模型对边缘也能分割得较好。但如果只有低层的空间细节信息，模型可能会无法进行分类，所以通常需要融合高层语义信息和层的空间细节信息。
那么不是有很多模型都能融合高层语义信息和层的空间细节信息吗？为什么都介绍这个BiSeNet V2呢？
1、它实时性好、精度高、轻量级、容易模型量化与部署；
2、BiSeNetv1中，创新的双边网络思想，设计空间细节分支和语义分支，达到实时语义分割；v2版本有模型结构的改进，引入新的训练策略，支持学习。
下面有三种语义分割的结构，
(a)是空洞卷积的主干网络，通过不同的空洞率设计卷积核，提取不同感受野的特征。 它具有沉重的计算复杂性和内存占用。
(b) 是编码器-解码器主干网络，它具有自上而下和横向的连接，以恢复高分辨率特征图。 网络中的这些连接对内存访问成本较高，虽然能达到高精度，但通常速度较慢。
(c) 作者设计的双边分割主干网络， 它有2个分支，详细空间细节信息的分支和分类语义的语义分支。 细节分支通道宽，层数浅，而语义分支具有窄通道和深层；两个分支的通道数，可以通过因子（λ）调节，使其变得非常轻量级。
二、整体网络结构
模型主要由两个分支组成，一个是细节信息分支、另一个是语义分支，两个分是并行运行的；得到细节分支和语义分支，经过融合模型进行信息融合，最终输出与原图相同大小的图。
在语义分支中，作者添加了4个辅助训练的分割头，让浅层的信息更好地学习。在训练时，会结合4个辅助头的损失和主网络分割头的损失，一起计算损失。在推理时，不走4个辅助分割头，主网络的分割头会直接输出推理结果的。
下面的表格是整体模型的参数：
整体有5个阶段（S1-S5）。细节分支Detail Branch，有3个阶段；语义分支Semantic Branch，有5个阶段。
每个阶段包含一个或多个操作opr（例如，Conv2d、Stem、GE、CE）。 其中：Conv2d表示卷积层，然后是BN批归一化层和 relu 激活函数。 Stem表示stem block。 GE代表聚合和扩张层。 CE是上下文信息嵌入层。
每个操作都有一个内核大小 k，步长 s 和输出通道 c，重复 r 次。扩张因子 e 来扩展操作的通道数。这里的通道比为 λ = 1/4，绿色标记细节分支相应阶段的语义分支通道的比例；比如S1阶段，细节分支的通道数为64，语义分支的通道数为16。
2.1 细节分支
细节分支包含丰富的空间细节信息，这是低层（浅层）的信息，没有做太多的下采样，特征图尺寸大，用于提取空间细节信息。
对空间细节使用宽通道和浅层，得到特征表示具有较大的空间尺寸和较宽的通道。同时作者建议：最好不要采用残差连接，这会增加内存访问成本并降低速度。
2.2 语义分支
语义分支比较深，特征图尺寸小，感受野大，来捕获高级语义信息，利于对像素分类。
语义分支可以采用不同的轻量级卷积模型，同时使用窄通道和深层，快速下采样策略 (快速扩大感受野)、全局平均池嵌入全局上下文响应 (更大的感受野)。
2.3 融合模块
细节分支和语义分支是并行运行的，其中一个分支不知道另一个分支的信息，需要设计一个聚合层来融合两个分支的信息。考虑到准确性和效率，作者采用了双向聚合方法。
三、细节分支
细节分支的包含三个阶段，每个阶段的每一层都是一个卷积层，然后是批量归一化和激活函数。每个阶段的第一层具有步长s=2，而同一阶段中的其他层具有相同数量的过滤器和输出特征图大小。因此，该分支提取的输出特征映射是原始输入的1/8。
该细节分支的通道数量高，具有丰富的空间细节信息。由于通道数高，空间尺寸大，残差结构将增加内存访问成本。因此，该分支主要遵循VGG网络的原理来堆叠层。
四、语义分支
考虑到同时具有大的感受野和高效的计算，作者在设计语义分支时，参考轻量级识别模型的理念，例如，Xception，MobileNet，ShuffleNet。
语义分支结构参数如下：
