谷歌——DeepLab v1
临近中国的春节，Google 团队也不休假，趁着中国人每年一度大迁徙，他们在 arXiv 放出了 DeepLabv3+，在语义分割领域取得新的 state-of-the-art 水平。那今天就开始好好说说这一系列的操作，有兴趣的您，我们一起去进行深入学习讨论！
今天先讲讲DeepLab v1的那些知识。
原文地址：Semantic image segmentation with deep convolutional nets and fully connected CRFs
收录：ICLR 2015 (International Conference on Learning Representations)
DeepLab是结合了深度卷积神经网络（DCNNs）和概率图模型（DenseCRFs）的方法。在实验中发现DCNNs做语义分割时精准度不够的问题，根本原因是DCNNs的高级特征的平移不变性（即高层次特征映射）。DeepLab解决这一问题的方法是通过将DCNNs层的响应和完全连接的条件随机场（CRF）结合。同时模型创新性的将Hole（即空洞卷积）算法应用到DCNNs模型上，在现代GPU上运行速度达到了8FPS。
相比于传统的视觉算法（SIFT或HOG），DCNN以其end-to-end（端到端）方式获得了很好的效果。这样的成功部分可以归功于DCNN对图像转换的平移不变性，这根本是源于重复的池化和下采样组合层。平移不变性增强了对数据分层抽象的能力，但同时可能会阻碍低级视觉任务,例如姿态估计、语义分割等，在这些任务中我们倾向于精确的定位而不是抽象的空间关系。
DCNN在图像标记任务中存在两个技术障碍：
信号下采样；
空间不敏感。
第一个问题涉及到：在DCNN中重复最大池化和下采样带来的分辨率下降问题，分辨率的下降会丢失细节。DeepLab是采用的atrous（带孔）算法扩展感受野，获取更多的上下文信息。
第二个问题涉及到：分类器获取以对象中心的决策是需要空间变换的不变性，这天然的限制了DCNN的定位精度，DeepLab采用完全连接的条件随机场(DenseCRF)提高模型捕获细节的能力。
主要贡献：
速度：带atrous算法的DCNN可以保持8FPS的速度，全连接CRF平均推断需要0.5s；
准确：在PASCAL语义分割挑战中获得了第二的成绩；
简单：DeepLab是由两个非常成熟的模块(DCNN和CRFs)级联而成。
相关工作：
DeepLab系统应用在语义分割任务上，目的是做逐像素分类的，这与使用两阶段的DCNN方法形成鲜明对比(指R-CNN等系列的目标检测工作)，R-CNN系列的做法是原先图片上获取候选区域，再送到DCNN中获取分割建议，重新排列取结果。虽然这种方法明确地尝试处理前段分割算法的本质，但在仍没有明确的利用DCNN的预测图。
我们的系统与其他先进模型的主要区别在于DenseCRFs和DCNN的结合。是将每个像素视为CRF节点，利用远程依赖关系，并使用CRF推理直接优化DCNN的损失函数。Koltun(2011)的工作表明完全连接的CRF在语义分割下非常有效。
也有其他组采取非常相似的方向，将DCNN和密集的CRF结合起来，我们已经更新提出了DeepLab系统(指的是DeepLabV2)。
密集分类下的卷积神经网络
这里先描述一下DCNN如何设计，调整VGG16模型，转为一个可以有效提取特征的语义分割系统。具体来说，先将VGG16的FC层转为卷积层，模型变为全卷积的方式，在图像的原始分辨率上产生非常稀疏的计算检测分数(步幅32,步幅=输入尺寸/输出特征尺寸步幅)，为了以更密集(步幅8)的计算得分,我们在最后的两个最大池化层不下采样(padding到原大小)，再通过2或4的采样率的空洞卷积对特征图做采样扩大感受野，缩小步幅。
空洞卷积的使用
简单介绍下空洞卷积在卷积神经网络的使用(在DeepLabv3中有更详细的讨论)。在1-D的情况下，我们扩大输入核元素之间的步长，如下图Inputstride：
如果不是很直观，看下面的在二维图像上应用空洞卷积：
蓝色部分是输入：7×77×7的图像；
青色部分是输出：3×33×3的图像；
空洞卷积核：3×33×3 采样率(扩展率)为2 无padding。
