導(dǎo)讀

一個(gè)很好的入門小短文，內(nèi)容很全，適合上手。

在這篇文章中，我們將進(jìn)入使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像分割的世界。我們將討論：

圖像分割是什么以及圖像分割的兩種主要類型

圖像分割結(jié)構(gòu)

圖像分割中使用的損失函數(shù)

你可以使用的框架

就讓我們一探究竟吧。

什么是圖像分割？

顧名思義，這是將圖像分割為多個(gè)部分的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，圖像中的每個(gè)像素都與一個(gè)對(duì)象類型相關(guān)聯(lián)。圖像分割主要有兩種類型：語(yǔ)義分割和實(shí)例分割。

在語(yǔ)義分割中，所有相同類型的對(duì)象都使用一個(gè)類標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記，而在實(shí)例分割中，相似的對(duì)象使用各自的標(biāo)簽。

圖像分割結(jié)構(gòu)

圖像分割的基本結(jié)構(gòu)包括編碼器和解碼器。

編碼器通過(guò)濾波器從圖像中提取特征。解碼器負(fù)責(zé)生成最終輸出，該輸出通常是包含對(duì)象輪廓的分割掩碼。大多數(shù)架構(gòu)都有這種架構(gòu)或它的變體。

讓我們來(lái)看幾個(gè)例子。

U-Net

U-Net是一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最初是為分割生物醫(yī)學(xué)圖像而開(kāi)發(fā)的。當(dāng)它被可視化的時(shí)候，它的架構(gòu)看起來(lái)像字母U，因此被命名為U-Net。其體系結(jié)構(gòu)由兩部分組成，左側(cè)為收縮路徑，右側(cè)為擴(kuò)展路徑。收縮路徑的目的是獲取上下文，而擴(kuò)展路徑的作用是幫助精確定位。

U-Net是由右側(cè)的擴(kuò)張路徑和左側(cè)的收縮路徑組成的。收縮路徑由兩個(gè)3乘3的卷積組成。卷積之后是一個(gè)ReLU和一個(gè)2x2的最大池計(jì)算用于下采樣。

你可以在這里找到U-Net的完整實(shí)現(xiàn)：https://lmb.informatik.uni-freiburg.de/people/ronneber/u-net/。

FastFCN —Fast Fully-connected network

在這個(gè)架構(gòu)中，使用一個(gè)聯(lián)合金字塔上采樣(JPU)模塊來(lái)替換膨脹卷積，因?yàn)樗鼈兿拇罅康膬?nèi)存和時(shí)間。在應(yīng)用JPU進(jìn)行上采樣時(shí)，其核心部分采用全連接網(wǎng)絡(luò)。JPU將低分辨率的feature map采樣到高分辨率feature map。

如果你想動(dòng)手實(shí)現(xiàn)一些代碼，看這里：https://github.com/wuhuikai/FastFCN。

Gated-SCNN

這個(gè)架構(gòu)由一個(gè) two-stream CNN架構(gòu)組成。在該模型中，使用一個(gè)單獨(dú)的分支來(lái)處理圖像的形狀信息。利用形狀流來(lái)處理邊界信息。

實(shí)現(xiàn)參考代碼：https://github.com/nv-tlabs/gscnn

DeepLab

在這種架構(gòu)中，上采樣濾波器的卷積用于涉及密集預(yù)測(cè)的任務(wù)。多尺度的目標(biāo)分割是通過(guò)空間金字塔池實(shí)現(xiàn)的。最后，利用DCNNs來(lái)改進(jìn)目標(biāo)邊界的定位。通過(guò)對(duì)濾波器插入零進(jìn)行上采樣或?qū)斎胩卣鲌D進(jìn)行稀疏采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)卷積。

實(shí)現(xiàn)參考代碼：https://github.com/fregu856/deeplabv3，https://github.com/sthalles/deeplab_v3

Mask R-CNN

在這個(gè)架構(gòu)中，使用邊界框和語(yǔ)義分割將每個(gè)像素劃分為一組類別，對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類和局部化。對(duì)每個(gè)感興趣的區(qū)域得到一個(gè)分割掩碼，生成一個(gè)類標(biāo)簽和一個(gè)邊界框作為最終輸出。該架構(gòu)是Faster R-CNN的擴(kuò)展。Faster R-CNN由regions proposer和深度卷積網(wǎng)絡(luò)和利局部檢測(cè)器組成。

這里是COCO測(cè)試集中的一張圖像的結(jié)果：

圖像分割損失函數(shù)

語(yǔ)義分割模型在訓(xùn)練過(guò)程中通常使用一個(gè)簡(jiǎn)單的交叉分類熵?fù)p失函數(shù)。但是，如果你對(duì)獲取圖像的細(xì)粒度信息感興趣，那么你需要用到稍微高級(jí)一點(diǎn)的損失函數(shù)。

