关于图像语义分割的总结和感悟

作者：困兽
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22308032

前言

前几天刚好做了个图像语义分割的汇报，把最近看的论文和一些想法讲了一下。所以今天就把它总结成文章啦，方便大家一起讨论讨论。本文只是展示了一些比较经典和自己觉得比较不错的结构，毕竟这方面还是有挺多的结构方法了。

介绍

图像语义分割 ，简单而言就是给定一张图片，对图片上的每一个像素点分类

从图像上来看，就是我们需要将实际的场景图分割成下面的分割图：

不同颜色代表不同类别。 经过我阅读“大量”论文和查看 PASCAL VOC Challenge performance evaluation server ，我发现图像语义分割从深度学习引入这个任务（FCN）到现在而言，一个通用的框架已经大概确定了。即：

• FCN-全卷积网络

• CRF-条件随机场

• MRF-马尔科夫随机场

前端使用FCN进行特征粗提取，后端使用CRF/MRF优化前端的输出，最后得到分割图。

接下来，我会从前端和后端两部分进行总结。

前端

为什么需要FCN？

我们分类使用的网络通常会在最后连接几层全连接层，它会将原来二维的矩阵（图片）压扁成一维的，从而丢失了空间信息，最后训练输出一个标量，这就是我们的分类标签。

而图像语义分割的输出需要是个分割图，且不论尺寸大小，但是至少是二维的。所以，我们需要丢弃全连接层，换上全卷积层，而这就是全卷积网络了。具体定义请参看论文： Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation

前端结构

FCN

此处的FCN特指 Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation 论文中提出的结构，而非广义的全卷积网络。

作者的FCN主要使用了三种技术：

• 卷积化（Convolutional）

• 上采样（Upsample）

• 跳跃结构（Skip Layer）

卷积化

卷积化即是将普通的分类网络，比如VGG16，ResNet50/101等网络丢弃全连接层，换上对应的卷积层即可。

上采样

此处的上采样即是反卷积（Deconvolution）。当然关于这个名字不同框架不同，Caffe和Kera里叫Deconvolution，而tensorflow里叫conv_transpose。CS231n这门课中说，叫conv_transpose更为合适。

众所诸知，普通的池化（为什么这儿是普通的池化请看后文）会缩小图片的尺寸，比如VGG16 五次池化后图片被缩小了32倍。为了得到和原图等大的分割图，我们需要上采样/反卷积。

反卷积和卷积类似，都是相乘相加的运算。只不过后者是多对一，前者是一对多。而反卷积的前向和后向传播，只用颠倒卷积的前后向传播即可。所以无论优化还是后向传播算法都是没有问题。图解如下：

但是，虽然文中说是可学习的反卷积，但是作者实际代码并没有让它学习，可能正是因为这个一对多的逻辑关系。代码如下：

layer {
  name: "upscore"
  type: "Deconvolution"
  bottom: "score_fr"
  top: "upscore"
  param {
    lr_mult: 0
  }
  convolution_param {
    num_output: 21
    bias_term: false
    kernel_size: 64
    stride: 32
  }
}

可以看到lr_mult被设置为了0.

跳跃结构

（这个奇怪的名字是我翻译的，好像一般叫忽略连接结构）这个结构的作用就在于优化结果，因为如果将全卷积之后的结果直接上采样得到的结果是很粗糙的，所以作者将不同池化层的结果进行上采样之后来优化输出。具体结构如下：

而不同上采样结构得到的结果对比如下：

当然，你也可以将pool1， pool2的输出再上采样输出。不过，作者说了这样得到的结果提升并不大。

这是第一种结构，也是深度学习应用于图像语义分割的开山之作，所以得了CVPR2015的最佳论文。但是，还是有一些处理比较粗糙的地方，具体和后面对比就知道了。

SegNet/DeconvNet

这样的结构总结在这儿，只是我觉得结构上比较优雅，它得到的结果不一定比上一种好。

SegNet

DeconvNet

这样的对称结构有种自编码器的感觉在里面，先编码再解码。这样的结构主要使用了反卷积和上池化。即：

反卷积如上。而上池化的实现主要在于池化时记住输出值的位置，在上池化时再将这个值填回原来的位置，其他位置填0即OK。

DeepLab

接下来介绍一个很成熟优雅的结构，以至于现在的很多改进是基于这个网络结构的进行的。

首先这里我们将指出一个第一个结构FCN的粗糙之处：为了保证之后输出的尺寸不至于太小，FCN的作者在第一层直接对原图加了100的padding，可想而知，这会引入噪声。

而怎样才能保证输出的尺寸不会太小而又不会产生加100 padding这样的做法呢？可能有人会说减少池化层不就行了，这样理论上是可以的，但是这样直接就改变了原先可用的结构了，而且最重要的一点是就不能用以前的结构参数进行fine-tune了。所以，Deeplab这里使用了一个非常优雅的做法：将pooling的stride改为1，再加上 1 padding。这样池化后的图片尺寸并未减小，并且依然保留了池化整合特征的特性。

但是，事情还没完。因为池化层变了，后面的卷积的感受野也对应的改变了，这样也不能进行fine-tune了。所以，Deeplab提出了一种新的卷积，带孔的卷积：Atrous Convolution.即：

而具体的感受野变化如下：

a为普通的池化的结果，b为“优雅”池化的结果。我们设想在a上进行卷积核尺寸为3的普通卷积，则对应的感受野大小为7.而在b上进行同样的操作，对应的感受野变为了5.感受野减小了。但是如果使用hole为1的Atrous Convolution则感受野依然为7.

所以，Atrous Convolution能够保证这样的池化后的感受野不变，从而可以fine tune，同时也能保证输出的结果更加精细。即：