FCN理解

半城伤御伤魂 提交于 2020-01-23 03:23:48

原文链接:https://blog.csdn.net/qq_37274615/article/details/73251503

【原文图】“Fully convolutional networks for semantic segmentation.” 

上图中,32x即为扩大32倍。

Pool5扩大32倍就可以得到原来图像大小了。

Pool5扩大2倍与Pool4融合得到,再扩大16倍也可以得到原来图像大小了。

扩大2倍与Pool3融合再扩大8倍也可以得到原来图像大小了。

以下内容来自http://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/51348149

核心思想

本文包含了当下CNN的三个思潮 
- 不含全连接层(fc)的全卷积(fully conv)网络。可适应任意尺寸输入。 
- 增大数据尺寸的反卷积(deconv)层。能够输出精细的结果。 
- 结合不同深度层结果的跳级(skip)结构。同时确保鲁棒性和精确性。

网络结构

网络结构如下。输入可为任意尺寸图像彩色图像;输出与输入尺寸相同,深度为:20类目标+背景=21。 
这里写图片描述

全卷积-提取特征

虚线上半部分为全卷积网络。(蓝:卷积,绿:max pooling)。对于不同尺寸的输入图像,各层数据的尺寸(height,width)相应变化,深度(channel)不变。 
这部分由深度学习分类问题中经典网络AlexNet1修改而来。只不过,把最后两个全连接层(fc)改成了卷积层。

论文中,达到最高精度的分类网络是VGG16,但提供的模型基于AlexNet。此处使用AlexNet便于绘图。

逐像素预测

虚线下半部分中,分别从卷积网络的不同阶段,以卷积层(蓝色×3)预测深度为21的分类结果。

例:第一个预测模块 
输入16*16*4096,卷积模板尺寸1*1,输出16*16*21。 
相当于对每个像素施加一个全连接层,从4096维特征,预测21类结果。

反卷积-升采样

(这里会先进行上采样,即扩大像素;再进行卷积——通过学习获得权值)

下半部分,反卷积层(橙色×3)可以把输入数据尺寸放大。和卷积层一样,上采样的具体参数经过训练确定。

这里图像的反卷积与下图的full卷积原理是一样的,使用了这一种反卷积手段使得图像可以变大,FCN作者使用的方法是这里所说反卷积的一种变体,这样就可以获得相应的像素值,图像可以实现end to end

例:反卷积2 
这里写图片描述
输入:每个像素值等于filter的权重 
输出:步长为stride,截取的宽度为pad。

跳级结构

下半部分,使用逐数据相加(黄色×2),把三个不同深度的预测结果进行融合:较浅的结果更为精细,较深的结果更为鲁棒。 
在融合之前,使用裁剪层(灰色×2)统一两者大小。最后裁剪成和输入相同尺寸输出。

训练

训练过程分为四个阶段,也体现了作者的设计思路,值得研究。

第1阶段

这里写图片描述 
以经典的分类网络为初始化。最后两级是全连接(红色),参数弃去不用。

第2阶段

这里写图片描述 
从特征小图(16*16*4096)预测分割小图(16*16*21),之后直接升采样为大图。 
反卷积(橙色)的步长为32,这个网络称为FCN-32s。 
这一阶段使用单GPU训练约需3天。

第3阶段

这里写图片描述 
升采样分为两次完成(橙色×2)。 
在第二次升采样前,把第4个pooling层(绿色)的预测结果(蓝色)融合进来。使用跳级结构提升精确性。 
第二次反卷积步长为16,这个网络称为FCN-16s。 
这一阶段使用单GPU训练约需1天。

第4阶段

这里写图片描述 
升采样分为三次完成(橙色×3)。 
进一步融合了第3个pooling层的预测结果。 
第三次反卷积步长为8,记为FCN-8s。 
这一阶段使用单GPU训练约需1天。

较浅层的预测结果包含了更多细节信息。比较2,3,4阶段可以看出,跳级结构利用浅层信息辅助逐步升采样,有更精细的结果。 
这里写图片描述

其他参数

minibatch:20张图片 
learning rate:0.001 
初始化: 
分类网络之外的卷积层参数初始化为0。 
反卷积参数初始化为bilinear插值。最后一层反卷积固定位bilinear插值不做学习。

结论

总体来说,本文的逻辑如下: 
- 想要精确预测每个像素的分割结果 
- 必须经历从大到小,再从小到大的两个过程 
- 在升采样过程中,分阶段增大比一步到位效果更好 
- 在升采样的每个阶段,使用降采样对应层的特征进行辅助

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