这种带孔的采样又称atrous算法，可以稀疏的采样底层特征映射，该方法具有通常性，并且可以使用任何采样率计算密集的特征映射。在VGG16中使用不同采样率的空洞卷积，可以让模型再密集的计算时，明确控制网络的感受野。保证DCNN的预测图可靠的预测图像中物体的位置。
训练时将预训练的VGG16的权重做fine-tune，损失函数取是输出的特征图与ground truth下采样8倍做交叉熵和；测试时取输出图双线性上采样8倍得到结果。但DCNN的预测物体的位置是粗略的，没有确切的轮廓。在卷积网络中，因为有多个最大池化层和下采样的重复组合层使得模型的具有平移不变性，我们在其输出的high-level的基础上做定位是比较难的。这需要做分类精度和定位精度之间是有一个自然的折中。
解决这个问题的工作，主要分为两个方向：
第一种是利用卷积网络中多个层次的信息；
第二种是采样超像素表示，实质上是将定位任务交给低级的分割方法。
DeepLab是结合了DCNNs的识别能力和全连接的CRF的细粒度定位精度，寻求一个结合的方法，结果证明能够产生准确的语义分割结果。
CRF在语义分割上的应用
传统上，CRF已被用于平滑噪声分割图。通常，这些模型包含耦合相邻节点的能量项，有利于相同标签分配空间近端像素。定性的说，这些短程的CRF主要功能是清除在手工特征基础上建立的弱分类器的虚假预测。
与这些弱分类器相比，现代的DCNN体系产生质量不同的预测图，通常是比较平滑且均匀的分类结果(即以前是弱分类器预测的结果，不是很靠谱，现在DCNN的预测结果靠谱多了)。在这种情况下，使用短程的CRF可能是不利的，因为我们的目标是恢复详细的局部结构，而不是进一步平滑。而有工作证明可用全连接的CRF来提升分割精度。
CRF在语义分割上的应用：
对于每个像素位置ii具有隐变量xi(这里隐变量就是像素的真实类别标签，如果预测结果有21类，则（i∈1,2,..,21），还有对应的观测值yi（即像素点对应的颜色值）。以像素为节点，像素与像素间的关系作为边，构成了一个条件随机场(CRF)。通过观测变量yi来推测像素位置i对应的类别标签xi。条件随机场示意图如下：
多尺度预测
论文还探讨了使用多尺度预测提高边界定位效果。具体的，在输入图像和前四个最大池化层的输出上附加了两层的MLP(第一层是128个3×33×3卷积，第二层是128个1×11×1卷积)，最终输出的特征映射送到模型的最后一层辅助预测，合起来模型最后的softmax层输入特征多了5×128=6405×128=640个通道，实验表示多尺度有助于提升预测结果，但是效果不如CRF明显。
Experiment
测试细节：
项目 | 设置 |
数据集 | PASCAL VOC 2012 segmentation benchmark |
DCNN模型 | 权重采用预训练的VGG16 |
DCNN损失函数 | 交叉熵 |
训练器 | SGD，batch=20 |
学习率 | 初始为0.001，最后的分类层是0.01。每2000次迭代乘0.1 |
权重 | 0.9的动量， 0.0005的衰减 |
DeepLab由DCNN和CRF组成，训练策略是分段训练，即DCNN的输出是CRF的一元势函数，在训练CRF时是固定的。在对DCNN做了fine-tune后，对CRF做交叉验证。具体参数请参考论文。
CRF和多尺度的表现
在验证集上的表现：
可以看到带CRF和多尺度的(MSc)的DeepLab模型效果明显上升了。
多尺度的视觉表现：
第一行是普通输出，第二行是带多尺度的输出，可以看出多尺度输出细节部分要好点
离散卷积的表现
在使用离散卷积的过程中，可控制离散卷积的采样率来扩展特征感受野的范围，不同配置的参数如下：
同样的实验结果：
带FOV的即不同离散卷积的配置.可以看到大的离散卷积效果会好一点。
与其他模型相比
与其他先进模型相比，DeepLab捕获到了更细节的边界。
DeepLab创造性的结合了DCNN和CRF产生一种新的语义分割模型，模型有准确的预测结果同时计算效率高。在PASCAL VOC 2012上展现了先进的水平。DeepLab是卷积神经网络和概率图模型的交集，后续可考虑将CNN和CRF结合到一起做end-to-end训练。
后续我们将进一步讨论DeepLabv2~3，他们都是DeepLabv1的升级版，并进一步讨论空洞卷积和CRF的使用。