Hey Lab|极海机器学习研究之图像语义分割

人工智能被认为是第四次工业革命，google，facebook等全球顶尖、最有影响力的技术公司都将目光转向AI。虽然免不了存在泡沫，被部分媒体夸大宣传，但神经网络在图像识别，语音识别，自然语言处理，无人车等方面的贡献是毋庸置疑的，随着算法的不断完善，部分垂直领域的研究已经落地应用。

在计算机视觉领域，目前神经网络的应用主要有图像识别，目标定位与检测，语义分割。图像识别就是告诉你图像是什么，目标定位与检测告诉你图像中目标在哪里，语义分割则是从像素级别回答上面两个问题。因为项目需要对卫星遥感影像中的小麦和玉米进行语义分割，这几天在做相关方向的研究，下面给大家简单介绍下语义分割的相关知识。

语义分割是什么

图像语义分割（semantic segmentation），从字面意思上理解就是让计算机根据图像的语义来进行分割，例如让计算机在输入下面左图的情况下，能够输出右图。语义在语音识别中指的是语音的意思，在图像领域，语义指的是图像的内容，对图片意思的理解，比如左图的语义就是三个人骑着三辆自行车；分割的意思是从像素的角度分割出图片中的不同对象，对原图中的每个像素都进行标注，比如右图中粉红色代表人，绿色代表自行车。

语义分割当前应用

目前语义分割的应用领域主要有：

• 地理信息系统

• 无人车驾驶

• 医疗影像分析

• 机器人等领域

- 地理信息系统：可以通过训练神经网络让机器输入卫星遥感影像，自动识别道路，河流，庄稼，建筑物等，并且对图像中每个像素进行标注。（下图左边为卫星遥感影像，中间为真实的标签，右边为神经网络预测的标签结果，可以看到，随着训练加深，预测准确率不断提升。使用ResNet FCN网络进行训练）

- 无人车驾驶：语义分割也是无人车驾驶的核心算法技术，车载摄像头，或者激光雷达探查到图像后输入到神经网络中，后台计算机可以自动将图像分割归类，以避让行人和车辆等障碍。

- 医疗影像分析:随着人工智能的崛起，将神经网络与医疗诊断结合也成为研究热点，智能医疗研究逐渐成熟。在智能医疗领域，语义分割主要应用有肿瘤图像分割，龋齿诊断等。(下图分别是龋齿诊断，头部CT扫描紧急护理诊断辅助和肺癌诊断辅助)

语义分割数据集

在“数据，算法，计算力”这AI发展的三大驱动力中，眼下最重要的就是数据，数据集在人工智能中有着举足轻重的地位，具体根据不同的应用领域，目前数据集主要有：

1. Pascal VOC系列:http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/

   通常采用PASCAL VOC 2012，最开始有1464 张具有标注信息的训练图片，2014 年增加到10582张训练图片。主要涉及了日常生活中常见的物体，包括汽车，狗，船等20个分类。

2. Microsoft COCO:http://link.zhihu.com/?target=http%3A//mscoco.org/explore/

   一共有80个类别。这个数据集主要用于实例级别的分割（Instance-level Segmentation）以及图片描述Image Caption）。

3. Cityscapes: https://www.cityscapes-dataset.com/

   适用于汽车自动驾驶的训练数据集，包括19种都市街道场景：road、side-walk、building、wal、fence、pole、traficlight、trafic　sign、vegetation、terain、sky、person、rider、car、truck、bus、train、motorcycle 和 bicycle。该数据库中用于训练和校验的精细标注的图片数量为3475，同时也包含了 2 万张粗糙的标记图片。

语义分割中的深度学习技术

• 全卷积神经网络 FCN（2015）

论文：Fully Convolutional Networks for Semantic Segmentation　

FCN 所追求的是，输入是一张图片是，输出也是一张图片，学习像素到像素的映射，端到端的映射，网络结构如下图所示：

• 全卷积神经网络主要使用了三种技术：

        1）卷积化（Convolutional）

        2）上采样（Upsample）

        3）跳跃结构（Skip Layer）

- 卷积化（Convolutional） 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（Upsample） 有的说叫conv_transpose更为合适。因为普通的池化会缩小图片的尺寸，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。

图解如下：

- 跳跃结构（Skip Layer） 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：

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，获得了CVPR2015的最佳论文。但还是无法避免有很多问题，比如，精度问题，对细节不敏感，以及像素与像素之间的关系，忽略空间的一致性等，后面的研究极大的改善了这些问题。

• SegNet（2015）论文：A Deep Convolutional Encoder-Decoder Architecture for Image Segmentation 主要贡献：将最大池化指数转移至解码器中，改善了分割分辨率。

• 空洞卷积（2015）论文：Multi-Scale Context Aggregation by Dilated Convolutions 主要贡献：使用了空洞卷积，这是一种可用于密集预测的卷积层；提出在多尺度聚集条件下使用空洞卷积的“背景模块”。

• DeepLab（2016）论文：DeepLab: Semantic Image Segmentation with Deep Convolutional Nets, Atrous Convolution, and Fully Connected CRFs 主要贡献：使用了空洞卷积；提出了在空间维度上实现金字塔型的空洞池化atrous spatial pyramid pooling(ASPP)；使用了全连接条件随机场。

参考：

1. https://www.azavea.com/blog/2017/05/30/deep-learning-on-aerial-imagery/ 
2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/22308032

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