我們來(lái)看看其中的幾個(gè)。

Focal Loss

這種損失是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)交叉熵的改進(jìn)。這是通過(guò)改變它的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣分配給分類良好的樣本的損失就降低了。最終，這確保了沒(méi)有類別不平衡。在這個(gè)損失函數(shù)中，交叉熵?fù)p失被縮放，隨著對(duì)正確類的置信度的增加，縮放因子衰減為零。在訓(xùn)練時(shí)，比例因子會(huì)自動(dòng)降低簡(jiǎn)單樣本的權(quán)重，并聚焦于困難樣本。

Dice loss

這個(gè)損失是通過(guò)計(jì)算smooth dice coefficient得到的。這種損失是最常用的分割損失。

Intersection over Union (IoU)-balanced Loss

IoU平衡分類損失的目的是增加高IoU樣本的梯度，降低低IoU樣本的梯度。這樣提高了機(jī)器學(xué)習(xí)模型的定位精度。

Boundary loss

邊界損失的一種變體應(yīng)用于分割高度不平衡的任務(wù)。這種損失的形式是空間等高線上的距離度量，而不是區(qū)域。這種方法解決了高度不平衡的分割任務(wù)中區(qū)域損失的問(wèn)題。

Weighted cross-entropy

在交叉熵的一種變體中，所有正樣本都用一定的系數(shù)進(jìn)行加權(quán)。它用于類別不平衡的場(chǎng)景。

Lovász-Softmax loss

該損失是對(duì)基于子模塊損失凸Lovasz擴(kuò)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平均IoU損失的直接優(yōu)化。

其他值得一提的損失包括：

TopK loss，其目的是確保網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過(guò)程中聚焦于困難樣本上。

距離懲罰交叉熵?fù)p失，引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)難以分割的邊界地區(qū)。

敏感性-特異性(SS)損失，計(jì)算特異性和敏感性的均方差的加權(quán)和。

Hausdorff distance(HD) loss，估計(jì)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Hausdorff距離。

這只是在圖像分割中使用的幾個(gè)損失函數(shù)。想了解更多內(nèi)容，看這里：https://github.com/JunMa11/SegLoss。

圖像分割數(shù)據(jù)集

從哪里可以得到一些數(shù)據(jù)集來(lái)開(kāi)始？讓我們來(lái)看幾個(gè)例子。

Common Objects in COntext?—?Coco Dataset

COCO是一個(gè)大型物體檢測(cè)、分割和圖像描述數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集包含91個(gè)類。它有25萬(wàn)個(gè)人標(biāo)注了關(guān)鍵點(diǎn)。它的大小是37.57 GiB。它包含80個(gè)物體類別。它遵循Apache 2.0許可，下載鏈接：http://cocodataset.org/#download。

PASCAL Visual Object Classes (PASCAL VOC)

PASCAL有9963個(gè)圖像和20個(gè)不同的類。訓(xùn)練/驗(yàn)證集是一個(gè)2GB的tar文件。數(shù)據(jù)集下載：http://host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC/voc2012/。

The Cityscapes Dataset

此數(shù)據(jù)集包含城市場(chǎng)景的圖像。它可以用來(lái)評(píng)估城市場(chǎng)景中視覺(jué)算法的性能。數(shù)據(jù)集下載：https://www.cityscapes-dataset.com/downloads/。

The Cambridge-driving Labeled Video Database?—?CamVid

這是一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)的分割和識(shí)別數(shù)據(jù)集。它包含32個(gè)語(yǔ)義類。數(shù)據(jù)集下載：http://mi.eng.cam.ac.uk/research/projects/VideoRec/CamVid/。

圖像分割框架

現(xiàn)在你已經(jīng)有了數(shù)據(jù)集，讓我們介紹一些工具/框架，你可以使用它們來(lái)開(kāi)始。

FastAI library- 給定一幅圖像，該庫(kù)能夠創(chuàng)建該圖像中對(duì)象的mask。

Sefexa Image Segmentation Tool?- Sefexa是一個(gè)免費(fèi)的工具，可以用于半自動(dòng)圖像分割，圖像分析，創(chuàng)建ground truth

Deepmask- Deepmask由Facebook Research開(kāi)發(fā)，是Deepmask和SharpMask的Torch實(shí)現(xiàn)。

MultiPath- 這是來(lái)源于A MultiPath Network for Object Detection的物體檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的Torch實(shí)現(xiàn)。

OpenCV- 這是一個(gè)開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，有超過(guò)2500個(gè)優(yōu)化算法。

MIScnn- 這是一個(gè)醫(yī)學(xué)圖像分割開(kāi)源庫(kù)。它使用最先進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)模型建立管道，只需幾行代碼。

Fritz- Fritz提供多種計(jì)算機(jī)視覺(jué)工具，包括用于移動(dòng)設(shè)備的圖像分割工具。

總結(jié)

本文為你提供了一些圖像分割的背景知識(shí)，并為你提供了一些工具和框架，可以用于入門。

我們討論了:

什么是圖像分割，

圖像分割架構(gòu)，

圖像分割損失，

圖像分割工具和框架。

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