作者采用Stem Block作为语义分支前部分特征提取，它使用两种不同的下采样方式来缩小特征表示；然后将两个分支的输出特征连接为输出。该结构具有高效的计算量和有效的特征表达能力。
中间部分使用GE聚集和扩张层，提取语义特征信息。
最后通过CE上下文信息嵌入层。语义分支需要大的感受野来捕获高级语义，作者设计了CE（Context Embedding Block），该块使用全局平均池和残差连接，有效嵌入全局上下文信息
语义分支中，有两个结构组件 Stem Block（GE）和Context Embedding Block（CE）。
上图中，Conv是卷积运算，BN是批量归一化，ReLu是激活函数，Mpooling是最大池，GPooling是全局平均池，C表示拼接。同时，1×1，3×3表示核的大小，H×W×C表示张量形状（高度、宽度、通道）。
GE聚集和扩张层，结构如下图所示。
(a) 是MobileNet V2中提出的反向瓶颈Conv。步幅为2时，虚线快捷路径和求和不存在。
(b)(c)为聚集与扩展层，(b)是stide=1时的结构，(c)是stide=2时的结构，它们使用深度卷积，具有以下优势：
1、3×3卷积 以有效地聚集特征，并扩展到更高维空间；
2、在扩展层的每个单独输出通道上独立执行的 3×3深度卷积
3、1×1卷积作为投影层，将深度卷积的输出投影到低信道容量空间
当stide=2时，采用两个3×3深度卷积，进一步扩大了感受野，并采用一个3×3可分离卷积作为捷径。
其中Conv是卷积运算，BN是批量归一化，ReLu是激活函数。同时，1×1，3×3表示核的大小，H×W×C表示张量形状（高度、宽度、通道）
特别点
语义分支中，作者设计它符合等比数列；可以不同的设计。
1/2+1/4+1/8+1/8=1;
1/2+1/4+1/8+1/16+1/16=1;
1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/32=1;
五、融合模块
常见的融合两种类型的特征图的方式，元素相加（add）和串联（concat）。
然而，在BiseNetv2中这两个分支的输出具有不同的特征表示级别。细节分支用于低级，语义分支用于高级。因此，简单的组合忽略了这两种类型信息的多样性，导致性能下降和难以优化。
作者提出了双边引导聚合层来融合来自两个分支的互补信息，如下图所示：
语义分支的一个输出，通过卷积和上采样操作，变成和细节分支相同尺寸的特征图，然后两者对于元素相乘，得到融合结果1（左边）。
细节分支的一个输出，通过卷积和池化进行下采样，变成和语义分支相同尺寸的特征图，然后两者对于元素相乘，得到融合结果2（右边）。
最后将融合结果1和融合结果2对于元素相加，再做一次卷积操作，输出最终结果。
该层利用语义分支的上下文信息指导细节分支的特征。在不同的尺度引导下，可以捕获不同的尺度特征表示，这些特征表示模型编码了多尺度信息。同时，与简单的组合相比，这种引导方式能够实现两个分支之间的高效通信。
六、辅助训练分割头
作者提出了一种增强训练策略，它可以在训练阶段增强特征表示，在推理阶段可以丢弃。因此，在推理阶段增加的计算复杂度很小。如下图所示，可以将辅助分割头插入语义分支的不同位置。
在语义分支中，作者添加了4个辅助训练的分割头，让浅层的信息更好地学习。在训练时，会结合4个辅助头的损失和主网络分割头的损失，一起计算损失。在推理时，不走4个辅助分割头，主网络的分割头会直接输出推理结果的。
七、总结
BiSeNet V2延续了v1版本的双边结构，分别处理空间细节信息、高层语义信息。同时设计更简洁高效的结构，进行特征提取，实现高精度和高速度。在训练模型时，使用了增强训练策略，添加多个辅助训练分支来促进不同浅层网络的特征提取能力。
它实时性好、精度高、轻量级、容易模型量化与部署；
本文只供大家参考与学习，谢谢~