【学习笔记】语义分割综述

2023-05-16

语义分割就是图像分割，是图像像素级的分类，即给图像的每一个像素点分类。与之临近的一个概念叫实例分割，实例分割就是语义分割+目标检测。语义分割只能分割出所有同类的像素，目标检测把不同的个体分开就行了，如Mask RCNN。

评价指标

在了解评价指标之前，先来看一下混淆矩阵。混淆矩阵来源于分类评价指标，表示的是A类别是否正确分类为A类别。

比如我们一个模型对15个样本进行预测，然后结果如下。

真实值：0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0

预测值：1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1

混淆矩阵是

很明显，有了混淆矩阵后就可以很方便的计算准确率，召回率、F1 score等指标了。

1. Pixel Accuracy（像素准确率）

像素准确率是图像分割最简单的指标，就是正确分类的像素数量除以总像素数量，也就是混淆矩阵对角线的和除以矩阵的总和。即：

$Pixel Accuracy = \frac{TP+TN}{TP+TN+FT+FN}=\frac{diag(confusion)}{sum(confusion)}$

2. IOU（Intersection Over Union）

顾名思义，IOU就是交并比，Ground Truth与Prediction区域的交并比。

假如人的像素类别为1，背景的像素类别为0。对应到混淆矩阵上，对于类别1来说，交集就是对角线元素，并集为真实标签为1的像素和+所有预测为1的像素和-交集。即

$IOU = \frac{diag(confusion)}{sum(confusion, axis=1)+sum(confusion, axis=0)-diag(confusion)}$

3. mIOU（mean IOU）

顾名思义，mIOU就是对所有类别的IOU求均值了。

4. Dice Score(F1 Score)

$F_1=2\frac{precison\cdot recall}{precison+recall}$

网络模型介绍

FCN
UNet
SegNet
Deeplab(V1 V2)
RefineNet
PSPNet
Deeplab v3
EncNet
......

1. FCN

https://arxiv.org/abs/1411.4038 (2014年)

FCN是深度学习应用在图像分割的开篇之作，奠定了语义分割的原理基础。

Fully Convolution :全链接层转换为卷积层。VGG得到的特征图通过上采样恢复尺寸
Transpose Convolution: 上采样的方式，类似于卷积的逆过程，但不是真正的逆，只是形式尺寸上恢复了尺寸，转置卷积的参数通过学习获得。
Skip Architecture: 用于融合相同尺度下，卷积层和转置卷积层的feature map, 提高分割的精细程度。

2. UNet

https://arxiv.org/abs/1505.04597v1 (2015)

UNet的设计就是应用与医学图像的分割。由于医学影像处理中，数据量较少，本文提出的方法有效提升了使用少量数据集训练检测的效果，提出了处理大尺寸图像的有效方法。

UNet的网络架构继承自FCN，并在此基础上做了些改变。提出了Encoder-Decoder概念，实际上就是FCN那个先卷积再上采样的思想。

U形结构：完全对称。
Skip Architecture
Transpose Convolution

3. SegNet

https://arxiv.org/abs/1511.00561 (2015)

SegNet继承自FCN，在FCN基础上做了些改变，网络在内存上更小。

Encoder-Decoder概念：提出编码器-解码器概念，编码就是卷积过程，解码就是上采样过程。
Skip Architecture: 使用contact的方式融合链接。
Maxpooling-INdices: 又叫Unpooling(反池化)，就是把Encoder里池化时的索引存储下来，在Decoder上采样时，按照索引放大尺寸，其他部分填充0，再用conv操作(same conv)填充下稀疏矩阵，平滑下feature map。如下图所示：

preview

从Maxpooling-Indices结构中可以看出，SegNet是具有更少的参数的，所以速度相对较快，但Maxpooling-Indices跟插值之类的算法一样，是不需要学习的参数的，所以没有Transpose Convolution精度高，所以SegNet的效果并不如FCN8s吧。

4. Deeplab

Deeplab v1: https://arxiv.org/abs/1412.7062 (2014)

Deeplab v2: https://arxiv.org/abs/1606.00915 (2016)

在介绍Deeplab前，先要介绍下空洞卷积(Dilated Convolution)和条件随机场CRF。

空洞卷积就是在卷积核中间填充0，或者在输入map上等间隔采样，其计算方式与标准卷积相同。

标准卷积

空洞卷积

上图所示即为标准卷积和空洞卷积。那为什么要使用空洞卷积呢？

论文中的说法是，FCN是用传统的CNN那样对图像先卷积再池化，降低图像尺寸同时增大感受野，在上采样扩大图像尺寸。但在减小增大尺寸的过程中，肯定有一些信息丢失了，造成了分割效果粗糙。而dilated conv就是能够不通过池化也能获得较大的感受野的操作。同时，dilated conv通过设置不同的holes，还能得到类似于不同尺度下的特征。（这些理论的东西看看就罢，大部分经验的东西，看似找了个合理的说法而已，但黑匣子还是黑匣子，这种说法很难在深度学习上推而广之）

条件随机场

DeepLab：深度卷积网络，多孔卷积和全连接条件随机场的图像语义分割 Semantic Image Segmentation with Deep Convolutional Nets, Atro_Taylor Guo-CSDN博客_基于条件随机场的图像语义分割

整体来说，Deeplab做了两件事情：

去掉了最后两个Pooling层，改用Dilated Convolution来扩大感受野，避免池化带来的信息损失。
对于模型得到的heatmap, 考虑到图像中分割边缘的先验知识，如梯度变化，颜色等，使用条件随机场CRF精修heatmap, 进一步优化分割精度。

5. RefineNet

RefineNet: https://arxiv.org/pdf/1611.06612.pdf （2016）

UNet的变种，使用Encoder-Decoder结构。其中Encoder使用ResNet101, Decoder使用RefineNet结构。

上图是网络的整体架构。RefineNet block 的作用就是把不同分辨率的特征图进行融合。最左边一栏使用的是ResNet，先把pretrained ResNet 按特征图的分辨率分成四个ResNet blocks，然后向右把四个blocks 分别作为4 个path 通过RefineNet block 进行融合，最后得到一个refined feature map(接softmax 层，再双线性插值输出)。除了RefineNet-4，所有的RefineNet block 都是二输入的，用于融合不同level 做refine，而单输入的RefineNet-4 可以看作是先对ResNet 的一个task adaptation。

这里写图片描述

上图是refineNet的结构细节。具体如下：

RCU：是从残差网络中提取出来的单元结构
Multi-resolution fusion：是先对多输入的特征图都用一个卷积层进行自适应(都化到最小的特征图的尺寸大小)，再上采样，最后做element-wise 的相加。如果是像RefineNet-4 的单输入block 这一部分就不用了。
Chained residual pooling：卷积层作为之后加权求和的权重，relu 对接下来池化的有效性很重要，而且使得模型对学习率的变化没这么敏感。这个链式结构能从很大范围区域上获取背景context。另外，这个结构中大量使用了identity mapping 这样的连接，无论长距离或者短距离的，这样的结构允许梯度从一个block 直接向其他任一block 传播
Output convolutions：输出前再加一个RCU。

6. PSPNet

[论文笔记] PSPNet：Pyramid Scene Parsing Network - 知乎

7. Deeplab V3

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