计算机视觉-语义分割: FCN DeepLab Unet

1. 概要

1.1 什么是语义分割

从像素水平上理解、识别图片内容，根据语义信息分割。如下图所示，输入为一张图片，输出像素水平的分割标记，每个像素会被识别为一个类别

1.2 语义分割作用

• 机器人视觉和场景理解
• 辅助/自动驾驶
• 医学X光

1.3 全卷积网络

• 全卷积化
  • 将所有全连接层转换成卷积层
  • 适应任意尺寸输入，输出低分辨率分割图片
• 反卷积（deconvolution）
  • 将低分辨率图片进行上采样，输出同分辨率分割图片
  • 跳层结构（skip layer）
    如下图所示，前面部分通过卷积，特征图尺寸越来越小，最后需要通过将小的特征图反卷积成和图片大小相同的尺寸，这样边界识别问题比较大。因此会将之前的特征图信息和当前最后特征图一起处理
    

1.4 反卷积

反卷积（deconvolution）操作过程
(1) 外围全补零（Full Padding）

• 输入$2\times 2$
• 输出$4\times 4$
• 参数设置：
  • 卷积核尺寸：$3\times 3$
  • 步长 1
  • padding: 2
    具体过程如下图所示
    

(2) 插零分数步长反卷积

• 输入：$3\times 3$
• 输出：$5\times 5$
• 卷积核尺寸：$3\times 3$
• 步长：2
• padding：1
  

1.5 上采样三种方式

（1）双线性插值
已知$Q_{11}(x_1,y_1)、Q_{12}(x_1,y_2)、Q_{21}(x_2,y_1)、Q_{22}(x_2,y_2)$，求其中点$P(x,y)$的值，如下图所示

双线性插值是分别在两个方向计算了共3次单线性插值，如图所示，先在$x$方向求2次单线性插值，获得$R_1(x,y_1)$、$R_2(x,y_2)$两个临时点，再在$y$方向计算1次单线性插值得出$P(x,y)$（实际上调换2次轴的方向先y后x也是一样的结果）
具体可以参考：一篇文章为你讲透双线性插值

双线性插值不需要学习，运行速度快，操作简单

（2）反卷积
为了还原原有特征图，类似消除原有卷积的某种效果，所以叫反卷积，具体参考上一章节

（3）反池化
在池化过程中记录下池化后元素在对应kernel中的坐标，作为反池化索引。

• 记录池化的位置，形成池化索引
• 将输入特征按记录位置摆放回去
  
  反池化和反卷积的区别：
• 最大区别在于反卷积过程是有参数要学习
• 理论上只要卷积核参数设置合理，反卷积可以实现反池化
  

1.6 跳层结构 Skip Layer

原因
直接用32倍反卷积得到的分割结果粗糙

FCN-跳层结构
如下图所示，

2. FCN架构

反卷积层：

• 最后一层反卷积层固定为双线性插值，不做学习
• 剩余反卷积层初始化为双线性插值，做学习

FCN性能

3. DeepLab-v1

3.1 改进点

• 基本结构：优化后的CNN+传统的CRF图模型
• 新的上采样卷积方案：带孔结构的空洞卷积（Atrous/Dilated convolution）
• 边界分割优化：使用全连接条件随机场CRF进行迭代优化；CNN输出粗糙的分割结果，全连接CRF精化分割结果

3.2 空洞卷积(Atrous/Dilated convolution)

其计算卷积过程如下图所示

有一个rate参数，rate越大，感受野越大，注意：中间有多少空洞，外部就要进行等量的padding

传统卷积+池化与空洞卷积对比

4. U-Net

U-Net的整体结构如下图所示， U-Net是一种用于生物影像分割的深度学习模型，他是一个全卷积网络，输入输出都是图像，没有全连接层

TODO

参考

计算机视觉零基础入门