摘要：
几种结构全卷积网络FCN：上采样提高分割精度，不同特征向量相加。[3]UNET：拼接特征向量；编码-解码结构；采用弹性形变的方式，进行数据增广；用边界加权的损失函数分离接触的细胞。[4]SegNet：记录池化的位置，反池化时恢复。[3]PSPNet：多尺度池化特征向量，上采样后拼接[3]Deeplab：池化跨度为1，然后接带孔卷积。实验设计测试平台采用[1]的代码，去掉one_hot，把损失函数改成交叉熵。
简介
语义分割：给图像的每个像素点标注类别。通常认为这个类别与邻近像素类别有关，同时也和这个像素点归属的整体类别有关。利用图像分类的网络结构,可以利用不同层次的特征向量来满足判定需求。现有算法的主要区别是如何提高这些向量的分辨率，以及如何组合这些向量。
几种结构
- 全卷积网络FCN：上采样提高分割精度，不同特征向量相加。[3]
- UNET：拼接特征向量；编码-解码结构；采用弹性形变的方式，进行数据增广；用边界加权的损失函数分离接触的细胞。[4]
- SegNet：记录池化的位置，反池化时恢复。[3]
- PSPNet：多尺度池化特征向量，上采样后拼接[3]
- Deeplab：池化跨度为1，然后接带孔卷积。
- ICNet：多分辨图像输入，综合不同网络生成结果。
实验设计
测试平台
- 采用[1]的代码，去掉one_hot，把损失函数改成交叉熵。
- 在验证过程引入pixel accuray和mIOU，代码见[2]
- 用颜色代码替换标签的类别代码，这样visdom可以显示多类别标签
数据集
- [1]自带数据集Bag，二分类，图像800800，代码中转换到160160。
- 这个数据集很容易收敛，可以忽略优化器的影响，用来估计网络结构的性能上限。
- CamVid,代码见[2]，从视频中截取的，图像很相似。图像尺寸960*720。
- PASCAL VOC 2007/2012，代码参照[3]，图像差别大。
测试计划
- 在github上收集能成功运行的模型
- 在同等条件下比较技术细节：vgg16为基础结构
- 比较单层特征向量进行转置卷积、上采样或者反池化后的效果
- 比较特征向量的拼接和线性组合
- 比较多尺度输入的网络组合
实验结果
超参数：epochs=50,lr=0.001,optim=SGD,momentum=0.7u
数据集：Bag，resize(160,160)，batch_size=4
注意vgg16正确的层号，每层最后一个是池化。
feats = list(models.vgg16(pretrained=True).features.children())
self.feat1 = nn.Sequential(*feats[0:5])
self.feat2 = nn.Sequential(*feats[5:10])
self.feat3 = nn.Sequential(*feats[10:17])
self.feat4 = nn.Sequential(*feats[17:24])
self.feat5 = nn.Sequential(*feats[24:31])
单层特征向量
1*1卷积+标签收缩（到对应层尺寸）
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 8 | 82 | 90 | 1.1 |
| 4 | 8 | 86 | 93 | 1.0 |
| 3 | 6 | 80 | 90 | 1.0 |
1*1卷积+上采样（2倍）+标签收缩
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5->4 | 8 | 72 | 85 | 1.1 |
| 4->3 | 6 | 80 | 90 | 1.0 |
| 3->2 | 5 | 78 | 88 | 1.0 |
1*1卷积+转置卷积（2倍）+标签收缩
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5->4 | 8 | 79 | 89 | 1.1 |
| 4->3 | 6 | 84 | 92 | 1.0 |
| 3->2 | 5 | 80 | 90 | 1.0 |
反池化（2倍）+1*1卷积+标签收缩
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5->4 | 8 | 84 | 92 | 1.1 |
| 4->3 | 7 | 87 | 94 | 1.1 |
| 3->2 | 5 | 84 | 91 | 1.0 |
池化（stride=1）+2*2卷积（stride=1,padding=1）+标签收缩
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5->4 | 8 | 84 | 92 | 1.1 |
| 4->3 | 7 | 89 | 95 | 1.0 |
| 3->2 | 7 | 80 | 90 | 1.1 |
多层特征向量组合
- 理论上，求和是拼接+1*1卷积的一个特例。
上采样（逐层，直到原始尺寸）+1*1卷积+求和（FCN）
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 8 | 82 | 91 | 1.2 |
| 5+4 | 8 | 88 | 94 | 1.2 |
| 5+4+3 | 9 | 88 | 94 | 1.2 |
上采样（逐层，直到原始尺寸）+1*1卷积+拼接（UNET'）
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 8 | 82 | 91 | 1.2 |
| 5+4 | 9 | 87 | 93 | 1.2 |
| 5+4+3 | 9 | 89 | 94 | 1.1 |
上采样（直接达到原始尺寸）+1*1卷积+拼接（PSPNET'）
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 8 | 84 | 92 | 1.2 |
| 5+4 | 9 | 87 | 93 | 1.2 |
| 5+4+3 | 8 | 88 | 94 | 1.2 |
反池化（逐层）+1*1卷积+上采样（SegNet'）
| 网络层 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 8 | 82 | 91 | 1.1 |
| 5->4 | 8 | 88 | 94 | 1.1 |
| 5->4->3 | 9 | 89 | 95 | 1.1 |
附加实验
epochs=100，lr=3e-3
| 网络 | 单epoch时间(s) | mIOU(%) | pixel-acc(%) | GPU(G) |
|---|---|---|---|---|
| PSPNET(反池化) | 8 | 91 | 96 | 1.1 |
| PSPNET(池化,stride=1) | 9 | 91 | 96 | 1.2 |
引用
- https://github.com/bat67/pytorch-FCN-easiest-demo
- https://github.com/pochih/FCN-pytorch
- https://github.com/bodokaiser/piwise
- https://github.com/jaxony/unet-pytorch/
参考文献
- Long J , Shelhamer E , Darrell T . Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 2014, 39(4):640-651.
- Ronneberger O, Fischer P, Brox T. U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation[C]// International Conference on Medical Image Computing & Computer-assisted Intervention. 2015.
- Zhao H , Shi J , Qi X , et al. Pyramid Scene Parsing Network[J]. 2016.
- Chen L C , Papandreou G , Schroff F , et al. Rethinking Atrous Convolution for Semantic Image Segmentation[J]. 2017.
- Zhao H, Qi X, Shen X, et al. ICNet for Real-Time Semantic Segmentation on High-Resolution Images[J]. 2017.